7050鋁合金Z形型材雙曲度彎曲成形的研究

文／黎春江·航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

本文介紹了7050鋁合金Z形截面型材彎曲成形的工藝方法，從材料的力學(xué)性能、截面特點(diǎn)、模具的設(shè)計(jì)以及成形工藝參數(shù)等方面進(jìn)行分析，針對(duì)成形過(guò)程中遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)，提出解決辦法，提高成形質(zhì)量。

在現(xiàn)代飛機(jī)零件制造中，很多框緣類和長(zhǎng)桁類零件大都采用擠壓型材制造，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，此類零件多選取L形與Z形截面的型材。而該類零件由于在裝配時(shí)直接與蒙皮鉚接，難免會(huì)出現(xiàn)單曲度、雙曲度甚至多曲度這樣復(fù)雜的理論外形，這就需要對(duì)型材進(jìn)行彎曲成形，用以貼合蒙皮外形，保證整個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)外形輪廓的流線，并增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，型材零件的彎曲成形技術(shù)是鈑金零件的一種通用的制造技術(shù)，而彎曲成形的質(zhì)量也直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量和飛機(jī)的制造水平。

彎曲成形工藝方法包括拉彎成形、滾彎成形和壓彎成形。其中，對(duì)于彎曲半徑較小，曲率變化較集中的零件，多采用壓彎成形。本文主要以7050鋁合金為例，介紹Z形截面型材的雙曲度壓彎成形工藝。

成形工藝難點(diǎn)

7050屬于高強(qiáng)度可熱處理合金，具有極高的強(qiáng)度及抗剝落腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能，以T76511狀態(tài)為例，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到552MPa，厚度為1.6mm時(shí)延伸率僅為5%，材料在室溫下真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。材料屈強(qiáng)比較大，硬化趨勢(shì)偏小，成形過(guò)程中變形區(qū)的應(yīng)變不易向鄰區(qū)傳播，容易出現(xiàn)斷裂或因成形不充分導(dǎo)致嚴(yán)重的回彈，此外由于Z形截面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，邊會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生抵抗，造成型材截面產(chǎn)生畸變。

圖1 7050-T76511鋁合金型材材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

圖3 零件外形

以國(guó)產(chǎn)某型機(jī)機(jī)身長(zhǎng)桁零件為例，采用7050-T 76511鋁合金，型材截面如圖2所示，厚度為2mm，長(zhǎng)度為1400mm。該零件理論外形（圖3）為多曲度帶折彎和下陷，零件沿Y軸和Z軸有不同曲度。成形時(shí)主要有以下難點(diǎn)：一是7050的材料性能決定了在T狀態(tài)時(shí)應(yīng)變小，延伸率低，成形容易造成零件產(chǎn)生斷裂或回彈；二是零件彎曲半徑較小，成形時(shí)應(yīng)力比較集中，也會(huì)增大回彈量；三是Z形帶彎鉤的截面結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生很大的抵抗，且工人難以手工成形和校正。

成形工藝措施

材料成形狀態(tài)的選擇

設(shè)計(jì)選用的7050鋁合金在T76511狀態(tài)時(shí)塑性較差，而通過(guò)固溶熱處理，得到的新淬火狀態(tài)（AQ），在該狀態(tài)下的材料屈服強(qiáng)度降低，延伸率大幅增大，塑性增強(qiáng)，從而使成形難度降低，再?gòu)纳a(chǎn)成本以及生產(chǎn)效率等多方面考慮，決定采用在AQ狀態(tài)下成形的工藝方法。

工裝設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工藝特點(diǎn)和工廠的生產(chǎn)條件，模具設(shè)計(jì)分為上模與下模，上模為凸模，下模為凹模。使用時(shí)下模固定在模座上，將淬火后的零件和上模放置在下模凹槽內(nèi)，通過(guò)液壓機(jī)對(duì)上模施加壓力，使零件產(chǎn)生彎曲變形。在研究工裝結(jié)構(gòu)方案時(shí)提出了兩套方案，方案一是將零件沿長(zhǎng)桁軸線旋轉(zhuǎn)一定角度使彎曲方向與水平面垂直，放入模具進(jìn)行一次性液壓成形，但該方案會(huì)使受力點(diǎn)較集中，容易導(dǎo)致硌傷零件甚至斷裂。方案二是制造兩套彎曲模Ⅰ和Ⅱ，用彎曲模Ⅰ（圖4）先成形出一個(gè)單曲度，再放入彎曲模Ⅱ（圖5）中成形出雙曲度，這樣零件的受力會(huì)比較分散，最后選取方案二作為最終方案。根據(jù)成形力和模具結(jié)構(gòu)，選用100t液壓機(jī)進(jìn)行成形。

圖4 彎曲模Ⅰ結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 彎曲模Ⅱ結(jié)構(gòu)示意圖

需要注意的問(wèn)題

由于7050鋁合金在固溶態(tài)時(shí)的不穩(wěn)定性，時(shí)效后需檢測(cè)其電導(dǎo)率和洛氏硬度值以驗(yàn)證熱處理是否合格，受淬火溫度以及淬火時(shí)間等綜合因素的影響較大，較容易出現(xiàn)實(shí)測(cè)值超出技術(shù)文件規(guī)定的驗(yàn)收值范圍，導(dǎo)致出現(xiàn)不合格品。對(duì)于電導(dǎo)率不符合要求的產(chǎn)品，可進(jìn)行重復(fù)熱處理以確保實(shí)測(cè)值符合要求；對(duì)于硬度檢測(cè)不符合要求的產(chǎn)品，可抽取隨爐試樣進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可代替硬度檢測(cè)。

存在的問(wèn)題及解決措施

成形部位兩端的變形

在試模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于模具初期設(shè)計(jì)為上模和下模長(zhǎng)度尺寸一致，在使用彎曲模Ⅰ成形時(shí)，下模兩端作為支撐邊，液壓機(jī)加壓后，零件在隨上模向下位移的過(guò)程中，受到來(lái)自上模所施加的壓力T和來(lái)自下模兩邊的支撐力F1和F2，處于模具外部分零件不受力。隨著上模繼續(xù)向下移動(dòng)，壓力T逐漸向兩端分散，到達(dá)底部時(shí)，由于增加了一個(gè)材料厚度，造成分散的壓力T1和T2缺少足夠的支撐力，在T1和T2的共同作用下，零件彎曲部位兩端發(fā)生變形。

圖6 成形過(guò)程示意圖

通過(guò)分析變形產(chǎn)生原因，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，將上模兩端尺寸各縮短20mm，使上模到達(dá)底部時(shí)兩端的壓力T1和T2得到支撐，同時(shí)，由于零件除彎曲部位外，兩端近似于平面，曲度可忽略不計(jì)，因此制造了一套校形用的壓塊，在壓彎成形后將模具換成壓塊直接對(duì)兩端進(jìn)行校形，觀察成形效果，截面變形已基本消除，零件表面質(zhì)量良好。

成形后的回彈問(wèn)題

在鋁合金零件的各類成形方法中，回彈是一個(gè)不可避免的問(wèn)題，回彈問(wèn)題的存在造成彎曲型材的形狀及尺寸與設(shè)計(jì)要求不符，直接影響著彎曲型材的品質(zhì)，包括外觀質(zhì)量、裝配性能和使用可靠性等。現(xiàn)代工藝加工方法通過(guò)有限元數(shù)值分析、修模等方法，克服回彈，獲得精度較高的彎曲型材。

型材彎曲回彈過(guò)程可以通過(guò)ANSYS或LS-DYNA等軟件來(lái)進(jìn)行模擬分析，但分析過(guò)程較復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間才能獲得回彈結(jié)果，而且模擬過(guò)程中工藝參數(shù)的一點(diǎn)點(diǎn)改變就會(huì)引起回彈結(jié)果的誤差，在此我們采用更加直觀的修模法來(lái)消除回彈。我們選取了一組樣件，對(duì)成形后的零件回彈量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在零件的成形區(qū)域每隔20mm截取一點(diǎn)與檢驗(yàn)工裝進(jìn)行對(duì)比，記錄回彈距離（圖7）。

圖7 回彈距離示意圖

表1所示為彎曲模Ⅰ的回彈距離數(shù)值，表2所示為彎曲模Ⅱ的回彈距離數(shù)值。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，對(duì)模具型面進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)修整上下模型面相應(yīng)尺寸，對(duì)回彈量進(jìn)行補(bǔ)償，以此獲得更高的成形精度。經(jīng)過(guò)修整模具后重新試壓觀察測(cè)量，回彈量已基本消除，符合所要求的公差范圍，且零件外形、表面質(zhì)量均達(dá)到技術(shù)文件要求。

結(jié)束語(yǔ)

7050鋁合金在T料狀態(tài)下屈強(qiáng)比高，延伸率小，不適合在室溫下直接成形，而對(duì)于尺寸較長(zhǎng)的零件，退火后變形較大，需要工人進(jìn)行大量的手工校形，故本文提出了一種在新淬火（AQ）狀態(tài)下，選擇合理的模具結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，利用修模法減小或消除變形和回彈，從成形質(zhì)量、生產(chǎn)效率、成本節(jié)約等多方面考慮，提出了一種雙曲度Z形截面型材成形的方法。當(dāng)然，這種方法只是為今后相似零件的生產(chǎn)制造提供了一種思路，還有一些需要改進(jìn)的地方，比如在消除回彈方面，采用軟件進(jìn)行模擬分析，計(jì)算回彈量，這樣可以避免反復(fù)地修改數(shù)據(jù)，修整模具，且結(jié)果也更為精確。另外，今后也可對(duì)雙曲度一次液壓成形的方法進(jìn)行驗(yàn)證，這就需要對(duì)材料性能和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為深入的研究。本文只探討了鋁合金雙曲度彎曲成形方法的其中一種，對(duì)于其他方法，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)論證。

表1 彎曲模Ⅰ的回彈距離數(shù)值

表2 彎曲模Ⅱ的回彈距離數(shù)值