(沈阳航空航天大学辽宁沈阳122000)
摘要:超塑成型是以超塑性金属为模具型腔坯料，在超塑性状态下，将工艺凸模压入坯料内部实现模具型腔成形加工的一种工艺方法，在航空航天领域中有广泛的应用前景。本文从超塑成型的三维模拟应用需求着手，从三维虚拟超塑成型设备的总体要求、软硬件通信关键技术以及虚拟超塑成型过程等三个方面进行研究，最后指出了系统开发过程中遇到的问题。
关键词:超塑；虚拟成型；系统开发
1概述
超塑成型(SRF)是如今材料技术中较为先进的一种成型手段，超塑成型的生产效益较高，生产余量非常小的高科技制造技术，超塑成型技术在航空航天材料制造领域、高精尖的武器制造领域逐渐受到青睐。超塑成型工艺在材料成型技术范围来讲属于非常复杂的工艺过程，其最显著的特点就是变形量大，还受到材料的结构和力学性能、摩擦系数、生产工艺流程、成型模具基本情况和成型设备特点的影响。多年来科研学者都用经验试错的方法来对超塑成型工艺进行摸索，对超塑成型的操作训练成本较高，三维虚拟超塑成型设备的产生和发展恰好迎合了这种高端材料成型技术的训练需求。
以法国ESI-航空钣金虚拟制造系统先锋为例，该公司自上个世纪九十年代初期接触三维虚拟制造概念后，迅速对该概念下所涉及的设备进行研发，对新型技术的敏感性非常高，波音777的设计、制造以及投入使用就是最好的例子。该公司生产的波音777型飞机从设计、测试、装配以及试飞都是在该公司的法国ESI-航空钣金虚拟制造系统上进行的。虚拟制造借助虚拟现实和计算机仿真模拟等两种核心技术来完成对飞机的产品性能检测，提高了波音777飞机设计到生产中的各个过程决策能力和控制能力。
2三维虚拟超塑成型设备的核心问题研究
2.1三维虚拟超塑成型设备的总体要求
为完成三维虚拟超塑成型的目标任务，有限元分析软件可以用于完成超塑成型三维模拟中的计算机仿真部分工作，PAM—STAMP型钣金成分析软件是该三维虚拟超塑成型设备的第一选择，PAM—OPT型软件可以完成多个学科之间的优化，还需要一个集成的环境以满足PAM—STAMP型钣金成分析软件和PAM—OPT产品(多学科优化软件)的运行条件。在VisualEnvironment的运行环境下，超塑成型的工艺流程被规范，各类数据和资源有了过渡和衔接。
2.2软硬件通信关键技术
大多数超塑成型设备的控制都是通过可编程逻辑控制器(PLC)来实现的，因此为了完全再现三维虚拟超塑成型设备的控制特点，也选用可编程逻辑控制器来对虚拟超塑成型设备进行控制。可编程逻辑控制器可以通过加载的程序对三维模拟环境中的超塑设备进行控制，操作人员在这套三维模拟系统中的操作转化为程序再转化为三维模拟环境中超塑设备的动作需要可编程逻辑控制器和该系统中的软件系统进行通信。软件系统与可编程逻辑控制器之间的通信可以利用Java技术来完成。OPC技术作为Java技术的替代技术，能够更好的重现现实的通信过程。OPC是一个通用的通信标准，不同厂家的设备和软件通过OPC技术的定义有了统一的通信接口。如果不采用OPC技术，三维虚拟超塑成型设备的后期扩展和更新则没有丰富的可能性，很可能在出现新设备和新接口时无法识别。而采用了该技术之后，三维虚拟超塑成型设备的功能在后续的功能开发中有较大的扩展潜力，也会有较强的处理能力。因此在整体的通信手段上，应该采用多种通信技术相结合的方式。
2.3虚拟超塑成型过程
使用三维虚拟超塑成型设备的人员在与设备的软件和操作电门、开关以及按钮进行交互的过程中，按照超塑成型工艺的基本流程，利用该超塑成型设备配备的模拟操作台进行操作，模拟操作台将获得到的操作指令进行分析处理，最终应用于三维模型的各个部件之中，位于虚拟场景中的三维模型会跟随模拟操作台的动作随之产生动作。首先使用模拟操作台上的操作机主手柄控制钳口将待超塑材料夹起，将材料移动到超塑区进行超塑。超塑完成之后将超塑材料转移至塑性变形压机下，操作塑性变形压机的主开关使压机向下运动，使超塑材料发生塑性变形。塑性变形情况的三维模拟和建立是依靠Java3D技术来实现的，此项技术可以为三维虚拟超塑成型设备提供边界碰撞检测功能，其原理是检测塑性变形压机与待压缩材料所碰撞接触的初始位置，并进行记录，再检测到塑性变形压机停止压缩时其与塑性变形材料接触的最终位置，通过位置的变化情况来拟合出材料发生超塑性变形的过程并模拟出塑性变形过程中材料的三维形态。从而实现超塑性变形过程的三维可视化。
3三维虚拟超塑成型设备功能综合演示系统开发存在的问题
三维虚拟超塑成型设备功能综合演示系统开发是一项难度非常高的工作，因超塑成型与其他成型工艺有显著差别，其工艺流程非常复杂，涉及到的工艺参数多，开发难度较大。总的来说此项演示系统的开发主要受到开发成本问题和应用场景等两个方面问题。首先讨论开发成本问题，三维虚拟的机械成型设备综合演示系统已经有一些突破性的进展，但大多集中于研究材料的锻压和焊接等三维演示，因这类材料成型工艺相对来说较为简单，运动方式也相对来说比较单一，因此在开发成本上一些科研院所和高校都可以承担。但超塑成型涉及到嗯工艺参数和材料移动方式、形变方式等都非常复杂，只看材料的超塑一项就需要花费巨大的经济成本做出各种各样的模型来拟合，因此在成本上有其局限性。再来讨论应用场景问题，超塑成型的应用场景本来就极为有限，可以利用超塑成型的企业和公司多数为航空航天企业，大多集中在国外，诸如汽车和重型机械企业通过其他成型工艺即可满足工业生产和使用的需求，因此这种应用场景的的局限性也限制了三维虚拟超塑成型设备功能综合演示系统的开发。
参考文献:
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作者简介：刘迎春（19798.11--）；性别：女，籍贯：山东淄博人，学历：硕士研究生，毕业于东北大学；现有职称：工程师；研究方向：机械设计及自动化。
本论文受科技部重大专项项目资金资助，项目编号2013ZX04001041-09