水壓成型技術(shù)在飛機(jī)副油箱生產(chǎn)中的應(yīng)用

施晉生

（空軍駐安徽地區(qū)軍事代表室，安徽 合肥 230022）

飛機(jī)外掛副油箱，一般為鋁合金大型薄壁氣動(dòng)外形，其氣動(dòng)外形零組件的加工工藝方法一般都采取液壓成型、爆炸成型、橡膠脹型等軟模（半模）柔性成型工藝，然后將各段焊接，形成整只副油箱。

其中液壓成型與其他成型方法相比，具有安全可靠、使用成本低廉、工件品質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。水壓成型工藝在副油箱生產(chǎn)中已大量使用，技術(shù)比較成熟，成型介質(zhì)為普通工業(yè)用水，也比較經(jīng)濟(jì)。

本文在總結(jié)多年水壓成型工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從水壓成型原理、成型設(shè)備、成型工藝過(guò)程、影響因素分析及解決策略等方面進(jìn)行闡述。

1 水壓成型基本原理

水壓成型原理，是利用水介質(zhì)替代剛性凸模，在水壓力的作用下，使圓筒形或圓錐形零件緊貼剛性凹模，以達(dá)到產(chǎn)品圖紙外形尺寸要求的軟模成型工藝方法。

圖1是水壓成型原理示意圖。

圖1 水壓成型原理示意圖

機(jī)體1的內(nèi)壁，為工件所需外形。

工作流程為：

將工件14放入機(jī)體1內(nèi)，蓋上蓋板12用氣缸16的壓緊軸15壓緊，打開(kāi)壓縮空氣閥門(mén)11，活塞桿7帶動(dòng)底盤(pán)5向上運(yùn)動(dòng)，使密封圈6緊壓工件下端密封，同時(shí)將密封圈2壓緊密封。

打開(kāi)注水閥13往工件內(nèi)注水，打開(kāi)排氣（水）閥10排氣。當(dāng)水注滿時(shí)，排氣（水）閥10開(kāi)始排水，關(guān)閉排氣（水）閥10，繼續(xù)通過(guò)注水閥13向工件內(nèi)注入高壓水，將工件壓向機(jī)體1內(nèi)壁。介于工件和機(jī)體之間的水、氣通過(guò)排泄孔4排出。

成形后，關(guān)閉注水閥13，打開(kāi)排氣（水）閥10，并將空氣閥門(mén)11轉(zhuǎn)向，活塞桿7反向運(yùn)動(dòng)，使密封圈2和6恢復(fù)自由狀態(tài)，退出氣缸壓緊軸15，分別將蓋板12和工件14取出。

水壓成型特點(diǎn)是：

（1）工件成型準(zhǔn)確，壁厚均勻，表面光滑。在成型過(guò)程中，水壓力均勻作用于毛坯上，使毛坯緊貼凹模模壁。

（2）材料及加工成本比較低。

（3）使用介質(zhì)為普通工業(yè)用水（大型工廠可以使用污水處理后的回用水），而且水可以一直循環(huán)使用。

（4）適合大型錐形工件、半球形工件、曲母線旋轉(zhuǎn)體形工件等中小批量生產(chǎn)。

（5）需要采取密封技術(shù)和配備液壓加壓泵。

2 水壓機(jī)設(shè)備部件組成和功用

水壓機(jī)大體上由機(jī)體、蓋板、活塞組件、管路系統(tǒng)（氣路和水路）、操作系統(tǒng)等構(gòu)成。

（1）機(jī)體。機(jī)體即水壓機(jī)的主體部分，其關(guān)鍵就是機(jī)體內(nèi)腔具有設(shè)計(jì)成零件外形的凹模體。一般采用鑄件，只需加工內(nèi)型腔。機(jī)體的設(shè)計(jì)制造精度，直接影響到水壓機(jī)的性能和零件的成型精度。在數(shù)控技術(shù)沒(méi)有普及以前，機(jī)體內(nèi)腔一般都采取環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄而成。內(nèi)腔尺寸受環(huán)氧樹(shù)脂配比、收縮比、老化變形、開(kāi)裂等影響較大，導(dǎo)致內(nèi)腔尺寸不合格和密封性能不穩(wěn)定，經(jīng)常要多次澆鑄才能成功。而且在使用過(guò)程中，由于工件焊縫的存在導(dǎo)致內(nèi)腔受力不均，容易使環(huán)氧樹(shù)脂層產(chǎn)生裂紋甚至成塊狀脫落。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，機(jī)體內(nèi)腔可采用大型數(shù)控設(shè)備加工，確保了內(nèi)腔尺寸精度和密封性能，徹底消除了采用環(huán)氧樹(shù)脂澆注所產(chǎn)生的弊端。同時(shí)機(jī)體也是其他各部分的承載體。

（2）蓋板。蓋板是零件兩端密封裝置（活塞）和高壓注水機(jī)構(gòu)的承載體。蓋板與機(jī)體應(yīng)壓緊，壓緊方式有氣壓缸和液壓缸兩種。氣壓缸連接方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用便捷。液壓缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配備單獨(dú)的高壓液壓系統(tǒng)和控制臺(tái)。目前大都采用氣壓缸壓緊。壓緊點(diǎn)一般有3～4個(gè)，可根據(jù)工件直徑大小、脹形力大小和水壓機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)形式來(lái)選擇。蓋板上部一般都有起吊環(huán)，便于起吊。

（3）活塞組件。活塞上下端分別有密封圈和工件進(jìn)行密封，與內(nèi)腔相應(yīng)配合尺寸精度要求較高。高壓密封技術(shù)，是水壓成型關(guān)鍵的技術(shù)之一。其中除了密封處的尺寸配合精度要求較高外，密封圈膠料的硬度和壓縮性能較為關(guān)鍵。膠料硬度愈高，強(qiáng)度較大，伸長(zhǎng)率較小，會(huì)造成零件焊接部位密封失敗，且密封圈容易損傷；膠料壓縮性能較差，會(huì)造成成型后活塞桿反向運(yùn)動(dòng)時(shí)密封圈不能恢復(fù)原來(lái)形狀，使工件難以取出。

（4）管路。其一是氣路，用于提供氣動(dòng)保證活塞組件密封和蓋板固定。

其二是高壓水路，用于加壓成型。需要配備一套高壓注水系統(tǒng)，重復(fù)利用廢水時(shí)，還需配備一套水循環(huán)過(guò)濾蓄水系統(tǒng)。

其三是排泄孔。成形時(shí)存在著水和氣體，成形后將水和氣體排出。排泄孔的數(shù)量選擇，主要根據(jù)成型過(guò)程中工件與機(jī)體內(nèi)腔間存在的水和氣體量。單純從成型角度出發(fā)，多一點(diǎn)會(huì)好一點(diǎn)，但由于取放工件時(shí)，機(jī)體內(nèi)腔的水會(huì)大量外泄，導(dǎo)致注水時(shí)間延長(zhǎng)，降低工作效率。排泄孔的位置，對(duì)成型品質(zhì)有著很大關(guān)系，應(yīng)與成型速度相呼應(yīng)。

由于向下分力的作用，工件成型時(shí)，上端隨著水壓力的增加，先緊貼機(jī)體內(nèi)腔，即貼緊面會(huì)隨著壓力的增加往下移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)速度過(guò)快時(shí)，工件與機(jī)體內(nèi)腔之間的氣或水未來(lái)得及排出，會(huì)使工件外形局部不能完全貼模，特別是在小端密封圈附近影響更大，出現(xiàn)畸形情況。

一般設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)考慮排泄孔的數(shù)量和位置；使用時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行堵塞或在適當(dāng)位置增加排泄孔。

水壓機(jī)安裝基礎(chǔ)，應(yīng)有良好的排水設(shè)施。

（5）操作系統(tǒng)。包括氣路控制系統(tǒng)、水壓控制系統(tǒng)、排水控制系統(tǒng)、蓋板吊起控制等。

3 工藝過(guò)程

飛機(jī)副油箱外形薄壁旋轉(zhuǎn)體零件成型之前，狀態(tài)一般都是先將鋁合金板料卷制成圓錐臺(tái)體，并將其焊接形成縱向一條焊縫。成型過(guò)程如下：

（1）展開(kāi)料計(jì)算。按照零件兩端理論切割線為基準(zhǔn)，計(jì)算扇形展開(kāi)料，兩端根據(jù)水壓機(jī)成型需要適當(dāng)順延增放量。

例如，某產(chǎn)品零件圖如圖2示：取大端直徑為Φ D、小端直徑為Φ d、高度為H的正圓錐臺(tái)，用計(jì)算法或作圖法得出扇形展開(kāi)料，兩端根據(jù)水壓機(jī)成型需要，適當(dāng)順延增放余量（計(jì)算公式和作圖方法可參見(jiàn)《板金展開(kāi)技術(shù)手冊(cè)》）。

圖2 某產(chǎn)品零件展開(kāi)圖

展開(kāi)料經(jīng)卷圓后，采取自動(dòng)或手工氬弧焊焊接。自動(dòng)焊接焊縫高度均勻，有利于改善成型時(shí)焊縫兩邊的承壓狀態(tài)。

注意：計(jì)算所得的展開(kāi)料，必須在成型過(guò)程中根據(jù)零件的成型效果、水壓機(jī)的密封要求等進(jìn)行修正，可依據(jù)修正后的尺寸制作下料樣板。

（2）翻邊及脫料設(shè)計(jì)。由于成型后的零件緊貼內(nèi)壁，手工取出較為困難。一般可采取在零件上端設(shè)置脫料圈。成型前，將零件大端邊沿進(jìn)行翻邊（見(jiàn)圖3），便于脫料圈脫料。翻邊高度應(yīng)均勻、根部R應(yīng)偏小，有利于成型時(shí)水壓機(jī)壓緊氣缸運(yùn)動(dòng)壓緊端蓋。

脫料圈隨著蓋板向上運(yùn)動(dòng)，將零件脫離模腔內(nèi)壁，再徒手取出零件即可。

圖3 零件大端邊沿翻邊示意圖

（3）成型需核算參數(shù)。一是變形程度的核算：

脹形系數(shù)K=Dmax/Do；

最大切向應(yīng)變?chǔ)纽萴ax=ln Dmax/Do

液壓脹形時(shí)，最大切向應(yīng)變?chǔ)纽萴ax不能超過(guò)許用應(yīng)變?chǔ)臿。

變形程度滿足核算要求。

二是壓力計(jì)算：

單位壓力，是作用于管內(nèi)壁上所需單位壓力P，可按如下方法估算：

P=2 toσθ/Dmax

to:毛坯壁厚；

σθ為不同變形程度ε θ下的實(shí)際應(yīng)力；

成型壓力，考慮到塑性變形回彈，增加約50%的單位壓力作為該零件成型壓力較為合適，即1.5 P。

水壓機(jī)額定承受壓力，可按估算壓力的2倍進(jìn)行設(shè)計(jì)，即2 P。

（4）零件檢測(cè)及切割。采取專用檢測(cè)劃線工藝裝備，檢測(cè)外形和劃出兩端切割線，再用專用切割設(shè)備和切割?yuàn)A具，按線切割兩端余量，完成零件制造。

4 成型工藝影響因素分析及對(duì)策

影響水壓成型因素比較多，比如材料理化性能、機(jī)械性能、毛料樣板與水壓機(jī)的匹配、同批材料的性能均勻程度、水壓機(jī)的狀態(tài)、材料冷加工應(yīng)力、材料焊接應(yīng)力、焊接品質(zhì)、焊絲成份等等。故障的表現(xiàn)形式，一般為裂紋和畸形。

經(jīng)過(guò)多年的水壓成型工藝摸索，總結(jié)幾種常見(jiàn)的容易造成批量的故障影響因素和解決措施如下：

（1）原材料性能不穩(wěn)定。板材的化學(xué)成分中某些微量元素含量以及機(jī)械性能等，雖然符合標(biāo)值，但偏向極限，對(duì)焊接后的機(jī)械性能影響比較大，焊縫強(qiáng)度降低較多，在水壓成型過(guò)程中，焊縫易產(chǎn)生裂紋，從而使工件無(wú)法成型到位。

只能采取預(yù)防措施。即每批用于水壓成型的板材采購(gòu)進(jìn)廠后，應(yīng)先投試驗(yàn)件，試驗(yàn)件合格后，方可正式投料生產(chǎn)。

（2）焊接品質(zhì)。因?yàn)楹缚p兩邊熱影響區(qū)域的材料強(qiáng)度略有降低，焊接氣孔、焊縫高度超標(biāo)等缺陷，在水壓成型過(guò)程中，容易導(dǎo)致焊縫裂開(kāi)，成型失敗。

出現(xiàn)這種故障可采取兩種措施：一是前期預(yù)防，做好焊前清理、焊接工裝維護(hù)、焊接操作者技能培訓(xùn)工作；二是后期處理，可加強(qiáng)焊縫表面品質(zhì)檢查，并采取必要的返修措施。

（3）退火不充分，有殘留冷作應(yīng)力和焊接應(yīng)力。蒙皮在卷圓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生冷加工應(yīng)力；焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱加工應(yīng)力，一般不會(huì)影響水壓成型。但有些材料蒙皮存在較大的加工應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致批量成型失敗，因此可以在水壓成型前，安排退火工序，意在消除應(yīng)力，可見(jiàn)退火的工藝參數(shù)確定比較重要。

副油箱蒙皮生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)這種故障，經(jīng)過(guò)熱處理工藝人員的多次摸索，目前確定來(lái)取充分退火的工藝搭檔。

（4）設(shè)備故障。其一，水壓成型設(shè)備管路漏氣、氣源壓力不符合要求、密封泄漏等，會(huì)導(dǎo)致成型不到位。這種情況可通過(guò)設(shè)備維修和班前設(shè)備檢查維護(hù)來(lái)避免，工件可以重新成型。

其二，設(shè)備排泄孔位置不合適，會(huì)導(dǎo)致成型后存在局部環(huán)形不到位現(xiàn)象。這種情況一般在設(shè)備投入使用前的調(diào)試階段，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)獲得排泄孔的最佳位置。

其三，設(shè)備機(jī)體表面有異物或成型用水內(nèi)有異物，會(huì)導(dǎo)致蒙皮成型后表面有凹坑或局部型面不飽滿現(xiàn)象，可通過(guò)清除異物來(lái)解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)多年實(shí)踐，水壓成型技術(shù)已大量用于副油箱生產(chǎn)，此技術(shù)工藝成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，而且同樣適合用于大型薄壁氣動(dòng)外形旋轉(zhuǎn)體的批量生產(chǎn)。

[1]梁炳文.板金沖壓工藝手冊(cè)[K].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

[2]夏巨諶.鈑金工手冊(cè)[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]王文昌.鈑金展開(kāi)技術(shù)手冊(cè)[K].沈陽(yáng):東北工學(xué)院出版社，1991.