航空導管數控彎曲成型工藝參數對材料力學性能的影響

毛奕鑫

（中航飛機股份有限公司，西安 710089）

近年來，航空工業不斷發展，行業對輕量、高強度、高性能材料的需求日益增長。航空導管作為飛機傳動系統中不可或缺的關鍵部件，研究其制造工藝對材料力學性能的影響顯得尤為重要。數控彎曲成型作為一種精密、高效的制造技術，廣泛應用于航空導管的生產過程。航空導管數控彎曲成型工藝參數的選擇直接關系到最終產品的質量、性能和可靠性。通過合理調整工藝參數，可以達到更好的彎曲形狀、尺寸精度，從而有效控制材料的力學性能。因此，深入研究航空導管數控彎曲成型工藝參數與材料力學性能之間的關系，對于優化制造工藝、提高產品質量具有重要意義[1]。

研究旨在系統性地探討航空導管數控彎曲成型工藝參數對材料力學性能的影響，并通過試驗驗證獲取關鍵工藝參數對導管材料的影響規律。通過研究為航空導管的精密制造提供更科學的工藝指導，為提高航空系統的整體性能提供有力支持，對推動航空工業技術水平的提升和產品質量的穩步提高具有重要的實際應用價值。

1 航空導管數控彎曲成型工藝參數分析與計算

1.1 航空導管數控彎曲成型工藝參數選擇

航空導管數控彎曲成型是一項復雜的工藝，需要考慮多個參數，以確保最終產品的質量和精度。在材料選擇過程中，首先需要確保選擇適合航空導管的材料。通常選用高強度、耐腐蝕的金屬合金材料，如不銹鋼、鋁合金等。其次，導管的彎曲半徑必須符合設計要求，較小的半徑可能導致導管形變或開裂。最后，確保導管的彎曲角度符合設計規范，避免過度變形。

航空導管材料的彈塑性變形公式為

式中：εe為航空導管在彈塑性變形階段產生的應變；σs為管材屈服強度的極限數值；K為塑性系數；n為材料硬化指數；E為管材的彈性模量。

控制數控彎曲機床的彎曲速度，避免在彎曲過程中產生過多熱量，從而減少材料的硬化[2]。選擇適當的支撐方式，防止在彎曲過程中導管振動或形變，同時引入合適的彎曲工具，確保其適應導管的直徑和材料特性。在一些情況下，需要控制環境溫度，確保導管彎曲時材料性能穩定，設置合適的質量檢測步驟，從而更好地驗證彎曲后導管的質量和幾何形狀。

1.2 航空導管數控彎曲力矩分析

航空導管數控彎曲力矩分析是為了確保在彎曲過程中不僅要滿足幾何形狀的要求，還要保證材料不超出變形極限[3]。根據導管的幾何形狀、材料性質以及彎曲半徑和角度確定導管彎曲過程中所需的力矩，了解所用材料的力學性質，如彈性模量、屈服強度、延展性等，以便充分考慮材料的彈性變形和塑性變形。分析彎曲半徑和角度對力矩的影響，確保選擇的參數不超出材料的彎曲極限，進而計算彈性變形區彎矩、外側塑性變形區彎矩、內側塑性變形區彎矩。

彈性變形區彎矩為

式中：σθ為任意角度產生的應力值；rm為航空導管的直徑；t為彎曲時間。

外側塑性變形區彎矩為

式中：θ1為外側塑性變形區彎矩選擇的角度。

內側塑性變形區彎矩為

式中：θ2為外側塑性變形區彎矩選擇的角度。

在分析彎曲力矩時，還要考慮彎曲過程中的速度。過快的彎曲速度可能引起過熱和過度的變形。分析彎曲過程中的支撐和夾持方式，確保導管在受力時不會發生不穩定或者振動。彎曲過程中的溫度對于材料的塑性變形和彈性恢復都有影響，因此需要控制溫度。引入傳感器來監測導管在彎曲過程中的變形情況，從而調整彎曲參數，保證數控彎曲機床的精度和穩定性，確保準確控制彎曲力矩[4]。使用數值模擬工具對彎曲過程進行模擬，優化彎曲力矩控制參數，提高彎曲過程的效率和質量。

1.3 航空導管壓膜壓力確定

航空導管的壓膜壓力是在制造過程中需要精確控制的參數，以確保導管的質量和性能。導管的直徑和壁厚是影響壓膜壓力的重要因素，當直徑較大、孔壁較厚時，會影響所需的壓膜力。確定用于壓膜的材料及其硬度，以確保良好的成型效果。不同形狀和曲率的導管需要不同的壓膜力，因此需要考慮導管的實際形狀和曲率。航空導管壓膜壓力計算公式為

式中：L為導管長度；M為導管質量；R為航空管半徑；θ為航空導管角度。

2 航空導管數控彎曲有限元模型

2.1 有限元模型建立

建立航空導管數控彎曲的有限元模型，能夠模擬導管在彎曲過程中的應力、應變和變形等行為。使用計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件創建導管的三維幾何模型，確保幾何模型準確反映導管的實際形狀，包括直徑、壁厚、彎曲半徑等。將幾何模型劃分為有限元網格，通常使用四邊形或三角形元素定義導管所使用的材料力學性質。在有限元模型中，根據彈性模量、屈服強度、泊松比等參數描述材料的行為。設定模型的邊界條件，根據導管的固定支撐和施加的彎曲力矩確定有限元分析的結果[5]。建立的有限元模型，如圖1 所示。

圖1 有限元模型

使用有限元軟件進行數值分析，模擬導管在彎曲過程中的應力、應變、位移等參數變化。分析有限元分析的結果，評估導管在不同彎曲條件下的性能，檢查應力和應變分布，確保導管在設計條件下不會超過材料的極限。根據有限元分析的結果進行必要的優化和調整，改善導管的設計和制造過程。

2.2 有限元模型可靠性驗證

比對有限元模型的預測結果與實際試驗數據，通過分析實測的應力、應變、位移等參數與有限元模型的對比結果，驗證模型在模擬實際彎曲過程中的準確性。進行彎曲試驗以模擬數控彎曲過程，記錄試驗中的導管形變、應力和位移等數據，并將其與有限元模型的預測結果進行比較。通過改變材料屬性、彎曲半徑等參數，檢查模型的響應變化情況，并進行敏感性分析，評估模型對不同輸入參數的敏感性。針對有限元網格密度進行獨立性分析，逐步調整網格密度，觀察模型結果的變化，確保結果在足夠細密的網格下趨于穩定。模擬不同彎曲條件下的導管行為，分析不同的彎曲角度、彎曲速度等，比較模擬結果，驗證模型在不同條件下的適用性。

3 試驗研究

3.1 彎曲角度和彎曲半徑對材料強度和硬度的影響

選擇鋁合金或不銹鋼等航空工程中常用的材料作為試驗研究對象，確定試驗中要考慮的彎曲角度和彎曲半徑范圍，根據試驗需求設計和制備標準試樣，使用適當的試驗設備進行彎曲試驗。控制彎曲角度和半徑，記錄每個試樣的彎曲過程。在不同的彎曲條件下，測試試樣的強度和硬度，記錄抗拉強度，試驗結果如圖2 所示。

圖2 抗拉強度試驗結果

根據圖2 可知，彎曲角度和彎曲半徑對材料的強度和硬度會產生較為明顯的影響，當伸長率達到臨界值后（應力為0.5 Pa，應變為20.5%）材料會出現斷裂。較大的彎曲角度導致材料發生更大的彎曲變形，導管中會產生更大的應力，對導管的整體形狀和性能產生影響，進而影響其強度和耐久性。彎曲半徑較小的情況下，材料的應變率較大，導致其在彎曲過程中發生較大形變，同樣會影響材料的強度和硬度。

3.2 成型速度對材料塑性變形的影響

在試驗中設定不同的成型速度，包括慢速、中速和快速等，需要確保每組試驗都有相應的速度記錄。使用應變計、拉伸計等測量設備測量應變和應力之間的關系，得到的試驗結果如圖3 所示。

圖3 塑性變形試驗結果

根據圖3 可知，隨著應變的增加，應力也在不斷加大。當到達臨界值后，應力出現急速增加。高速成型會導致材料應變率增加，使其出現不同的應變分布，進而影響材料的形變。局部的高應力區域會影響導管的強度和耐久性。高速成型中的摩擦和變形也會引起溫度升高，降低表面質量，從而出現瑕疵和不均勻。

實時記錄試樣在不同成型速度下的塑性變形情況，觀察并記錄試樣表面的質量變化，包括表面平整度、裂紋、起皺等情況。通過拉伸試驗、硬度測試對試樣進行力學性能測試，從而獲取更詳細的材料變形信息。最后，統計和分析試驗數據，比較不同成型速度下的塑性變形情況。

4 結語

文章深入探討航空導管數控彎曲成型工藝參數對材料力學性能的影響，通過系統性的試驗研究，分析不同數控彎曲成型工藝參數對導管材料力學性能的影響規律。通過對比試驗數據和數值模擬結果，驗證了數控彎曲成型工藝參數對材料力學性能模型的可靠性。通過研究航空導管制造過程中的關鍵工藝參數，可以更好地調整和優化生產工藝，實現導管在使用過程中更好的性能表現，這對提高航空系統的可靠性、降低維護成本具有重要價值。文章的研究結果為航空導管的精密制造提供了試驗數據支持和理論指導，可以為工程師和制造商提供參考，從而更好地優化工藝參數，提高導管的制造效率和性能。