金屬氟塑料襯套精準(zhǔn)成形工藝研究

謝洪志　劉金玲

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

金屬氟塑料襯套精準(zhǔn)成形工藝研究

謝洪志劉金玲

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

金屬氟塑料襯套具有極高承載和超長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，在飛機(jī)的關(guān)鍵潤(rùn)滑部位廣泛使用，尺寸精度要求極高，成形工藝過程復(fù)雜。本文針對(duì)某型飛機(jī)平尾金屬氟塑料襯套尺寸大、精度高、成形困難等問題，通過工藝分析影響襯套成形質(zhì)量的主要因素，制定改進(jìn)工藝方案，設(shè)計(jì)了帶有五級(jí)校形結(jié)構(gòu)的校正模進(jìn)行襯套成形，并通過試驗(yàn)得到了模具的回彈量值、襯套展開尺寸等工藝參數(shù)，最終成形出合格的平尾金屬氟塑料襯套。

金屬氟塑料；襯套；多級(jí)校形模；回彈

金屬氟塑料帶材是一種新穎的、性能優(yōu)異的潤(rùn)滑軸承材料，其主要成分是由聚四氟乙烯與金屬基體（鋼、銅）燒結(jié)而成，它綜合了金屬和聚四氟乙烯塑料的優(yōu)點(diǎn)，具有機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)低、耐磨性能好及使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可在干摩擦條件下長(zhǎng)期使用。利用金屬氟塑料材料具有極高承載和超長(zhǎng)使用壽命的特點(diǎn)，其制造的襯套在飛機(jī)的前緣襟翼、外翼、座艙蓋、起落架等部位大量使用，用以保證飛機(jī)操縱靈活性和飛行的可靠性。金屬氟塑料襯套主要結(jié)構(gòu)形式有兩種，帶凸肩和無凸肩的襯套，這兩種襯套均是由金屬氟塑料帶材卷制而成，工藝十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研院所能夠制造該類襯套，且成形的襯套規(guī)格一般在φ50mm以下，對(duì)于直徑在φ50mm以上的金屬氟塑料襯套目前無成熟的成形工藝。

某型飛機(jī)平尾大軸采用了金屬氟塑料襯套進(jìn)行潤(rùn)滑，襯套直徑尺寸大，精度要求高，其制造質(zhì)量直接影響飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能和安全性。為此，開展深入的平尾金屬氟塑料襯套的成形工藝研究，確定襯套的成形方案，通過計(jì)算襯套的成形回彈量值，優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)尺寸，精確展開毛料尺寸等，逐步提高了襯套成形質(zhì)量，并最終制造出合格的襯套零件，提高了公司在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.襯套結(jié)構(gòu)

平尾金屬氟塑料襯套為開口的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，設(shè)計(jì)選用δ2.6的金屬氟塑料帶材，襯套內(nèi)徑尺寸為φ133mm，外徑尺寸為φ138mm，其主要工藝參數(shù)如下：

（2）壁厚公差：襯套壁厚為δ2.5，公差要求不超過0.03mm。

（3）襯套內(nèi)表面氟塑料層無脫落。

（4）襯套的永久變形量不大于0.025mm。

2.工藝分析

對(duì)襯套結(jié)構(gòu)及主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，襯套在形成過程中主要存在以下難點(diǎn)：

（1）襯套尺寸大、精度高

平尾金屬氟塑料襯套內(nèi)徑尺寸為φ133mm，是一般該類襯套內(nèi)徑尺寸的4倍以上，雖然襯套內(nèi)徑尺寸大，但襯套內(nèi)徑公差要求為0～0.04mm，壁厚度公差為0.03mm，尺寸精度要求極高，而且襯套采用板材成形，整個(gè)襯套開口結(jié)構(gòu)，滿足精度難度極大。

（2）表面易損傷

金屬氟塑料材料由金屬基體與表面氟塑料層復(fù)合而成，表面氟塑料層的主要成份是聚四氟乙烯，該材料在剛性模具中成形時(shí)很容易損傷，由于氟塑料層在工作時(shí)起主要作用，因此襯套設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)表面質(zhì)量要求極高，不允許成形后氟塑料層表面存在損傷，因此對(duì)于模具結(jié)構(gòu)及模具的精度都提出了較高的要求。

（3）檢測(cè)困難

由于金屬氟塑料襯套為開口結(jié)構(gòu)，圖紙要求檢測(cè)內(nèi)徑尺寸時(shí)需把壓緊保證無對(duì)接間隙，且內(nèi)徑尺寸公差只有0.04mm，這對(duì)氟塑料襯套如何進(jìn)行檢測(cè)，降低檢測(cè)誤差提出了更高的要求，檢驗(yàn)夾具的結(jié)構(gòu)形式和制造精度都會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果。

3.工藝方案

通過對(duì)襯套結(jié)構(gòu)及成形過程中的難點(diǎn)進(jìn)行分析，初步確定采用預(yù)彎成形+液壓校形的工藝方法，為保證金屬氟塑料襯套的成形精度及表面質(zhì)量，需要在提高成形工裝結(jié)構(gòu)，芯模尺寸，展開毛料尺寸精度和檢測(cè)方法等方面進(jìn)行工藝研究。

3.1成形工裝設(shè)計(jì)

（1）預(yù)成形工裝

圖1　金屬氟塑料襯套結(jié)構(gòu)圖

圖2　襯套卷圓工裝結(jié)構(gòu)圖

由于襯套成形精度高，金屬氟塑料襯套成形過程包括預(yù)彎成形和精確校形，預(yù)彎成形時(shí)將展開毛料彎曲成近似的圓環(huán)即可，為后續(xù)襯套的校形提供毛坯，因此預(yù)彎模具采用一般的卷圓型胎即可滿足襯套預(yù)成形要求，如圖2所示，卷圓型胎由端頭夾緊器、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、芯軸等部分組成，同時(shí)，為避免襯套內(nèi)表面的劃傷，卷圓型胎的表面粗糙度要求不大于Ra0.8。

（2）校形工裝

（a）設(shè)計(jì)原理

金屬氟塑料襯套的成形精度主要由校形工裝保證，校形工裝設(shè)計(jì)為陽模與五級(jí)陰模模芯配合的結(jié)構(gòu)形式，工裝結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，襯套校形時(shí)，將預(yù)成形后的襯套毛坯固定在陽模上，陽模帶動(dòng)襯套一起逐一通過每個(gè)陰模模芯，陰陽模之間通過不斷擠壓實(shí)現(xiàn)襯套的校形，同時(shí)，為避免襯套內(nèi)表面劃傷，在工裝陽模上增加了錐形引導(dǎo)，可以保證校形時(shí)襯套與陽模同心，避免襯套壓入時(shí)偏心而導(dǎo)致的零件表面劃傷。

（b）尺寸設(shè)計(jì)

由于金屬氟塑料襯套內(nèi)表面為氟塑料層，在陽模與陰模模芯擠壓變薄時(shí)，襯套表面的氟層存在一定的變形回彈，通過對(duì)板材加壓試驗(yàn)，初步確定該回彈量在0.08mm～0.09mm，已經(jīng)超過襯套的尺寸公差0.04mm，為消除氟層變形回彈對(duì)襯套成形精度的影響，在設(shè)計(jì)校正模陽模時(shí)需要增加工藝補(bǔ)償，襯套理論內(nèi)徑尺寸為，增加襯套回彈補(bǔ)償后陽模內(nèi)徑尺寸為。

圖3　校形工裝結(jié)構(gòu)圖

校形模陰模采用五級(jí)模芯，最后一級(jí)模芯尺寸為金屬氟塑料襯套的最終尺寸，因此，該級(jí)模芯設(shè)計(jì)的內(nèi)徑尺寸與襯套外經(jīng)尺寸一致為，該模芯之前的每級(jí)模芯的內(nèi)經(jīng)尺寸逐漸變大，且每?jī)杉?jí)模芯之間的差值逐漸變大，這樣在襯套成形時(shí)能夠保證變形兩越來越小，逐漸提高襯套的校形精度。校形模具的陽模與陰模模芯尺寸見表1。

3.2檢驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

按圖紙要求金屬氟塑料襯套需要在壓緊無對(duì)接間隙的狀態(tài)下進(jìn)行檢驗(yàn)，因此檢驗(yàn)工裝采用圓環(huán)底座與檢驗(yàn)量規(guī)配合的結(jié)構(gòu)形式。工裝結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。從圖4中可以看出，檢驗(yàn)工裝的圓環(huán)底座主要由內(nèi)圓環(huán)和頂出裝置組成，內(nèi)圓環(huán)的直徑尺比氟塑料襯套的外徑尺寸小0.02mm，在檢驗(yàn)時(shí)通過輔助設(shè)備將襯套壓入內(nèi)圓環(huán)，保證襯套壓入時(shí)無對(duì)縫間隙。壓入后使用檢驗(yàn)量規(guī)進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)量規(guī)分為通規(guī)和止規(guī)，均由3個(gè)葉片組成，每個(gè)葉片弧度為70°，3個(gè)葉片同襯套內(nèi)表面具有較大的接觸面積，可以有效地保證檢驗(yàn)結(jié)果的正確性。襯套檢驗(yàn)合格后通過檢驗(yàn)工裝的頂出裝置將零件取出。

4.成形試驗(yàn)

4.1下料

金屬氟塑料襯套通過板材彎曲成形，板材展開毛料的尺寸精度對(duì)襯套的成形性及成形精度起關(guān)鍵作用，由于金屬氟塑料材料在彎曲過程中金屬層與氟層變形量不一致，采用中性層法計(jì)算公式計(jì)算出的毛料長(zhǎng)度存在一定偏差，因此需要在此基礎(chǔ)上選取幾個(gè)不同的展開毛料尺寸進(jìn)行彎曲成形試驗(yàn)。

初步選取6種長(zhǎng)度規(guī)格作為金屬氟塑料的展開毛料尺寸，每種長(zhǎng)度規(guī)格選取5件進(jìn)行試驗(yàn)，并按1～6#進(jìn)行編號(hào)，具體長(zhǎng)度尺寸規(guī)格見表2。每種規(guī)格試驗(yàn)件的展開毛料的尺寸精度控制在L±0.05mm范圍內(nèi)，為保證該精度，新制毛料銼修夾具，方便工人對(duì)展開毛料的銼修及毛料的精度控制，銼修夾具結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

表2　試驗(yàn)件展開毛料尺寸

4.2預(yù)彎成形

按圖2的卷圓型胎對(duì)毛料進(jìn)行彎曲成形，成形時(shí)注意保護(hù)零件內(nèi)表面不被劃傷，預(yù)彎曲成形后保證襯套的基本的圓度。

4.3校形

金屬氟塑料襯套的校形在315t液壓機(jī)上進(jìn)行，校形前將模具在液壓機(jī)上安裝固定，并調(diào)整合模的間隙值均勻，將校形模具清理干凈，模具芯模表面及零件的內(nèi)外表面涂潤(rùn)滑油，防止襯套零件表面損傷，為保證襯套的校形圓度，每個(gè)試驗(yàn)件校準(zhǔn)6次，每校準(zhǔn)一次后將襯套水平旋轉(zhuǎn)90°，垂直方向旋轉(zhuǎn)180°。

5.試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行襯套校形試驗(yàn)時(shí)，1#、2#試驗(yàn)件僅經(jīng)過3次校形便從校形模中脫落，分析原因是毛料長(zhǎng)度過短，經(jīng)過3次校形后的襯套外徑尺寸已經(jīng)小于模芯內(nèi)徑尺寸，從而導(dǎo)致襯套脫落。其余試驗(yàn)件均正常完成6次校形。利用檢驗(yàn)工裝對(duì)3#～6#試驗(yàn)件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，3#和4#試驗(yàn)件用量規(guī)測(cè)量時(shí)通端與止端都能通過，襯套內(nèi)徑不滿足要求。5#和6#試驗(yàn)件在內(nèi)徑尺寸滿足量規(guī)檢驗(yàn)要求，進(jìn)行壁厚度測(cè)量時(shí)5#試驗(yàn)件的壁厚均勻控制在2.49mm～2.52mm，而6#試驗(yàn)件壁厚存在不均，個(gè)別點(diǎn)厚度超差，分析原因是襯套展開毛料尺寸過長(zhǎng)，襯套校形時(shí)局部擠壓變形量過大導(dǎo)致。經(jīng)試驗(yàn)，5#試驗(yàn)件各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，可以證明工裝結(jié)構(gòu)合理，各個(gè)尺寸計(jì)算準(zhǔn)確，按該工藝方案能夠滿足金屬氟塑料襯套的成形要求。

圖4　檢驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5　銼修夾具結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

通過對(duì)金屬氟塑料襯套的成形工藝研究，實(shí)現(xiàn)了公司某型飛機(jī)平尾金屬氟塑料襯套的自行研制，滿足了公司科研生產(chǎn)需求為后續(xù)機(jī)型中襯套類零件的成形打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，該襯套的成功研制，將國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的金屬氟塑料襯套成形的尺寸范圍提高了一倍以上，提高了我國(guó)在金屬氟塑料襯套成形領(lǐng)域的技術(shù)水平。

[1]李衛(wèi)京，崔世海，韓建民，等．金屬-氟塑料自潤(rùn)滑材料的摩擦磨損特性[J]．航空材料學(xué)報(bào)，2007，27（6）：75-78．

[2]李衛(wèi)京，趙洋，韓建民，等．提速客貨車用改性氟塑料-金屬?gòu)?fù)合襯套材料的試驗(yàn)研究[J]．北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（4）：90-92．

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