復(fù)雜曲面導(dǎo)管成形技術(shù)研究

徐 念，聶自洋

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、附件傳動(dòng)等部分組成。壓氣機(jī)對進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)行壓縮，達(dá)到一定壓比后，一部分壓縮空氣通過引氣供給發(fā)動(dòng)機(jī)本身和飛機(jī)使用，另一部分進(jìn)入燃燒室；燃燒室將從壓氣機(jī)來的壓縮空氣與燃油混合燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)猓粶u輪將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)壓氣機(jī)工作并帶動(dòng)附件傳動(dòng)；附件傳動(dòng)安裝連接發(fā)動(dòng)機(jī)各附件并帶動(dòng)附件工作。而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，增壓件非常重要,其承擔(dān)著增加馬力的作用。

本文研究的帶小直徑凸緣的復(fù)雜曲面導(dǎo)管是本公司承接的增壓器噴口組合（見圖1）的一個(gè)重要單件。該導(dǎo)管是較為典型的復(fù)雜曲面管類鈑金件，如圖2所示，它的口部為帶凸緣的直圓筒壁，且直徑較??；另一端為復(fù)雜曲面，且與另一鈑金件的圓錐面相配合（見圖3）。

該零件料厚0.81mm，材料為AMS5536，相當(dāng)于國產(chǎn)牌號(hào)GH22鎳基高溫合金，具有較高的強(qiáng)度和塑性、有良好的成形性能。

圖1 增壓器噴口組合Fig.1 Plenum assembly exhaust inseparable

圖2 三維零件Fig.2 3D parts

然而，特殊材料的回彈問題更為突出，直接影響到?jīng)_壓件的尺寸精度。為提高沖壓件的產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，人們開始利用有限元法對鈑料成形過程進(jìn)行模擬，得出其沖壓成形的回彈仿真，從而有效控制鈑金件的成形[1-6]。

但復(fù)雜曲面鈑金件因其有復(fù)雜曲面特征，各截面的回彈量不一致。對此類零件進(jìn)行有限元法模擬，難度及分析誤差均較大。國內(nèi)外對復(fù)雜曲面的沖壓成形控制和小直徑凸緣的軋波成形控制的研究不多。實(shí)際工程中，通?；诮?jīng)驗(yàn)、反復(fù)試驗(yàn)來降低回彈的影響，后期通過鉗工手工校正打磨來保證零件的最終尺寸，此種方法明顯需消耗大量成本和時(shí)間。對復(fù)雜曲面的沖壓成形控制和小直徑凸緣的軋波成型控制，目前并沒有有效的控制方法。

本課題組通過多年的復(fù)雜曲面導(dǎo)管的成形實(shí)踐及研究分析，提出了一套復(fù)雜曲面的沖壓成形控制方法和一套小直徑凸緣的軋波成型控制方法，實(shí)踐證明可以有效達(dá)到控制沖壓及軋波成形、提高生產(chǎn)效率的目的。該工藝方法也可以應(yīng)用于類似鈑金件的成形中，對復(fù)雜曲面鈑金件的成形控制具有一定的實(shí)際意義。

圖3 零件圖Fig.3 Part drawing

圖4 復(fù)雜曲面成形的主要流程Fig.4 Main flow of complex surface forming

圖5 小直徑凸緣與異形面示意圖Fig.5 Sketch of small diameter flange and special-shaped surface

技術(shù)難點(diǎn)

導(dǎo)管為焊接類復(fù)雜曲面鈑金件，復(fù)雜曲面由沖模沖壓成形、口部凸緣處由軋波輪軋壓成形[7-8]。該件的復(fù)雜曲面形狀較難成形，且在加工過程中出現(xiàn)以下問題：單件成形后變形大，數(shù)銑裝夾、配焊均較困難；沖工校正后局部有凹陷、凸起，焊縫處易開裂，且內(nèi)表面拉勾嚴(yán)重。另外，口部凸緣由軋波成形后呈橢圓且有喇叭口；且因直徑（φ69.85（+0.25/0）mm）偏小，無法由漲形模加工保證尺寸等。

1 工藝方案的確定

1.1 復(fù)雜曲面的成形

分析其曲面形狀及對稱特性，確定采用“分半成形后，對焊加校型”的成形方案：合適的毛坯料經(jīng)沖工預(yù)成形后，經(jīng)銑工銑平；之后再兩兩單件對焊，再由成型模沖壓校正，從而完成該零件復(fù)雜曲面的成形（見圖4）。

1.2 小直徑凸緣的成形

口部小直徑凸緣處由軋波輪軋壓成形，后由鉗工校正。

1.3 異形面的加工

通過線切割加工，進(jìn)而完成整個(gè)零件的加工（見圖5）。

工藝流程如下：

0領(lǐng)料—10激光切割—20鉗工—30沖工—40消除應(yīng)力—50沖工—60銑工/數(shù)銑—70鉗工—80清洗—90手工氬弧焊—100鉗工—110 消除應(yīng)力—120噴漆—130沖工—140 除漆—150線切割—160鉗工—170鉗工—180鉗工—190線切割—200鉗工—210檢驗(yàn)—220鈍化—230標(biāo)印—240清洗—250檢驗(yàn)—260包裝。

2 工藝改進(jìn)

2.1 復(fù)雜曲面的成形改進(jìn)

導(dǎo)管的單件由同套成型模A成形、消除應(yīng)力后校型，零件變形依然很大，尺寸均不合格。零件變形的這種情況給后續(xù)銑工裝夾、焊工配焊及線切割裝夾均造成困難。

對焊后的零件由沖工經(jīng)另一套模具B校正，有以下問題：（1）尺寸101.6±0.7 實(shí)際為 102.9～103.3，尺寸50.8±0.7實(shí)際為 51.4～51.7，尺寸超差嚴(yán)重；（2）零件在焊縫處有凹陷、在模具合模處有局部凸起；（3）零件內(nèi)外表面拉勾嚴(yán)重；每件都需要鉗工手工校正打磨，且很難打磨。（4）焊縫處經(jīng)沖工校正時(shí)常有開裂情況。具體凹陷、凸起、拉勾等缺陷情況見圖6。

分析上述情況，初步判定該件的加工困難及成形缺陷皆因“單件由成型模兩次成形后、零件仍變形嚴(yán)重”所引起。分析控制零件變形的方法，最終試圖修理第一套成型模：在成型模的設(shè)計(jì)上考慮零件的回彈、將零件的回彈量補(bǔ)償?shù)酵拱寄３叽绲脑O(shè)計(jì)上，從而使零件沖壓后經(jīng)回彈、正好是所需要的尺寸。

但在收集回彈量時(shí)，發(fā)現(xiàn)上述想法太過理想化：它的回彈并非規(guī)則和線性，且規(guī)律性很小。因此，難以給出準(zhǔn)確的回彈量補(bǔ)償數(shù)據(jù)，修理成型模的方案很難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，考慮到修模成本，最終放棄了上述想法。研究回彈量的相關(guān)特性、并結(jié)合以往零件的加工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)后得出結(jié)論：回彈量不僅隨材料的強(qiáng)度和料厚的變化，還隨模具間隙及彎曲半徑的增加而增加。另外，材料的各向異性也將導(dǎo)致各處的回彈量有所不同[9-10]（見圖7）。

針對零件的尺寸及外觀缺陷問題，結(jié)合設(shè)計(jì)圖尺寸，仔細(xì)分析零件的整個(gè)工藝路線，摸索出合理的工藝方法控制零件的加工。

（1）尺寸控制。通過工藝方法（“壓緊狀態(tài)下，夾具支靠面與零件接觸面間隙不大于0.05”和“在夾具上檢查尺寸”）控制銑工加工，以此保證零件焊前所需的鈑金料的尺寸合格，同時(shí)確定：零件的變形由后續(xù)沖工校正保證（見圖8）。

確定“沖工校正后，‘尺寸101.6±0.7mm 超 差 為 102.9～103.3mm、尺 寸50.8±0.7mm實(shí) 際 為51.4～51.7mm’的部分”會(huì)由線切割割掉，從而形成異形面，對最終的零件無影響（見圖9）。

圖6 外觀缺陷Fig.6 Appearance defect

圖7 單件回彈Fig.7 Sheet springback

圖8 分半成形后數(shù)銑（mm）Fig.8 Milling after half and half forming

（2）表面質(zhì)量控制。

觀察并分析零件“分半成形、消除應(yīng)力后校正”、 “對焊后校型”3道沖工成形后的多處缺陷，判斷區(qū)分“多種缺陷”是屬于零件正常的變形還是模具或成形過程的異常。判斷“整體的橢圓”及“R處的偏大 ”（圖10）為零件成型后合理的變形（成型后、零件的正?；貜棧植康摹鞍枷荨?、“凸起”等缺陷（圖11）為成形異常所導(dǎo)致的。結(jié)合成形異常的缺陷情況，分析兩次成形過程，發(fā)現(xiàn)分半成形時(shí)零件與模具在某一局部未完全貼合（圖12所示的模具亮光處）。結(jié)合分半成形過程，修理單件成型模，單件型面得以較好地成形出來。

圖9 線切割加工后的最終零件Fig. 9 Final part after wire cutting

圖10 成形后合理的變形Fig.10 Reasonable deformation after molding

圖11 成形后零件的缺陷Fig.11 Defective parts after forming

圖12 成形模修理Fig.12 Repair of forming die

圖13 改進(jìn)后的零件Fig.13 Improved parts

圖14 噴漆改進(jìn)前后對比Fig.14 Contrast before and after painting

圖15 軋波后零件缺陷Fig.15 Part defect drawing afterrolling wave

在手工氬弧焊對焊時(shí)，要求在φ69.85（+0.25/0）的圓柱面口部加焊絲，其余部分建議不加焊絲。這種方法，有效避免了口部的焊縫處開裂的情況。通過以上方法，基本消除了“由校正模校正零件時(shí)，常有開裂、在焊縫處有塌陷、在模具合模處有局部凸起”的情況（圖13）。

（3） 零件內(nèi)外表面拉勾嚴(yán)重。每件都需要手工校正打磨，且很難打磨。分析校正成形過程，增加沖工校正前的噴漆（見圖14）和校正后的除漆工序。

2.2 小直徑凸緣的改進(jìn)

零件口部凸緣處由軋波輪軋壓成形后，嚴(yán)重變形（見圖15）：口部橢圓，且有喇叭口，尺寸φ69.85（+0.25/0）mm不合格。然而因?yàn)橹睆溅?9.85（+0.25/0）mm偏小，無法由漲形模校正來保證尺寸。

最初試制時(shí)，利用另一套校正模C校正零件，在模具合模處有很深的印痕（見圖15左圖），無法消除。

分析其校正過程，確定申請并制造鉗工工具，由鉗工在壓裝液壓機(jī)Y41-16上緩慢手工校正：將校正塊壓入零件，校正零件的口部橢圓及喇叭口情況，之后將校正塊與零件從底座上拿開。將分離套放在底座上，將校正塊與零件反轉(zhuǎn)180°放于分離套上。后用鐵棒利用液壓機(jī)將校正塊緩慢壓下，零件在分離套上，校正塊在分離套中，從而有效使二者分離，進(jìn)而完成零件的整個(gè)校正過程（見圖16）。

經(jīng)此方法校正后，零件口部的橢圓及喇叭口情況有明顯好轉(zhuǎn)，尺寸φ69.85（+0.25/0）mm也合格。

經(jīng)過這一系列改進(jìn)，該零件加工的一次合格率由0提高至90%。同時(shí)，大大減輕了操作者的手工打磨和校正強(qiáng)度，全年共節(jié)省7000min以上。

此導(dǎo)管受型面及尺寸限制，復(fù)雜曲面及小直徑凸緣的成形均較難控制。通過模具修理、工藝方法及參數(shù)的持續(xù)改進(jìn)，解決了零件成形、焊接、校型、軋波校正等多種質(zhì)量問題。工藝改進(jìn)及導(dǎo)管生產(chǎn)進(jìn)展順利。

圖16 鉗工工具Fig.16 Fitter tool

結(jié)論

曲面管類鈑金件形狀復(fù)雜，成形控制難度大，零件尺寸及外觀質(zhì)量難以保證。本文主要研究了復(fù)雜曲面鈑金件成形后有回彈問題時(shí)，如何有效控制零件的整個(gè)加工過程、保證最終的產(chǎn)品質(zhì)量。重點(diǎn)介紹了兩種工藝方法：導(dǎo)管復(fù)雜曲面的沖壓成形控制，提出了一套判斷區(qū)分零件缺陷是屬于零件正常的變形，還是模具或成形過程的異常，并找到合理的方法修理工裝或調(diào)整工藝，從而消除零件各種缺陷的方法；小直徑凸緣的軋波成型控制，提出了一套利用鉗工夾具，由鉗工在壓裝液壓機(jī)Y41-16上緩慢手工校正的方法。實(shí)際生產(chǎn)證明，本文所提出的工藝方法合理可行，可以達(dá)到帶小直徑凸緣的復(fù)雜曲面鈑金件預(yù)期的技術(shù)、質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。以上兩種工藝方法，對類似復(fù)雜曲面鈑金件和小直徑凸緣的成形控制也有一定借鑒作用和推廣價(jià)值。

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