徐偉峰 張囡

摘要：民用飛機(jī)型號(hào)縫翼滑軌沖點(diǎn)凸緣的成形是飛機(jī)制造領(lǐng)域一項(xiàng)亟待解決的技術(shù)難題，本文基于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit兩個(gè)主分析模塊，分別模擬了銷軸過(guò)盈配合工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布和手工沖擊工況下的凸緣成形質(zhì)量情況，研究了摩擦因數(shù)、銷孔過(guò)盈量及沖擊深度對(duì)凸緣成形徑向位移量的影響關(guān)系及沖擊前后拉脫力的變化過(guò)程，對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的解決具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：沖點(diǎn)凸緣；過(guò)盈；應(yīng)力；應(yīng)變；拉脫力；仿真

中圖分類號(hào)：V262.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.010

縫翼作為飛機(jī)上重要的增升部件，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由滑軌、滾輪及齒條組成，而齒條與滑軌本體之間的連接是通過(guò)銷軸過(guò)盈配合形成，因此過(guò)盈配合的可靠性是齒條正常工作的重要保障。軸承收口工藝在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]，為了進(jìn)一步提高銷軸連接的安全可靠性，降低銷軸在縫翼運(yùn)動(dòng)工作期間惡劣環(huán)境影響下松脫的風(fēng)險(xiǎn)，飛機(jī)設(shè)計(jì)者采取了孔周圍沖點(diǎn)收口的工藝方法，通過(guò)沖點(diǎn)凸緣形成過(guò)程中的材料塑性變形提高銷軸配合的連接強(qiáng)度。而縫翼滑軌本體為鈦合金TC4制造，該材料具有較高的比強(qiáng)度及耐蝕性能等，大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但塑性性能較差[4-6]，是制約凸緣成形的重要影響因素。從目前的文獻(xiàn)資料來(lái)看[1，7-10]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在軸承過(guò)盈連接時(shí)的壓裝力、摩擦因數(shù)的解析模型以及軸承收口拉脫力方面進(jìn)行了大量的研究，而沖點(diǎn)收口工藝的原理與軸承收口的原理一致，因此借鑒軸承收口的分析方法及影響因素對(duì)本文工程實(shí)際問(wèn)題的解決具有指導(dǎo)意義；由于沖擊凹坑呈球坑狀，且凸緣非常小，當(dāng)前沒有有效量具能建立測(cè)量基準(zhǔn)對(duì)凸緣數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，因此本文采用有限元軟件Abaqus從理論模擬方面對(duì)手工沖擊工況下的凸緣成形以及沖擊前后的銷軸拉脫力進(jìn)行分析。

1有限元仿真模型建立

2有限元仿真結(jié)果

2.1應(yīng)力與應(yīng)變分布

通過(guò)有限元Abaqus/Standard模塊模擬可以得到孔軸過(guò)盈量s為0.01mm、0.02mm、0.03mm時(shí)的Mises應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D及應(yīng)力應(yīng)變曲線圖（見圖3），圖4為s=0.03mm時(shí)的云圖。從圖3中可以看出，應(yīng)力應(yīng)變呈線性比例趨勢(shì)，圖中應(yīng)力應(yīng)變分布比較均勻，擠壓應(yīng)力最大值為457MPa，小于兩種材料的屈服強(qiáng)度，因此孔軸配合面的擠壓變形均為彈性變形，達(dá)不到塑性變形階段。

2.2手工沖擊凸緣成形結(jié)果

實(shí)際工況中要求沖點(diǎn)工具的沖擊深度不大于0.8mm，手工扶持沖點(diǎn)工具時(shí)軸線盡量垂直于滑軌腹板平面，因此本文在Abaqus/Explicit模塊中設(shè)置邊界條件時(shí)，以最大值0.8mm作為位移約束，隨后設(shè)置反向位移使沖點(diǎn)工具反向移動(dòng)，釋放沖擊彈性變形及工具與平板本體的接觸應(yīng)力，其余自由度約束為0，沖擊分析步設(shè)置時(shí)間為0.1s，研究滑軌材料在“過(guò)盈+沖擊”作用下的動(dòng)力響應(yīng)，沖擊后凸緣的成形效果如圖5所示。工具球頭部分在沖擊區(qū)域形成一個(gè)近球形凹坑，同時(shí)由于材料的塑性變形，部分材料向銷軸倒角區(qū)域流動(dòng)，形成一個(gè)局部收口。依據(jù)圖6示例云圖，取收口附近徑向方向三個(gè)節(jié)點(diǎn)變形值的平均值作為整體衡量值，從圖7可以看出，孔壁材料徑向（U2方向）塑性變形量均在0.15mm左右，相差不大，均屬于微量小變形。這是由于實(shí)際工況中沖點(diǎn)工具的沖擊深度很淺，且沖擊完成后存在彈性回彈現(xiàn)象；此外，摩擦因數(shù)和過(guò)盈量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)形變量影響甚微，反映出塑性變形位移主要受縫翼滑軌本體材料屬性影響。對(duì)于TC4這種塑性較差的硬質(zhì)材料，較淺的沖擊深度使得凸緣成形并未達(dá)到理想的效果，與實(shí)際情況（見圖8）相符。

2.3單點(diǎn)沖擊深度對(duì)徑向變形量及拉脫力的影響

拉脫力的數(shù)值能有效衡量沖擊前后連接強(qiáng)度提高的水平，靜力拉脫試驗(yàn)從整體來(lái)看是一個(gè)靜移動(dòng)的過(guò)程，因此主要與摩擦因數(shù)、銷孔過(guò)盈量及凸緣效果有關(guān)，鑒于摩擦因數(shù)和過(guò)盈量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)形變量影響微弱，故直接選取最大摩擦因數(shù)及最大過(guò)盈量進(jìn)行仿真分析，即μ=0.3，s=0.03mm，徑向變形量及拉脫力隨沖擊深度l的變化而變化的模擬結(jié)果分別如圖9和圖10所示，明顯可以看出U2值及峰值拉脫力均隨著沖擊深度l的增大而增大，當(dāng)沖擊深度l滿足1～ 1.6mm時(shí)，U2值增長(zhǎng)速度較快，增幅較大，但之后增大趨勢(shì)平緩，這主要是由于材料塑性流動(dòng)沿著孔軸線方向的傾向加強(qiáng)；銷軸拉脫過(guò)程中首先要克服過(guò)盈配合面最大靜摩擦力及塑性收口區(qū)域，隨后在移動(dòng)過(guò)程中配合面的接觸面積逐漸變小，因此拉脫力變化均是先急劇增大后緩慢減小的過(guò)程，U2值的增大導(dǎo)致銷軸移動(dòng)的阻力增大，使得峰值拉脫力均有一定程度的提高。沖擊前峰值拉脫力約為10.85kN，l=2.0mm時(shí)峰值拉脫力約為15.87kN，總增長(zhǎng)百分比約為46.3%，增長(zhǎng)幅度較大，因此若在實(shí)際工況中允許適當(dāng)增大沖擊深度，則可有效提高銷軸連接的安全可靠性。

3結(jié)論

本文以銷孔過(guò)盈配合沖點(diǎn)防松工藝為研究對(duì)象，利用有限元軟件對(duì)過(guò)盈配合的應(yīng)力應(yīng)變分布、沖擊凸緣成形情況及沖擊前后拉脫力的變化進(jìn)行了模擬分析。研究結(jié)果表明：

（1）當(dāng)過(guò)盈量為s=0.03mm時(shí)，擠壓應(yīng)力最大值為457MPa，均小于材料的屈服強(qiáng)度，因此孔軸配合面的擠壓變形為彈性變形，達(dá)不到塑性變形階段。

（2）在符合現(xiàn)階段工藝要求l=0.8mm的情況下，摩擦因數(shù)和過(guò)盈量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)沖擊后孔壁材料徑向變形量U2影響甚微，沖擊深度是主要因素。

（3）摩擦因數(shù)、銷孔過(guò)盈量及凸緣徑向變形量是與銷軸拉脫力正相關(guān)的主要因素，提高摩擦因數(shù)、增大過(guò)盈量及徑向凸出量，均能有效增強(qiáng)拉脫過(guò)程中的阻礙作用，提升拉脫力的峰值大小。

（4）加大沖擊深度的允許值是使凸緣徑向變形量增大的必要條件，拉脫力的提高幅度有很大空間。

基于以上研究結(jié)果，為提高銷軸連接的強(qiáng)度可靠性，解決縫翼滑軌沖點(diǎn)凸緣的成形質(zhì)量問(wèn)題，本文建議工程設(shè)計(jì)人員首先考慮適當(dāng)增大過(guò)盈量的設(shè)置及提高摩擦因數(shù)的措施，其次對(duì)工藝規(guī)范中關(guān)于沖擊深度的要求進(jìn)行更改，放大工藝人員手工沖擊深度的允許范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]丁亞昕，賀穎相，花煒，等.基于有限元仿真的軸承收口拉脫力估算[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017（2）：139-141. Ding Yaxin，He Yingxiang，Hua Wei，et al. Estimation of pulloff force of bearing closing based on finite element simulation[J]. Mechanical Engineering and Automation，2017（2）： 139-141. （in Chinese）

[2]谷鳴，左洪福，呂德峰.民機(jī)縫翼滑軌機(jī)構(gòu)磨損分析研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2008，28（5）：10-14. Gu Ming，Zuo Hongfu，Lv Defeng. Wear analysis and research on slat slide mechanism of civil aircraft [J]. Aircraft Design， 2008，28 （5）： 10-14. （in Chinese）

[3]許可，章榮平，張劉，等.大飛機(jī)縫翼滑軌影響研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2016，34（3）：368-372. Xu Ke，Zhang Rongping，Zhang Liu，et al. Study on the influence of slat slide on large aircraft [J]. Journal of Aerodynamics， 2016，34 （3）： 368-372. （in Chinese）

[4]萊茵斯C，皮特爾斯M.鈦與鈦合金[M].陳振華，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005. Leyens C，Peters M. Titanium and titanium alloys[M]. Chen Zhenhua，tranlated. Beijing：Chemical Industry Press， 2005.（in Chinese）

[5]于德軍，柏春光，徐東生，等.鈦合金開坯鍛造過(guò)程的有限元模擬[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20（1）：500-504. Yu Dejun，Bai Chunguang，Xu Dongsheng，et al. Finite element simulation of titanium alloy forging process [J]. Chinese Journal of Non-ferrous Metals，2010，20 （1）： 500-504.（in Chinese）

[6]馮吉路，姜增輝.基于ABAQUS高速切削Ti-6Al-4V切削狀態(tài)的有限元仿真[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013（2）： 47-53. Feng Jilu，Jiang Zenghui. Finite element simulation of Ti-6Al-4V cutting state based on ABAQUS high speed cutting [J]. Modular Machine Tool and Automatic Processing Technology，2013（2）：47-53. （in Chinese）

[7]姜榮飛.基于有限元仿真的軸承壓裝與收口工藝研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2015. Jiang Rongfei. Research on bearing press fitting and closing process based on finite element simulation [D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2015. （in Chinese）

[8]李春剛，郭輝，沈勇，等.軸承安裝與固定的工藝參數(shù)研究[J].機(jī)械工程師，2020（3）：96-97. Li Chungang，Guo Hui，Shen Yong，et al.Study on technological parameters of bearing installation and fixation[J]. Mechanical Engineer，2020（3）： 96-97. （in Chinese）

[9]花煒，姜榮飛，王衛(wèi)英.6201軸承壓裝/滾壓收口裝配工藝仿真[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2016，29（5）：34-36. Hua Wei，Jiang Rongfei，Wang Weiying. Simulation of 6201 bearing press fitting / rolling closing assembly process [J]. Mechanical Research and Application，2016，29 （05）： 34-36.（in Chinese）

[10]曹艷，張偉，周平.航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承安裝工藝研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014，25（4）：46-49. Cao Yan，Zhang Wei，Zhou Ping. Research on installation technology of aeroengine bearing [J]. Aviation Science & Technology，2014，25 （4）： 46-49. （in Chinese）

[11]文廣，左芳君，劉平平，等.基于有限元的減速器輸出軸瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，22（4）：1-6. Wen Guang，Zuo Fangjun，Liu Pingping，et al. Transient dynamic analysis of reducer output shaft based on finite elementmethod[J].JournalofChengduInstituteof Technology， 2019， 22 （4）： 1-6. （in Chinese）

[12]梁涵.艦船結(jié)構(gòu)彈塑性沖擊響應(yīng)數(shù)值計(jì)算[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（11A）：1-3. LiangHan. Numericalcalculationelastic-plasticimpact response of ship structure [J]. Ship Science and Technology，2019，41 （11A）： 1-3. （in Chinese）

[13]符杰.過(guò)盈配合的摩擦系數(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007. Fu Jie. Reasearch on friction coefficient of interference fit [D]. Dalian： Dalian University of Technology，2007. （in Chinese）

[14]趙振華.軸承裝配工藝仿真及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016. Zhao Zhenhua. Bearing assembly process simulation and databasedesign[D].Nanjing：NanjingUniversityof Aeronautics andAstronautics，2016. （in Chinese）

[15]艾建光，姜峰，言蘭.TC4-DT鈦合金材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其本構(gòu)模型[J].中國(guó)機(jī)械工程，2017，28（5）：607-616. Ai Jianguang，Jiang Feng，Yan Lan. Dynamic mechanical properties and constitutive model of TC4-DT titanium alloy [J]. China Mechanical Engineering，2017，28 （5）： 607-616. （in Chinese）

[16]王玉華，黃凱明.基于ANSYS/LS-DYNA高速?gòu)楊^沖擊仿真[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2017，25（10）：112-115. Wang Yuhua，Huang Kaiming.Impact simulation of high speed warheadbasedon ANSYS /LS-DYNA [J].Computer Measurement and Control，2017，25 （10）： 112-115. （in Chinese）

（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

徐偉峰（1992-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配工藝。

Tel：029-86846418

E-mail：xwf9201@163.com

張囡（1980-）女，學(xué)士，高級(jí)工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配工藝。

Numerical Research on Key Process Parameters of Punching Point Forming of Slat Slide

Xu Weifeng*，Zhang Nan

AVIC Xian Aircraft Industry（Group）Company Ltd.，Xian 710089，China

Abstract： As for a civil aircraft ， the forming of punching point flange of slat slide is a technical problem to be solved urgently. This paper simulates the stress-strain distribution under the condition of shaft interference fit and the flange forming quality under the condition of manual impact through two main analysis modules， including Abaqus / Standard and Abaqus / Explicit. In addition， this paper also studies the effects of friction coefficient and pin interference on flange forming， as well as the change process of pull-off force before and after impact. It has guiding significance for solving practical engineering problems.

Key Words： punch point flange； interference； stress； strain； pull-off force； simulation