大曲率變截面復(fù)雜航空鈑金構(gòu)件成形技術(shù)研究*

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092)

隨著我國(guó)航空事業(yè)的快速發(fā)展，客戶對(duì)飛機(jī)的性能要求越來越高，航空鈑金零件逐漸向整體化、大型化發(fā)展，成形難度加大，這對(duì)成形工藝提出了更高的要求。長(zhǎng)期以來，各大主機(jī)廠均采用落錘成形輔以手工校正[1]來加工零件，成形質(zhì)量、效率難以滿足實(shí)際需求。為此，各院所、高校、企業(yè)從航空鈑金零件成形原理[2–4]、有限元數(shù)值模擬分析[5–6]、新工藝開發(fā)及創(chuàng)新等方面進(jìn)行積極研究。郎利輝等[7]對(duì)液壓成形技術(shù)在復(fù)雜薄壁航空整體鈑金件上的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究；航空工業(yè)成飛公司也在積極研究新工藝，成靖等[8]實(shí)現(xiàn)了沖壓拉深成形工藝在復(fù)雜口框類鈑金件上的成功應(yīng)用。

“彩虹”零件形似彩虹，為某新型飛機(jī)關(guān)鍵零件，其對(duì)疲勞性能、抗沖擊能力、抗應(yīng)力腐蝕能力要求相當(dāng)高。因此，成形過程中應(yīng)盡量減少對(duì)材料性能的內(nèi)部損傷，消除手工校正，提升零件成形質(zhì)量。

1 零件工藝性分析

1.1 零件基本信息

1.1.1 零件構(gòu)型

“彩虹”零件具有大曲率、變截面、小夾角、整體下陷、結(jié)構(gòu)扭曲等結(jié)構(gòu)特征，具體如圖1所示。

1.1.2 材料信息

零件材料為7075–O–δ3.175mm，航空工業(yè)成飛公司委托高校對(duì)該材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示，3個(gè)方向的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖2所示。

1.2 落壓成形及成形難點(diǎn)綜合分析

1.2.1 AM-STAMP落壓成形過程仿真分析

首先，采用常規(guī)工藝——落壓成形對(duì)零件成形工藝進(jìn)行分析。通過CATIA對(duì)零件非工作面進(jìn)行工藝補(bǔ)充，按經(jīng)驗(yàn)值給定初始毛料，借助于PAM-STAMP對(duì)落壓成形過程進(jìn)行建模仿真，仿真模型如圖3所示。

1.2.2 有限元仿真結(jié)果分析

在實(shí)際加工中，由于落壓成形時(shí)無壓邊，無接觸部分毛料處于自由變形狀態(tài)。而成形初期，毛料與模具接觸面積小，使得材料受力不足，變形大，易出現(xiàn)起皺、貼模度差等缺陷。由圖4、5的仿真結(jié)果可以看出，零件成形過程中整體受力都較小，因此，板料大部分處于嚴(yán)重起皺趨勢(shì)（Strong Wrinkling Trend）及拉伸不足（Insufficient Stretching）狀態(tài)，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符。最終，只能通過大量的手工勞動(dòng)（排皺及校正貼模）來達(dá)到零件交付要求。

1.2.3 成形難點(diǎn)綜合分析

綜合考慮零件尺寸大、材料厚等結(jié)構(gòu)特征，手工校正有限，需進(jìn)行多次落壓來降低手工校正難度。該方法會(huì)帶來以下問題：

（1）頂部R受力集中，易造成材料厚度超差；

（2）落壓成形無法精確定位，造成每次成形的下陷處有偏差，需進(jìn)行手工打磨，影響表面質(zhì)量。

由此可見，常規(guī)的落壓成形工藝方案難以滿足“彩虹”零件高成形質(zhì)量要求，其加工效率也難以滿足當(dāng)前行業(yè)提出的“快速響應(yīng)”科研任務(wù)需求。

2 加工方案的確定

2.1 加工方案分析

從構(gòu)型上來看，“彩虹”零件與大曲率板彎型材零件類似，結(jié)合航空工業(yè)成飛公司自身的加工經(jīng)驗(yàn)，采用拉彎成形工藝具備可行性。通過對(duì)零件構(gòu)型特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分解，結(jié)合專業(yè)廠設(shè)備及技術(shù)資源，得到工藝分析矩陣表2，匹配對(duì)應(yīng)的最優(yōu)加工方法，再進(jìn)行工藝組合。

圖1 “彩虹”零件結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Structural characteristics of rainbow parts

表1 7075–O鋁合金板材的力學(xué)性能參數(shù)Table1 Mechanical properties of 7075-O aluminum alloy sheet

圖2 真實(shí)應(yīng)力–真實(shí)應(yīng)變曲線Fig.2 True stress–strain curve

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

由表2可知，“彩虹”零件最佳組合工藝為“閘壓成形V形槽（即小截面夾角）—拉彎成形弧度—落壓成形整體下陷”。

2.2 總體研究方案

通過對(duì)工藝流程進(jìn)行詳細(xì)分析，確定了每道工序所需工藝參數(shù)，制定了該零件成形技術(shù)研究的總體方案，具體流程如圖6所示。

圖4 最大主應(yīng)變分布圖Fig.4 Maximum principal strain distribution

圖5 成形極限圖Fig.5 Forming limit diagram

3 方案實(shí)施

3.1 工藝數(shù)模的建立

工藝數(shù)模是模具設(shè)計(jì)、制造的依據(jù)，根據(jù)總體研究方案，需建立3個(gè)工藝數(shù)模：閘壓工藝數(shù)模、拉彎工藝數(shù)模和落壓工藝數(shù)模。

3.1.1 閘壓工藝數(shù)模

閘壓工藝數(shù)模建模要求：填平下陷，以零件最小截面夾角、最大彎邊及最長(zhǎng)弧度展開尺寸進(jìn)行建模（其中，長(zhǎng)度方向需加上下一步拉彎工序所需的兩端夾頭尺寸）。如圖7所示，工藝數(shù)模頂部R=15mm，長(zhǎng)2900mm，兩彎邊尺寸分別為76.8mm和73.4mm， 夾角為34°。

3.1.2 拉彎工藝數(shù)模

拉彎工藝數(shù)模建模要求：填平下陷及臺(tái)階，對(duì)弧面進(jìn)行圓滑過渡，如圖8所示。

3.1.3 落壓工藝數(shù)模

落壓工藝數(shù)模建模要求：下陷加深0.3mm。如圖9所示，工藝數(shù)模下陷由1.25mm 加深為1.55mm。

3.2 參數(shù)設(shè)定

工藝參數(shù)與模具參數(shù)是影響鈑金零件成形的兩個(gè)主要因素。在“彩虹”零件成形技術(shù)研究中，成形質(zhì)量取決于拉彎成形效果。多年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者在拉彎成形技術(shù)研究上取得許多重要成果[9–11]，張磊等[12]構(gòu)建了型材拉彎工藝知識(shí)庫系統(tǒng)。航空工業(yè)成飛公司基于自身在數(shù)十年實(shí)際加工中積累的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)構(gòu)建了基于實(shí)踐的工藝知識(shí)庫，大幅提高了工藝研究效率及質(zhì)量。

3.2.1 閘壓參數(shù)的確定

閘壓模用于閘壓預(yù)成形工序，其主要作用是成形一個(gè)V形槽，作為后續(xù)拉彎工序坯料。模具需放回彈3°，凸模高度大于零件閘壓后最大彎邊高度（76.8mm），以免干涉，模具如圖10所示。

圖6 總體研究方案流程圖Fig.6 Flow chart of general research scheme

圖7 閘壓工藝數(shù)模Fig.7 Digital model for pressing

圖8 拉彎工藝數(shù)模Fig.8 Digital model for stretch bending

圖9 落壓工藝數(shù)模Fig.9 Digital model for hammer forming

圖10 閘壓模3D模型Fig.10 3D model of pressing mould

3.2.2 拉彎參數(shù)的確定

拉彎模用于成形零件弧度，是本次研究的關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)工藝知識(shí)庫（經(jīng)驗(yàn)值），模具間隙設(shè)定為0.1（0/+0.1）mm，預(yù)拉量為1%，補(bǔ)拉量為1.5%，模具如圖11所示。

3.2.3 落壓參數(shù)的確定

落壓模用于成形零件下陷，下陷區(qū)域加深0.3mm（該參數(shù)已固化），非工作區(qū)型面需要按零件弧度進(jìn)行流線，模具如圖12所示。

3.3 毛料確定

毛料尺寸由拉彎工藝確定，其長(zhǎng)度方向尺寸：

其中，L′為閘壓模模具長(zhǎng)度（2900mm），L1為零件展開長(zhǎng)度，ΔL為兩端拉彎加持余量。

其寬度方向尺寸：

其中，H1、H2分別為兩側(cè)彎邊最大長(zhǎng)度；I為頂部R弧長(zhǎng)；ΔW為經(jīng)驗(yàn)余量值。

通過計(jì)算，毛料尺寸確定為2786×209.2mm（實(shí)際生產(chǎn)中為了便于下料，對(duì)毛料尺寸進(jìn)行了取整，即2800×210mm）。

圖11 拉彎模3D模型Fig.11 3D model of stretch bending die

圖12 落錘模3D模型Fig.12 3D model of drop hammer die

4 實(shí)施結(jié)果

本研究按給定參數(shù)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了“彩虹”零件的精確成形。優(yōu)化參數(shù)如下：

（1）閘壓成形后的V形槽，兩側(cè)彎邊尺寸應(yīng)保持一致（尺寸差≤5mm）；

（2）拉彎模間隙較小，零件彎曲過程中底部彎邊由于收料起皺，局部無法進(jìn)入卡槽，導(dǎo)致后續(xù)拉彎無法進(jìn)行，結(jié)合實(shí)際情況，間隙參數(shù)優(yōu)化為0.3（–0.1/+0.1）mm。

5 結(jié)論

本文以“彩虹”零件為研究對(duì)象，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分解，探索了型材拉彎成形工藝在板材零件成形上的應(yīng)用，得到了以下結(jié)論：

（1）截面為變夾角時(shí)，拉彎坯料（即V形槽）時(shí)應(yīng)以最小截面夾角為準(zhǔn)；

（2）對(duì)拉彎坯料（即V形槽）進(jìn)行回彈修正時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大1°～2°，便于側(cè)邊貼模。V形槽兩側(cè)邊尺寸盡量保持一致，避免應(yīng)力集中；

（3）板材進(jìn)行拉彎時(shí)，其基準(zhǔn)邊更容易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，拉彎模具在設(shè)計(jì)時(shí)間隙參數(shù)應(yīng)適當(dāng)放大（一般放大0.2mm）。