熱壓下陷工藝成形技術(shù)檢測與缺陷研究

艾軍恩，劉筱洪，周玉鳳，黃 偉，唐 姍，胡雅玲，萬雪梅

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛機鈑金工藝是航空制造工程的重要組成部分，是使飛機能同時獲得高強結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能的基礎(chǔ)制造技術(shù)之一，隨著飛機性能指標(biāo)要求的不斷提高，鋁鋰合金制作的擠壓型材長桁類零件在飛機上得到了較多的應(yīng)用。牌號“2099-T83”鋁鋰合金是某機身常見的“T”狀態(tài)材料，主要含鋁鋰低密度金屬元素，另含銅，鎂，鋯，鋅等金屬元素，具有表面呈銀灰光澤，料輕，質(zhì)硬，強度高，耐腐蝕等特點，材料為經(jīng)固溶處理，1%-4%消除應(yīng)力的拉伸變形量和人工時效后獲得的狀態(tài)。長桁熱壓下陷作為一種特殊工藝技術(shù)，采用數(shù)字技術(shù)控制模具及材料加熱溫度與時間的方式?jīng)_壓零件下陷成形，具有精度高，強度高，無起皺，變形小的特點。

本文著重介紹了鋁鋰合金型材下陷成形的工藝過程，下陷變形區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與成形分析，以及用回彈公式幫助求得零件彎曲的回彈量來控制模具下陷制造深度，有助于我們對下陷成形的復(fù)雜過程有更深了解，提升工藝方法的可行性，實現(xiàn)零件生產(chǎn)的質(zhì)量和效益。

1 熱壓下陷成形過程

操作者在操作前作如下檢查：材料牌號、規(guī)格狀態(tài)、爐批號、表面質(zhì)量等是否與指令一致，工裝圖號、樣板圖號、檢驗?zāi)D號是否與指令一致，各測量工量具、機器設(shè)備是否良好，且是否在檢定有效周期之內(nèi)。操作者按照樣板、檢驗?zāi)＃ㄈ鐖D1）的要求用鉛筆在型材上畫好下陷位置的刻線，溫度控制儀設(shè)定為一定的溫度，按溫度要求選擇合適的溫度指示材料，材料在一定的時間范圍之內(nèi)加熱，在電腦界面上設(shè)定。溫度控制器應(yīng)精確到一定范圍之內(nèi)，模具溫度控制在一定的溫度范圍之內(nèi)，按照鋁鋰合金要求規(guī)范操作，操作者正確填寫加熱成形時間表，記錄材料加熱時間溫度，操作完以后，填寫工裝附卡，嚴禁損傷模具（如圖 2）。

圖1 檢驗?zāi)Ｊ疽鈭D

圖2 模具成形示意圖

圖3 型材示意圖

用工裝圖號作為唯一的標(biāo)志，不允許在模具上作其他的標(biāo)記，所有模具或每一個半模的各組成模塊均需在范圍下陷一定距離之內(nèi)至少預(yù)留1根可控電偶插入的位置，以便能較準(zhǔn)確地測量靠近型材部位的模具溫度，加熱棒安裝在模具或模座上。如果零件在成形中有可能貼附模具，可使用熱成形潤滑劑，以避免零件粘貼模具。

2 熱壓下陷成形工藝分析

2.1 材料與工量具

熱壓或冷壓成形由材質(zhì)決定，一般冷沖壓材料為LY12M、LC4、LC9,但鋁鋰合金含鋰鎂元素，性脆，適合型材下陷區(qū)域熱壓成形，鋁鋰合金型材成形常使用機床為YH41-100液壓機、數(shù)字設(shè)備ZWK-1智能溫控儀，另有工量具、模具、加熱模和熱電偶、測溫筆、塞片、秒表、樣板、檢驗?zāi)５取?/p>

“2099-T83”牌號中“2”字常規(guī)型材有XCJ442-2/3/4/5/6/7/8/9/10/12/13十一種，“L”字型材有XCJ423-1/2/3 三種，“工”字型材有 XCJ242-19（如圖 3）。

2.2 熱壓下陷成形過程部分工序流程

領(lǐng)料→滾彎→制下陷→校正→檢驗→硬度檢測→滲透檢查

2.3 熱壓下陷成形的機理及應(yīng)力應(yīng)變分析

2.3.1 熱壓下陷成形的機理

零件加熱成形，時間不超過一定時間，下陷錯位或深度不夠時，零件不能重復(fù)壓制，電導(dǎo)率檢測和加熱區(qū)與非加熱區(qū)硬度檢測不超過三個洛氏硬度值，并進行清洗滲透檢查。鈑金零件加熱塑性變形后，材料的理化性能和機械性能將發(fā)生明顯的變化，δb，δs，HB等強度、硬度指標(biāo)有所提高，δ、Ψ等塑性指標(biāo)有所降低，電阻率增大，抗腐蝕性能降低，同時在材料內(nèi)部產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。飛機產(chǎn)品是依據(jù)材料的性能指標(biāo)確定飛機的強度、疲勞壽命和使用壽命，保證鈑金零件的內(nèi)在質(zhì)量是飛機使用安全可靠的前提條件之一。

2.3.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

型材在彎曲過程中，隨著外加彎力矩逐步增大，彎曲變形程度隨之增大。從彈性彎曲變形到塑性彎曲變形的過程可分為三個階段。

1）彈性變形階段

型材彎曲過程中，靠外層的材料受拉伸變形，靠內(nèi)層的材料受壓縮變形，沿材料厚度以應(yīng)力中性層（應(yīng)力為零的層次）為界限分為拉伸變形區(qū)與壓縮變形區(qū)，一般采用相對彎曲半徑（R/t）表示彎曲過程的變形程度，相對彎曲半徑愈小，彎曲變形程度愈大。

2）彈塑性彎曲階段

隨著彎曲力矩的繼續(xù)增大，外層與內(nèi)層首先進入塑性變形狀態(tài)，而后塑性變形區(qū)逐步往應(yīng)力中性層擴展，沿板料厚度以應(yīng)力達到條件屈服極限（δ0.2）的層次為界劃分為彈性變形區(qū)與塑性變形區(qū)。

彈塑性彎曲階段的特點是：當(dāng)外加彎曲力矩卸載之后，塑性變形區(qū)的材料保存殘余變形而使零件成形。由于彈性變形區(qū)材料的彈性恢復(fù)以及塑性變形區(qū)材料的彈性變形部分的彈性恢復(fù)，從而引起較大的回彈現(xiàn)象，這就是回彈的內(nèi)因。

3）立體應(yīng)力應(yīng)彎狀態(tài)純彎階段

隨著相對彎曲半徑的減小，彎曲變形加大到一定程度時，材料進入立體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)純彎曲階段。

3 校正成形的技術(shù)和規(guī)范要求與零件技術(shù)檢測

3.1 校正成形的技術(shù)和規(guī)范要求

3.1.1 尺寸要求

圖樣線形尺寸偏差應(yīng)符合公差手冊上的要求或指定技術(shù)規(guī)范要求，外形角度（±1°），平面度0.3mm，直線度0.3mm，面部輪廓0.2mm均應(yīng)控制在規(guī)范要求之內(nèi)。

3.1.2 按外形樣板檢查時的偏差

按外形樣板檢查時的偏差為±0.8mm。

3.1.3 下陷的偏差要求1）下陷深度公差為（0，＋0.5）mm。2）下陷長度公差為（0，+1）mm。3）下陷過度區(qū)長度為±0.76mm。

3.1.4 成形零件的貼合檢查要求

按型胎或檢驗?zāi)z驗的間隙為（0，+0.3）mm。

3.1.5 彎曲，拉伸變薄處要求

對于零件彎曲變薄處需進行最小厚度檢查Smin=材料下偏差—允許變薄量（0.2公稱尺寸為允許變薄量）。

3.1.6 表面質(zhì)量要求

零件表面不允許有裂紋、劃傷、擦傷、剝層、氣孔、可見非金屬雜質(zhì)等。允許有較輕微壓痕，壓痕深度不超過材料厚度公差值的一半，當(dāng)傷處有毛刺時應(yīng)用240#砂紙砂光。

3.2 鈑金長桁零件的技術(shù)檢測

3.2.1 外形的檢測

按線性尺寸要求檢查時，可用刻度量具進行直接或者間接檢查。

3.2.2 下陷深度的測量

下陷的深度可在平板面上用塞尺進行測量。

3.2.3 成形零件的貼合檢查

在測量零件時可局部加力使零件與它的檢驗?zāi)ＹN合（見圖4），使用塞片在貼合縫隙處測量，所施加的力大小≈5kg/mm2，不平度公差按照檢驗依據(jù)要求，不超過技術(shù)條件的限制。

如果規(guī)定的最小間隙保持不變，可按間隔距離長度一半計算施加1/2的力或者施加等量的重量加載來檢測零件的不貼合度。

在加壓后的一處符合公差要求，但另外一處超過公差要求的情況則產(chǎn)品視為不合格。

圖4 零件的貼合檢查

3.2.4 扭曲檢測

可在檢驗?zāi)Ｉ腺N靠檢測，零件緣條面貼合檢驗?zāi)Ｆ矫妫瑥澾呝N靠臺階面檢測型材扭轉(zhuǎn)。

3.2.5 彎曲變薄處檢查

用帶表架的百分表與細桿尖頭處接觸后，百分表進行校零，再把零件放在細桿的尖頭上，讀出表中數(shù)值即為材料厚度值，考慮飛機的強度和安全性能及壽命要求，工藝上還需要滲透檢查。

3.2.6 表面粗糙度檢查

工廠用樣板比較法（目測和手感），觸針式儀器測量表面粗糙度，所有采用打磨去除毛刺及擦傷、凹坑的鋁合金零件應(yīng)清洗和預(yù)滲透侵蝕處理，并做滲透檢查。擦傷，凹坑處打磨深度不能超過材料下偏差，且周圍圓滑過渡，沒有明顯凹痕。

3.2.7 硬度檢查

對于熱壓下陷區(qū)域應(yīng)作硬度檢查，熱壓區(qū)與非熱壓區(qū)硬度不超過3個洛氏值。

以上各項制造和檢驗的要求若與零件圖樣要求不一致，以圖樣為標(biāo)準(zhǔn)。

4 熱壓成形出現(xiàn)的缺陷及排除方法

在實際生產(chǎn)過程中，熱壓下陷往往會出現(xiàn)以下缺陷：裂紋，雙下陷似弓形或端頭下陷成斜狀，下陷深度值與理論值偏移，下陷過渡區(qū)長度值偏移，零件貼附模具，塌陷，表面質(zhì)量差，撓曲（見表1）。

表1 出現(xiàn)的缺陷及排除方法

圖5 傾斜示意圖

圖6 塌陷示意圖

圖7 撓曲示意圖

5 結(jié)語

鋁鋰合金熱壓下陷成形對機身長桁零件的質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用，本文通過成形條件、成形機理的闡述和技術(shù)上的檢測，分析了成形過程中缺陷故障產(chǎn)生的原因以及排除方法。同時還提出，要對人員進行培訓(xùn)上崗，按規(guī)范進行操作，依據(jù)工藝要求進行電導(dǎo)率實驗、硬度檢查和滲透檢查的工序編寫，使檢驗的驗證符合工序圖樣和規(guī)范需求，并將熱壓成形工序作為質(zhì)量管理點來重點控制，以達到預(yù)防缺陷和質(zhì)量控制的目的，使零件質(zhì)量特征符合質(zhì)量要求。