一種帶加強(qiáng)筋槽超薄鋁合金蒙皮成形工藝研究

周 軍，朱樂(lè)宗，鐘冬平，徐晏清

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330096)

0 引 言

為滿足結(jié)構(gòu)性能要求，某型號(hào)舵面系統(tǒng)大量采用帶加強(qiáng)筋槽超薄蒙皮， 超薄蒙皮是指厚度小于0.5mm。 一般情況下，板料厚度越薄，則成形性能越差，隨著材料厚度的減小，板料的穩(wěn)定性急劇減弱，成形時(shí)就極易產(chǎn)生失穩(wěn)，出現(xiàn)起皺、鼓動(dòng)和破裂等成形障礙。同時(shí)因該蒙皮材料太薄，強(qiáng)度和剛度較低，為保證零件一定的強(qiáng)度和剛性，設(shè)置了加強(qiáng)筋槽，造成零件成形過(guò)程中很難滿足制造要求。而蒙皮零件制造的好壞，直接影響某型機(jī)的研制質(zhì)量，因此必須十分注重零件成形工藝措施及各工序間的質(zhì)量控制[1]。

為確保超薄蒙皮成形零件的質(zhì)量問(wèn)題，本文對(duì)超薄蒙皮的成形工藝性進(jìn)行了研究，本文對(duì)零件采用落壓成形和橡皮囊液壓成形工藝方法對(duì)比分析。確定了帶加強(qiáng)筋槽超薄蒙皮成形的工藝方法。 結(jié)果表明，對(duì)零件采用橡皮囊液壓成形工藝能明顯改善零件成形質(zhì)量，生產(chǎn)效率顯著提高，降低了制造成本，同時(shí)為后續(xù)超薄鋁合金蒙皮生產(chǎn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 超薄蒙皮變形特點(diǎn)及工藝分析

超薄蒙皮零件典型零件如圖1 所示，材料LY12，狀態(tài)為“CZ”料，料厚僅0.3mm。 在蒙皮零件上設(shè)置了多個(gè)封閉型加強(qiáng)槽，其中加強(qiáng)槽的厚度約4mm，零件的腹板面有拱曲形和平面狀雙重特征。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，零件在制造過(guò)程中有以下難點(diǎn)：

圖1 超薄蒙皮零件示意圖

零件材料厚0.3mm，太薄，剛度差，零件在成形過(guò)程中不可避免地存在應(yīng)力分布不均情況，容易引起零件的彈性失穩(wěn)，使成形后的零件出現(xiàn)大面積的鼓動(dòng)和翹曲變形(零件很難貼模)；零件外形尺寸較大，同時(shí)該零件加強(qiáng)筋槽多，且零件在成形過(guò)程中的變形主要集中在加強(qiáng)槽，而加強(qiáng)槽局部成形以脹形為主，并伴有少量拉延成形， 零件在成形過(guò)程中可能出現(xiàn)起皺、破裂，質(zhì)量不穩(wěn)定等諸多缺陷。

針對(duì)以上分析，可以采用落壓成形法或橡皮囊液壓成形工藝方法。

1.1 落壓成形

落壓成形是利用落錘的沖擊力將金屬板料壓制成所需曲面零件的工藝方法，其變形方式主要有拉伸變形、壓縮變形和拉、壓兩種變化方式的組合。以拉伸為主的變形方式，板料的成形主要是依靠其纖維的伸長(zhǎng)與厚度的減薄來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。 落壓成形具有模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便及能加工外形復(fù)雜且其他工藝方法不能成形的零件， 但落壓成形后的零件表面質(zhì)量差，同時(shí)其工作環(huán)境和安全性差等特點(diǎn)[1]。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采用以拉伸為主的變形方式，即下模使用凹模、工作面的形狀與零件外形一致。圖2 為零件落壓成形示意圖，首先零件與落壓模上模接觸成形，隨后板料與下模型面逐漸接觸，直至最終成形結(jié)束，成形結(jié)束后，我們發(fā)現(xiàn)零件出現(xiàn)大量密集的皺紋，零件容易起皺，中間有鼓動(dòng)產(chǎn)生，經(jīng)測(cè)量，中間區(qū)域最大鼓動(dòng)深度約12mm， 為改善此類缺陷，在板料的上面墊上一定厚度的層板進(jìn)行錘擊，層板在上模的沖擊力下可以壓緊毛料，限制上模每次錘擊壓進(jìn)的深度，以便最終成形。

圖2 零件墊層板落壓成形示意圖

墊上層板后， 落壓成形后的零件仍存在少量皺紋，同時(shí)中間鼓動(dòng)較小，約8mm，后續(xù)將零件進(jìn)行校正，皺紋仍然無(wú)法消除。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，零件材料較薄，剛度和收縮性能差，當(dāng)零件落壓模的上下模閉合時(shí)，局部形成皺紋，皺紋沒(méi)有及時(shí)展開，無(wú)法消除；成形過(guò)程中零件應(yīng)力、應(yīng)變分布復(fù)雜，當(dāng)零件局部受到壓應(yīng)力較大時(shí)，容易失穩(wěn)起皺，拉應(yīng)力大則容易導(dǎo)致材料變薄嚴(yán)重，易形成裂紋[3]，隨著上模與零件加強(qiáng)槽接觸，加強(qiáng)槽處應(yīng)力分布不均勻，且應(yīng)力較大，零件易起皺，表面質(zhì)量差。

1.2 橡皮囊液壓成形

為保證零件貼模，更有效地控制皺紋的產(chǎn)生和避免產(chǎn)生鼓動(dòng)，提高零件表面質(zhì)量，本文提出采用橡皮囊液壓成形工藝方法。該成形方法利用橡皮囊作為彈性凹模或凸模，用油或粘性物質(zhì)作為傳壓介質(zhì)，使金屬板料在剛性凸模或凹模成形的一種板料柔性成形工藝方法[4-5]，如圖3 所示。 該成形工藝方法主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

圖3 橡皮囊液壓成形示意圖[6]

1） 成本低。成形過(guò)程中一般僅適用凸模或凹模，節(jié)省模具加工制造成本。

2） 成形范圍廣。 液壓成形工藝方法特別適用于對(duì)形狀復(fù)雜、成形性能差的材料零件成形。 對(duì)不同厚度（0.1-16mm）的板材零件一般可以一次壓成非對(duì)稱件、斜底件和局部凹凸形的零件等形狀復(fù)雜的零件[6]。

3） 成形后零件表面質(zhì)量高， 通過(guò)液壓成形后零件具有表面質(zhì)量好、尺寸精度高等特點(diǎn)。 在成形過(guò)程中橡皮始終緊貼零件， 可以保證零件表面無(wú)擦傷；其次在高壓（目前橡皮囊機(jī)床最大壓力200MPa）和摩擦力作用下，減小零件回彈變形量，改善零件成形質(zhì)量。

2 工藝方案

2.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因零件太薄，加強(qiáng)筋槽多，為保證每個(gè)加強(qiáng)筋槽局部能更好貼模，同時(shí)避免零件在成形過(guò)程中出現(xiàn)起皺和鼓動(dòng)等缺陷。 液壓成形模具所受的壓力較大，因此對(duì)工作型面、模具工作表面粗糙度等提出了很高要求。圖4 為零件成形模具示意圖。

1） 模具工作型面與零件理論外形完全符合，同時(shí)保證過(guò)渡區(qū)均勻過(guò)渡、如圖4 中B-B 剖視圖所示，該零件加強(qiáng)筋槽R5/R25/R25 型面一定要保證完全與模具型面符合，特別是加強(qiáng)筋槽R5 部位，否則因材料較薄，很容易產(chǎn)生裂紋；同時(shí)為更好保證零件成形過(guò)程中不易破裂，要求模具工作表面粗糙度Ra≤0.8um；

圖4 液壓成形模具示意圖

2） 零件在壓制過(guò)程中， 里面有空氣等導(dǎo)致零件筋槽型面成形不到位，零件不容易貼模，嚴(yán)重影響零件表面質(zhì)量，基于此，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在模具加強(qiáng)筋槽兩端設(shè)計(jì)一定數(shù)量的、 孔徑為d≤1.0mm-1.5mm 的排氣孔。

3） 模具底面必須保證平整和清潔，因底面若有任何不平或多余物，在高壓下都會(huì)引起工裝變形或破裂。

2.2 下料尺寸的確定

根據(jù)體積不變?cè)恚ǔ＠碚撓铝铣叽缡且粤虾癫蛔儯涡牟蛔優(yōu)榧俣ㄇ疤幔话阌蓛刹糠謽?gòu)成，即在零件按展開尺寸（外輪廓尺寸）的基礎(chǔ)上，加上制造工藝留量。 通過(guò)對(duì)零件工藝分析可知：若該零件下料尺寸比零件尺寸大，零件成形過(guò)程中兩端受到拉應(yīng)力的拉伸和局部受到壓應(yīng)力過(guò)大， 而且該零件材料較薄，很容易拉裂；下料尺寸過(guò)小，零件加強(qiáng)筋槽局部因受到壓應(yīng)力，材料向外流動(dòng)阻力較大，容易失穩(wěn)從而造成材料產(chǎn)生大量皺紋。

由于該零件帶很多加強(qiáng)筋槽，薄蒙皮零件的結(jié)構(gòu)形式有平面、拱曲面兩種。 如圖1 所示，該零件有折邊，折邊角度168°。 通常對(duì)該零件折邊類鈑金件下料尺寸分類計(jì)算時(shí)，按公式L=A+B+C-X 計(jì)算，其中A、B 和C 均為單邊長(zhǎng)度，X 為材料厚度。 因此該零件下料尺寸長(zhǎng)度為1200mm， 寬L=75+185+20+4-0.5=283.5mm，但該下料尺寸未考慮加強(qiáng)筋槽局部變形對(duì)零件下料尺寸的影響。

因此，本文提出將零件外形面展開成平面，以此來(lái)獲得較為準(zhǔn)確的下料尺寸。 如圖5 所示，該零件加強(qiáng)筋槽分過(guò)渡段A、圓角段B 和C。 其中圓角段B 和圓角段C 結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。 其中圓角段B 展開長(zhǎng)度按經(jīng)驗(yàn)公式[7]（1）計(jì)算可得：

過(guò)渡段A 展開長(zhǎng)度按經(jīng)驗(yàn)公式[7]（2）計(jì)算可得：

其中δ 為零件材料厚度0.3mm；RA=25mm，RB=5mm;K 為彎曲中性層厚度，查表（HB0-45-83）取K=0.446[7]。

經(jīng)計(jì)算， 加強(qiáng)筋槽展開后尺寸L=2EB+EA=2.594×2+26.335=31.523mm。 展開前長(zhǎng)度與展開后長(zhǎng)度只差e=L-29.6=1.923mm， 其中該零件展開后共有同類型加強(qiáng)筋槽16 個(gè)。 因此，根據(jù)計(jì)算分析，將該零件按外形面展開成平面后長(zhǎng)度放大約30mm，下料尺寸約為1230mm×330mm。 考慮零件成形過(guò)程中實(shí)際特點(diǎn)及銷釘孔定位要求，通常將零件下料尺寸均勻放大約30mm-50mm，下料尺寸定為1300mm×400mm。

將零件進(jìn)行液壓成形后，成形過(guò)程中零件表面質(zhì)量好，零件容易貼模，但發(fā)現(xiàn)零件筋槽區(qū)域圓角段B和C 也出現(xiàn)少許裂紋。

經(jīng)分析， 導(dǎo)致零件在圓角段B 和C 裂紋萌發(fā)主要原因?yàn)椋孩俨牧舷铝铣叽绮缓侠恚M(jìn)一步影響材料的流動(dòng)性。零件的筋槽區(qū)域的圓角處在液壓成形過(guò)程中受到較大的拉應(yīng)力，進(jìn)一步導(dǎo)致材料流入圓角段B處和C 處過(guò)少，在該區(qū)域處容易萌發(fā)少量裂紋；②材料為“CZ”料，材料太脆。 根據(jù)零件結(jié)構(gòu)可知，腹板面上的材料幾乎參與變形，故可根據(jù)筋槽區(qū)成形前后材料尺寸的變化來(lái)近似估算其變形量。 由圖5 可知，零件的橫向延伸率為：（31.523mm-29.6mm）/29.6mm=3.6%，但對(duì)于LY12 材料，在“CZ”狀態(tài)下極限延伸率是15.6%[5]， 故幾乎可導(dǎo)致零件萌發(fā)裂紋的原因與材料下料尺寸不合理，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 零件加強(qiáng)筋槽尺寸圖

基于此，可通過(guò)增加材料流動(dòng)性，即進(jìn)一步控制材料下料尺寸，將零件未成形區(qū)域的多余毛料進(jìn)行修剪，同時(shí)對(duì)加強(qiáng)筋槽處附近的凸模進(jìn)行潤(rùn)滑，改善材料流動(dòng)性。 考慮零件成形過(guò)程中的實(shí)際特點(diǎn)，為不影響零件材料成形和定位要求，本文將零件此前下料尺寸1300mm×400mm 減小約30mm-40mm，本文最終確定該零件下料尺寸為1260mm×360mm。

3 毛料狀態(tài)分析

為進(jìn)一步確定毛料在其他狀態(tài)的液壓成形過(guò)程，本文選用毛料狀態(tài)為“M”和“新淬火”狀態(tài)，下料尺寸為1260mm×360mm， 零件選液壓成形工藝方案進(jìn)行對(duì)比研究。

1） “M”料：下料—去毛刺—液壓成形—淬火—校形；

2） “新淬火”料：下料—去毛刺—淬火—液壓成形—校平。

成形后發(fā)現(xiàn)：“M” 料液壓成形后未出現(xiàn)裂紋、褶皺和鼓動(dòng)現(xiàn)象，零件表面質(zhì)量高，但經(jīng)淬火后零件加強(qiáng)筋槽處變形（翹曲）嚴(yán)重，校形后仍無(wú)法消除翹曲現(xiàn)象；材料為“新淬火”料零件本身變形嚴(yán)重，有嚴(yán)重鼓動(dòng)情況產(chǎn)生，零件表面極不平整，隨后用校平機(jī)對(duì)零件進(jìn)行校平，仍無(wú)法完全消除鼓動(dòng)，同時(shí)液壓成形后仍然出現(xiàn)翹曲和鼓動(dòng)，表面質(zhì)量極差。

基于此，最終確定帶加強(qiáng)筋槽超薄蒙皮的最佳成形工藝途徑為：選用“CZ”狀態(tài)板料在橡皮囊液壓機(jī)上進(jìn)行橡皮液壓成形。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)加強(qiáng)筋槽超薄鋁合金蒙皮成形工藝進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，成形工藝方法確定、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、零件下料尺寸優(yōu)化，零件毛料狀態(tài)分析對(duì)比確定了該零件最終的成形工藝， 結(jié)果表明： 采用橡皮囊液壓成形工藝成形零件后表面質(zhì)量高，滿足制造要求；同時(shí)該工藝方法成形零件能降低制造成本，縮短制造周期。 本文的研究成果在超薄鋁合金蒙皮成形的實(shí)際生產(chǎn)中獲得了成功應(yīng)用， 可為后續(xù)超薄鋁合金成形制造提供參考。