一種帶加強筋槽超薄鋁合金蒙皮成形工藝研究

周 軍，朱樂宗，鐘冬平，徐晏清

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330096)

0 引 言

為滿足結構性能要求，某型號舵面系統(tǒng)大量采用帶加強筋槽超薄蒙皮， 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，成形時就極易產生失穩(wěn)，出現(xiàn)起皺、鼓動和破裂等成形障礙。同時因該蒙皮材料太薄，強度和剛度較低，為保證零件一定的強度和剛性，設置了加強筋槽，造成零件成形過程中很難滿足制造要求。而蒙皮零件制造的好壞，直接影響某型機的研制質量，因此必須十分注重零件成形工藝措施及各工序間的質量控制[1]。

為確保超薄蒙皮成形零件的質量問題，本文對超薄蒙皮的成形工藝性進行了研究，本文對零件采用落壓成形和橡皮囊液壓成形工藝方法對比分析。確定了帶加強筋槽超薄蒙皮成形的工藝方法。 結果表明，對零件采用橡皮囊液壓成形工藝能明顯改善零件成形質量，生產效率顯著提高，降低了制造成本，同時為后續(xù)超薄鋁合金蒙皮生產積累了經驗。

1 超薄蒙皮變形特點及工藝分析

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。 在蒙皮零件上設置了多個封閉型加強槽，其中加強槽的厚度約4mm，零件的腹板面有拱曲形和平面狀雙重特征。根據(jù)零件結構特點，零件在制造過程中有以下難點：

圖1 超薄蒙皮零件示意圖

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

針對以上分析，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與厚度的減薄來實現(xiàn)[2]。 落壓成形具有模具結構簡單、使用維護方便及能加工外形復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量差，同時其工作環(huán)境和安全性差等特點[1]。

根據(jù)零件結構特點，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，直至最終成形結束，成形結束后，我們發(fā)現(xiàn)零件出現(xiàn)大量密集的皺紋，零件容易起皺，中間有鼓動產生，經測量，中間區(qū)域最大鼓動深度約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，同時中間鼓動較小，約8mm，后續(xù)將零件進行校正，皺紋仍然無法消除。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，零件材料較薄，剛度和收縮性能差，當零件落壓模的上下模閉合時，局部形成皺紋，皺紋沒有及時展開，無法消除；成形過程中零件應力、應變分布復雜，當零件局部受到壓應力較大時，容易失穩(wěn)起皺，拉應力大則容易導致材料變薄嚴重，易形成裂紋[3]，隨著上模與零件加強槽接觸，加強槽處應力分布不均勻，且應力較大，零件易起皺，表面質量差。

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生和避免產生鼓動，提高零件表面質量，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，用油或粘性物質作為傳壓介質，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)點體現(xiàn)在：

圖3 橡皮囊液壓成形示意圖[6]

1） 成本低。成形過程中一般僅適用凸?；虬寄?，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形狀復雜、成形性能差的材料零件成形。 對不同厚度（0.1-16mm）的板材零件一般可以一次壓成非對稱件、斜底件和局部凹凸形的零件等形狀復雜的零件[6]。

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

2 工藝方案

2.1 模具結構設計

因零件太薄，加強筋槽多，為保證每個加強筋槽局部能更好貼模，同時避免零件在成形過程中出現(xiàn)起皺和鼓動等缺陷。 液壓成形模具所受的壓力較大，因此對工作型面、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，同時保證過渡區(qū)均勻過渡、如圖4 中B-B 剖視圖所示，該零件加強筋槽R5/R25/R25 型面一定要保證完全與模具型面符合，特別是加強筋槽R5 部位，否則因材料較薄，很容易產生裂紋；同時為更好保證零件成形過程中不易破裂，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） 零件在壓制過程中， 里面有空氣等導致零件筋槽型面成形不到位，零件不容易貼模，嚴重影響零件表面質量，基于此，根據(jù)零件結構特點和實踐經驗，在模具加強筋槽兩端設計一定數(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)體積不變原理，通常理論下料尺寸是以料厚不變，形心不變?yōu)榧俣ㄇ疤?，一般由兩部分構成，即在零件按展開尺寸（外輪廓尺寸）的基礎上，加上制造工藝留量。 通過對零件工藝分析可知：若該零件下料尺寸比零件尺寸大，零件成形過程中兩端受到拉應力的拉伸和局部受到壓應力過大， 而且該零件材料較薄，很容易拉裂；下料尺寸過小，零件加強筋槽局部因受到壓應力，材料向外流動阻力較大，容易失穩(wěn)從而造成材料產生大量皺紋。

由于該零件帶很多加強筋槽，薄蒙皮零件的結構形式有平面、拱曲面兩種。 如圖1 所示，該零件有折邊，折邊角度168°。 通常對該零件折邊類鈑金件下料尺寸分類計算時，按公式L=A+B+C-X 計算，其中A、B 和C 均為單邊長度，X 為材料厚度。 因此該零件下料尺寸長度為1200mm， 寬L=75+185+20+4-0.5=283.5mm，但該下料尺寸未考慮加強筋槽局部變形對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，以此來獲得較為準確的下料尺寸。 如圖5 所示，該零件加強筋槽分過渡段A、圓角段B 和C。 其中圓角段B 和圓角段C 結構參數(shù)相同。 其中圓角段B 展開長度按經驗公式[7]（1）計算可得：

過渡段A 展開長度按經驗公式[7]（2）計算可得：

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]。

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

將零件進行液壓成形后，成形過程中零件表面質量好，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。

經分析， 導致零件在圓角段B 和C 裂紋萌發(fā)主要原因為：①材料下料尺寸不合理，進一步影響材料的流動性。零件的筋槽區(qū)域的圓角處在液壓成形過程中受到較大的拉應力，進一步導致材料流入圓角段B處和C 處過少，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)零件結構可知，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%，但對于LY12 材料，在“CZ”狀態(tài)下極限延伸率是15.6%[5]， 故幾乎可導致零件萌發(fā)裂紋的原因與材料下料尺寸不合理，有待進一步優(yōu)化。

圖5 零件加強筋槽尺寸圖

基于此，可通過增加材料流動性，即進一步控制材料下料尺寸，將零件未成形區(qū)域的多余毛料進行修剪，同時對加強筋槽處附近的凸模進行潤滑，改善材料流動性。 考慮零件成形過程中的實際特點，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

為進一步確定毛料在其他狀態(tài)的液壓成形過程，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行對比研究。

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、褶皺和鼓動現(xiàn)象，零件表面質量高，但經淬火后零件加強筋槽處變形（翹曲）嚴重，校形后仍無法消除翹曲現(xiàn)象；材料為“新淬火”料零件本身變形嚴重，有嚴重鼓動情況產生，零件表面極不平整，隨后用校平機對零件進行校平，仍無法完全消除鼓動，同時液壓成形后仍然出現(xiàn)翹曲和鼓動，表面質量極差。

基于此，最終確定帶加強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上進行橡皮液壓成形。

4 結 語

本文對加強筋槽超薄鋁合金蒙皮成形工藝進行研究，通過對零件結構特點分析，成形工藝方法確定、模具結構設計分析、零件下料尺寸優(yōu)化，零件毛料狀態(tài)分析對比確定了該零件最終的成形工藝， 結果表明： 采用橡皮囊液壓成形工藝成形零件后表面質量高，滿足制造要求；同時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際生產中獲得了成功應用， 可為后續(xù)超薄鋁合金成形制造提供參考。