鋁鋰合金飛機蒙皮滾彎成形試驗研究

黨暉，周密，龔甘霖，彭靜文，周澤軍，萬敏

（1.江西洪都航空工業集團有限責任公司，南昌330024;2.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

鋁鋰合金的發展大體可分為3個階段，相應出 現的鋁鋰合金也可以分為三代。第三代鋁鋰合金因其具有的超強超韌、低密度、低各向異性以及良好的焊接性能與熱穩定性等優點，已成為我國國產大飛機機身制造的主要金屬材料［1—2］。

滾彎是一種無模具回圍轉成形方式的工藝方法，加工時被加工板材因受到上輥施加的壓力而產生一定的塑性彎曲變形。當下輥被驅動作回轉運動時，由板材與軸輥之間的摩擦力形成的嚙入力矩使板材實現進給;當板材依次通過上輥的下方即變形區時，板材也就獲得了沿其全長的塑性彎曲變形;卸載回彈后，工作彎曲部分最終就取得了等曲率的殘余變形。滾彎工藝屬于無模加工，無法通過貼靠模具的方法來保證成形件外形準確度，只能依賴兩下輥之間的距離及上輥的運動軌跡等工藝參數成形。基于數控三軸滾彎設備進行加載軌跡設計方法，可以快速地獲得初始的工藝參數，提高生產效率和零件質量［3］。

國內外針對第三代鋁鋰合金材料的成形工藝研究還處于起步階段，對于鋁鋰合金零件的滾彎成形沒有成熟的經驗可以借鑒。文中通過對鋁鋰合金材料2060-T8進行材料性能試驗獲取其本構模型。應用滾彎解析算法對滾彎加載參數進行預測［4—5］，并通過小件工藝試驗，獲得該材料的滾彎成形曲線。基于滾彎成形工藝參數計算方法，對成形零件的工藝參數進行設計，并應用于實際零件上生產，以獲得精密成形零件。

1 鋁鋰合金材料本構模型建立

按照GB 3076—1996《金屬薄板（帶）拉伸試驗方法》和GB 5028—1996《金屬薄板拉伸應變硬化指數（n值）試驗方法》的技術要求對鋁鋰合金2060-T8材料進行單向拉伸試驗，得到材料在與軋制方向成0°，45°和90°上的應力應變關系以及彈性模量、屈服強度、抗拉強度和應變硬化指數等力學性能參數，為后續的鋁鋰合金2060-T8材料滾彎成形加載設計提供準確的材料力學性能參數。

圖1為鋁鋰合金2060-T8在高性能的單向拉伸機上進行單向拉伸試驗前后的試件。通過單向拉伸試驗得到材料的原始力學性能曲線（圖2a），對數據進行處理，根據實驗原始數據提供的工程應變εn、拉伸過程中力F和原始截面尺寸A0，可計算得到σn，利用真實應變:

可以計算出實際應力:

圖1 單向拉伸前后試件實物圖Fig.1 Specimens before and after uniaxial tensile

得到的真實應力應變曲線如圖2b所示。材料的塑性應力應變曲線是將真實應力應變曲線中的彈性階段去掉后的材料曲線（圖2c），即:

圖2 單向拉伸曲線Fig.2 Curves of uniaxial tensile

將真實應力應變曲線以冪次式的形式表示為:

式中:K為強度系數;n為拉伸應變硬化指數。

由式（3）可得:

其中:y=ln σr，x=ln εr，A=n，B=lnK。

由此可以導出拉伸應變硬化指數n的關系式:

按照式（6）對單拉數據進行數據處理，得到應變指數見表1。

表1 拉伸應變硬化指數及強度系數Table 1 Stretch strain hardening exponent and strength coefficient

2 滾彎工藝分析及小件試驗

2.1 滾彎工藝分析

當其他工藝參數不變，僅上輥下壓量d變化時，滾彎件的成形曲率半徑R同上輥下壓量d之間恰好滿足冪次式函數關系:d=A×Rn（n＜0，A，n為擬合參數）［4］。在實際生產過程中，當進行大批量的滾彎件生產時，通常板料性質，下輥間距a等參數一經確定就不再變動，加工過程中僅靠調整下壓量d來控制成形曲率半徑。

對2060-T8鋁鋰合金材料分別進行單道次和多道次滾彎試驗，將滾彎工藝參數中的下輥間距與軸輥的直徑固定不變，只研究上輥下壓量與成形曲率半徑的影響，成形結果見表2。

分別對單道次和多道次的成形結果進行擬合，獲得上輥下壓量d與成形曲率半徑R之間的冪次式關系，計算成形大型飛機機身蒙皮零件曲率半徑RP=1980 mm的下壓量，擬合結果以及與通過解析計算和有限元計算［5—7］的對比結果如表3和圖3所示。

表2 2060-T8材料滾彎下壓量與成形曲率Table 2 The roll forming press down and the part curvature of 2060-T8

表3 滾彎成形曲線擬合Table 3 Fitting of roll forming curve

圖3 滾彎成形擬合曲線Fig.3 Fitting of roll forming curve

以上擬合成形曲線的其它工藝參數為:上、下輥直徑120 mm，下輥間距200 mm。

由滾彎成形曲線擬合與解析計算得到的上輥下壓量，要成形1980 mm的曲率半徑，需要上輥下壓量為13.8 mm左右，因此設計最終的下壓量為13.8 mm。

針對該典型件的曲率，根據滾彎解析算法、有限元仿真和基礎工藝試驗擬合成形曲線的工藝分析，預測工藝參數，得到成形工藝方案:上輥直徑為120 mm，下輥直徑為120 mm，下輥間距為200 mm，上輥下壓量為:11.6 mm→12.2 mm→12.8 mm→13.4 mm→13.8 mm。

2.2 小件滾彎試驗

由于該典型件屬于筒形件，板料在滾彎過程中處于平面應變狀態，板寬對成形影響小，因此可用小件鋁板進行滾彎試驗，驗證上述的滾彎工藝參數是否能夠成形指定曲率半徑的零件。小件鋁板的尺寸為720 mm×480 mm×4 mm。試驗采用分析獲得的工藝參數開始，試驗過程中根據試驗結果進行工藝參數微調，成形結果如圖4所示。

圖4 小件成形試驗樣板檢驗Fig.4 The part template verification of small specimen

由圖4可以看出，用卡板測量小件滾彎零件，卡板與零件外表面完全貼合，滿足工廠的成形精度要求。通過基礎工藝試驗得到的滾彎成形曲線，能夠非常精確的確定上輥的下壓量。因此在零件生產前，可以通過滾彎成形曲線擬合的方法，快速得到所要的工藝參數。

3 典型零件生產性試驗

根據滾彎成形曲線擬合計算結果與解析計算結果，并參考上述小件滾彎試驗的成形結果，設計工藝參數，進行滾彎成形。設計成形道次為五道次，上輥軸下壓量13.7 mm時，設置下壓步長為0.02 mm，進行滾彎成形;每個滾彎道次完成后，測量成形零件的曲率半徑，與檢驗卡板進行比較，判斷是否成形到所需結果，一旦滿足精度要求，則結束本次滾彎成形過程;若下壓量超過設計下壓量時還未滿足精度，繼續按下壓步長0.01 mm進行滾彎成形，直到滿足精度要求。1∶1零件的生產性試驗的最終成形工藝參數:上輥直徑為120 mm，下輥直徑為120 mm，下輥間距為200 mm，上輥下壓量為:11.6 mm→12.2 mm→12.8 mm→13.4 mm→13.8 mm→12.8 mm。

在典型零件的成形過程中，由于零件的寬度6400 mm遠大于小件試驗的寬度480 mm。因此存在板料的尺寸效應和各向異性，使得典型零件的成形最終下壓量大于小件試驗的下壓量，存在的尺寸效應在實際零件的滾彎有限元模擬中也得到了體現［7］。

典型零件的生產性試驗成形結果如圖5和圖6所示。

圖5 實際零件成形結果（局部）Fig.5 The actual part forming result（partial）

圖6 實際零件成形結果Fig.6 The actual part forming result

由圖6可以看出，典型零件的成形貼模度良好，除了兩側滾彎直段外，其余部分均完全貼模，滿足零件的成形精度要求。

4 結論

文中針對2060-T8鋁鋰合金材料，按照真實大型飛機機身蒙皮零件的生產過程，進行了滾彎成形工藝設計與試驗研究，得到以下結果:

1）針對第三代鋁鋰合金材料2060-T8進行了單向拉伸試驗，建立了材料的本構模型;以此進行了基于解析計算進行滾彎工藝分析，確定了工藝參數。

2）板料的寬度對成形影響小，因此可進行小尺寸零件的預生產試驗，進一步修正滾彎工藝參數，同時應考慮小件零件與大件零件的尺寸效應帶來的誤差;經小件成形試驗修正后的滾彎工藝參數可以對最終典型件的工藝參數提供指導。

3）在典型零件的成形過程中，可記錄上輥下壓量與成形的曲率半徑，通過擬合滾彎成形曲線，來快速計算成形工藝參數。

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