水壓成型技術在飛機副油箱生產中的應用

施晉生

（空軍駐安徽地區軍事代表室，安徽 合肥 230022）

飛機外掛副油箱，一般為鋁合金大型薄壁氣動外形，其氣動外形零組件的加工工藝方法一般都采取液壓成型、爆炸成型、橡膠脹型等軟模（半模）柔性成型工藝，然后將各段焊接，形成整只副油箱。

其中液壓成型與其他成型方法相比，具有安全可靠、使用成本低廉、工件品質穩定等優點。水壓成型工藝在副油箱生產中已大量使用，技術比較成熟，成型介質為普通工業用水，也比較經濟。

本文在總結多年水壓成型工作經驗的基礎上，從水壓成型原理、成型設備、成型工藝過程、影響因素分析及解決策略等方面進行闡述。

1 水壓成型基本原理

水壓成型原理，是利用水介質替代剛性凸模，在水壓力的作用下，使圓筒形或圓錐形零件緊貼剛性凹模，以達到產品圖紙外形尺寸要求的軟模成型工藝方法。

圖1是水壓成型原理示意圖。

圖1 水壓成型原理示意圖

機體1的內壁，為工件所需外形。

工作流程為：

將工件14放入機體1內，蓋上蓋板12用氣缸16的壓緊軸15壓緊，打開壓縮空氣閥門11，活塞桿7帶動底盤5向上運動，使密封圈6緊壓工件下端密封，同時將密封圈2壓緊密封。

打開注水閥13往工件內注水，打開排氣（水）閥10排氣。當水注滿時，排氣（水）閥10開始排水，關閉排氣（水）閥10，繼續通過注水閥13向工件內注入高壓水，將工件壓向機體1內壁。介于工件和機體之間的水、氣通過排泄孔4排出。

成形后，關閉注水閥13，打開排氣（水）閥10，并將空氣閥門11轉向，活塞桿7反向運動，使密封圈2和6恢復自由狀態，退出氣缸壓緊軸15，分別將蓋板12和工件14取出。

水壓成型特點是：

（1）工件成型準確，壁厚均勻，表面光滑。在成型過程中，水壓力均勻作用于毛坯上，使毛坯緊貼凹模模壁。

（2）材料及加工成本比較低。

（3）使用介質為普通工業用水（大型工廠可以使用污水處理后的回用水），而且水可以一直循環使用。

（4）適合大型錐形工件、半球形工件、曲母線旋轉體形工件等中小批量生產。

（5）需要采取密封技術和配備液壓加壓泵。

2 水壓機設備部件組成和功用

水壓機大體上由機體、蓋板、活塞組件、管路系統（氣路和水路）、操作系統等構成。

（1）機體。機體即水壓機的主體部分，其關鍵就是機體內腔具有設計成零件外形的凹模體。一般采用鑄件，只需加工內型腔。機體的設計制造精度，直接影響到水壓機的性能和零件的成型精度。在數控技術沒有普及以前，機體內腔一般都采取環氧樹脂澆鑄而成。內腔尺寸受環氧樹脂配比、收縮比、老化變形、開裂等影響較大，導致內腔尺寸不合格和密封性能不穩定，經常要多次澆鑄才能成功。而且在使用過程中，由于工件焊縫的存在導致內腔受力不均，容易使環氧樹脂層產生裂紋甚至成塊狀脫落。隨著數控技術的發展，機體內腔可采用大型數控設備加工，確保了內腔尺寸精度和密封性能，徹底消除了采用環氧樹脂澆注所產生的弊端。同時機體也是其他各部分的承載體。

（2）蓋板。蓋板是零件兩端密封裝置（活塞）和高壓注水機構的承載體。蓋板與機體應壓緊，壓緊方式有氣壓缸和液壓缸兩種。氣壓缸連接方便，結構簡單，使用便捷。液壓缸結構復雜，需要配備單獨的高壓液壓系統和控制臺。目前大都采用氣壓缸壓緊。壓緊點一般有3～4個，可根據工件直徑大小、脹形力大小和水壓機機體結構形式來選擇。蓋板上部一般都有起吊環，便于起吊。

（3）活塞組件。活塞上下端分別有密封圈和工件進行密封，與內腔相應配合尺寸精度要求較高。高壓密封技術，是水壓成型關鍵的技術之一。其中除了密封處的尺寸配合精度要求較高外，密封圈膠料的硬度和壓縮性能較為關鍵。膠料硬度愈高，強度較大，伸長率較小，會造成零件焊接部位密封失敗，且密封圈容易損傷；膠料壓縮性能較差，會造成成型后活塞桿反向運動時密封圈不能恢復原來形狀，使工件難以取出。

（4）管路。其一是氣路，用于提供氣動保證活塞組件密封和蓋板固定。

其二是高壓水路，用于加壓成型。需要配備一套高壓注水系統，重復利用廢水時，還需配備一套水循環過濾蓄水系統。

其三是排泄孔。成形時存在著水和氣體，成形后將水和氣體排出。排泄孔的數量選擇，主要根據成型過程中工件與機體內腔間存在的水和氣體量。單純從成型角度出發，多一點會好一點，但由于取放工件時，機體內腔的水會大量外泄，導致注水時間延長，降低工作效率。排泄孔的位置，對成型品質有著很大關系，應與成型速度相呼應。

由于向下分力的作用，工件成型時，上端隨著水壓力的增加，先緊貼機體內腔，即貼緊面會隨著壓力的增加往下移動。當移動速度過快時，工件與機體內腔之間的氣或水未來得及排出，會使工件外形局部不能完全貼模，特別是在小端密封圈附近影響更大，出現畸形情況。

一般設計時，根據經驗考慮排泄孔的數量和位置；使用時，根據需要進行堵塞或在適當位置增加排泄孔。

水壓機安裝基礎，應有良好的排水設施。

（5）操作系統。包括氣路控制系統、水壓控制系統、排水控制系統、蓋板吊起控制等。

3 工藝過程

飛機副油箱外形薄壁旋轉體零件成型之前，狀態一般都是先將鋁合金板料卷制成圓錐臺體，并將其焊接形成縱向一條焊縫。成型過程如下：

（1）展開料計算。按照零件兩端理論切割線為基準，計算扇形展開料，兩端根據水壓機成型需要適當順延增放量。

例如，某產品零件圖如圖2示：取大端直徑為Φ D、小端直徑為Φ d、高度為H的正圓錐臺，用計算法或作圖法得出扇形展開料，兩端根據水壓機成型需要，適當順延增放余量（計算公式和作圖方法可參見《板金展開技術手冊》）。

圖2 某產品零件展開圖

展開料經卷圓后，采取自動或手工氬弧焊焊接。自動焊接焊縫高度均勻，有利于改善成型時焊縫兩邊的承壓狀態。

注意：計算所得的展開料，必須在成型過程中根據零件的成型效果、水壓機的密封要求等進行修正，可依據修正后的尺寸制作下料樣板。

（2）翻邊及脫料設計。由于成型后的零件緊貼內壁，手工取出較為困難。一般可采取在零件上端設置脫料圈。成型前，將零件大端邊沿進行翻邊（見圖3），便于脫料圈脫料。翻邊高度應均勻、根部R應偏小，有利于成型時水壓機壓緊氣缸運動壓緊端蓋。

脫料圈隨著蓋板向上運動，將零件脫離模腔內壁，再徒手取出零件即可。

圖3 零件大端邊沿翻邊示意圖

（3）成型需核算參數。一是變形程度的核算：

脹形系數K=Dmax/Do；

最大切向應變εθmax=ln Dmax/Do

液壓脹形時，最大切向應變εθmax不能超過許用應變εa。

變形程度滿足核算要求。

二是壓力計算：

單位壓力，是作用于管內壁上所需單位壓力P，可按如下方法估算：

P=2 toσθ/Dmax

to:毛坯壁厚；

σθ為不同變形程度ε θ下的實際應力；

成型壓力，考慮到塑性變形回彈，增加約50%的單位壓力作為該零件成型壓力較為合適，即1.5 P。

水壓機額定承受壓力，可按估算壓力的2倍進行設計，即2 P。

（4）零件檢測及切割。采取專用檢測劃線工藝裝備，檢測外形和劃出兩端切割線，再用專用切割設備和切割夾具，按線切割兩端余量，完成零件制造。

4 成型工藝影響因素分析及對策

影響水壓成型因素比較多，比如材料理化性能、機械性能、毛料樣板與水壓機的匹配、同批材料的性能均勻程度、水壓機的狀態、材料冷加工應力、材料焊接應力、焊接品質、焊絲成份等等。故障的表現形式，一般為裂紋和畸形。

經過多年的水壓成型工藝摸索，總結幾種常見的容易造成批量的故障影響因素和解決措施如下：

（1）原材料性能不穩定。板材的化學成分中某些微量元素含量以及機械性能等，雖然符合標值，但偏向極限，對焊接后的機械性能影響比較大，焊縫強度降低較多，在水壓成型過程中，焊縫易產生裂紋，從而使工件無法成型到位。

只能采取預防措施。即每批用于水壓成型的板材采購進廠后，應先投試驗件，試驗件合格后，方可正式投料生產。

（2）焊接品質。因為焊縫兩邊熱影響區域的材料強度略有降低，焊接氣孔、焊縫高度超標等缺陷，在水壓成型過程中，容易導致焊縫裂開，成型失敗。

出現這種故障可采取兩種措施：一是前期預防，做好焊前清理、焊接工裝維護、焊接操作者技能培訓工作；二是后期處理，可加強焊縫表面品質檢查，并采取必要的返修措施。

（3）退火不充分，有殘留冷作應力和焊接應力。蒙皮在卷圓時，會產生冷加工應力；焊接時，會產生熱加工應力，一般不會影響水壓成型。但有些材料蒙皮存在較大的加工應力，會導致批量成型失敗，因此可以在水壓成型前，安排退火工序，意在消除應力，可見退火的工藝參數確定比較重要。

副油箱蒙皮生產中，經常出現這種故障，經過熱處理工藝人員的多次摸索，目前確定來取充分退火的工藝搭檔。

（4）設備故障。其一，水壓成型設備管路漏氣、氣源壓力不符合要求、密封泄漏等，會導致成型不到位。這種情況可通過設備維修和班前設備檢查維護來避免，工件可以重新成型。

其二，設備排泄孔位置不合適，會導致成型后存在局部環形不到位現象。這種情況一般在設備投入使用前的調試階段，通過試驗來獲得排泄孔的最佳位置。

其三，設備機體表面有異物或成型用水內有異物，會導致蒙皮成型后表面有凹坑或局部型面不飽滿現象，可通過清除異物來解決。

5 結束語

通過多年實踐，水壓成型技術已大量用于副油箱生產，此技術工藝成熟、設備簡單，生產成本較低，而且同樣適合用于大型薄壁氣動外形旋轉體的批量生產。

[1]梁炳文.板金沖壓工藝手冊[K].北京：國防工業出版社，1989.

[2]夏巨諶.鈑金工手冊[K].北京：化學工業出版社，2005.

[3]王文昌.鈑金展開技術手冊[K].沈陽:東北工學院出版社，1991.