文/韓艷彬·中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司

飛機(jī)蜂窩鋁合金面板零件的成形研究

文/韓艷彬·中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司

本文介紹了蜂窩鋁合金面板零件的特點(diǎn)，零件成形的工藝特性分析以及成形過程中鼓動(dòng)產(chǎn)生的原因。根據(jù)飛機(jī)內(nèi)面板類零件實(shí)際制造過程中所遇到的困難、解決辦法，探討蜂窩鋁合金面板零件的成形方法。

韓艷彬，高級工程師，主要從事飛機(jī)鈑金工藝研究，《沖壓技術(shù)叢書》參編作者，主持完成的降低鈑金零件缺陷、提高成形質(zhì)量獲第十屆中國優(yōu)秀六西格瑪項(xiàng)目，擁有1項(xiàng)專利。

某飛機(jī)蜂窩鋁合金面板零件為蜂窩夾芯金屬膠接結(jié)構(gòu)，材料為LY12，零件厚度為0.3mm、0.4mm兩種，單架機(jī)共有28項(xiàng)此類零件。如圖1所示，該零件為薄板盒形件，形狀復(fù)雜，由四層鈑金零件和一層金屬蜂窩芯膠接而成。膠接成形前，鈑金零件的配合間隙應(yīng)小于0.2mm，故對薄鋁合金蜂窩盒形面板成形工藝要求很高。

圖1 零件外形圖

此類零件表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，面板外觀應(yīng)平整光順，并應(yīng)滿足飛機(jī)的膠接特性，不允許有折痕和鼓動(dòng)等缺陷。目前我廠生產(chǎn)各類型蜂窩鋁合金面板零件時(shí)，現(xiàn)有的生產(chǎn)流程（淬火→校平→液壓→切割交付）要求毛坯在成形過程中經(jīng)過淬火處理，而淬火處理后會造成板料的應(yīng)力分布不均，同時(shí)薄板零件由于其自身厚度薄抗壓縮應(yīng)力差，成形底部易出現(xiàn)鼓動(dòng)，邊緣易出現(xiàn)松動(dòng)，不能滿足蜂窩膠接特性的要求值，因而影響了金屬面板和蜂窩夾芯的膠接粘結(jié)質(zhì)量，造成福克檢查和聲阻抗檢查等無損檢測通不過，導(dǎo)致昂貴的金屬蜂窩復(fù)材組件報(bào)廢。

原因分析

⑴從零件成形的工藝特性分析薄鋁合金蜂窩盒形面板鼓動(dòng)產(chǎn)生的原因，主要是因?yàn)殇X合金對淬火敏感性很高，目前工廠采用的淬火主要在鹽浴爐中進(jìn)行，由于受設(shè)備條件的限制，淬火冷卻速度僅能通過調(diào)節(jié)水溫來予以控制，缺點(diǎn)之一就是淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間長，板材淬火后翹曲變形大。采用快的淬火速度，雖有利于獲得較高的強(qiáng)度，但由于急劇冷卻帶來板材內(nèi)、外的溫度梯度大，表面金屬冷卻比內(nèi)層快，表層金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)層金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力。隨著進(jìn)一步冷卻，內(nèi)層金屬劇冷、急劇收縮，使得最后表層金屬有殘余壓應(yīng)力，內(nèi)層金屬有殘余拉應(yīng)力，即殘留了大量的淬火應(yīng)力，致使板材在淬火期間產(chǎn)生翹曲變形，產(chǎn)生鼓動(dòng)。

⑵薄鋁合金蜂窩盒形面板的淬火工藝性太差。蜂窩面板的材料太薄，表面積太大，無釋放應(yīng)力的工藝孔和增強(qiáng)抵御變形的工藝加強(qiáng)筋，剛性差，淬火容易劇烈變形，造成板料各點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力極不均勻，形成明顯的鼓包；盒形結(jié)構(gòu)成形時(shí)盒底封閉，變形時(shí)內(nèi)應(yīng)力無處釋放，也會形成鼓包。圖2所示是盒形零件板料淬火鼓包示例。

圖2 盒形零件板料淬火鼓包示例

⑶校平機(jī)校平有一定的不穩(wěn)定性，板料校平后易出現(xiàn)波紋、折痕，液壓成形時(shí)會出現(xiàn)鼓包、松動(dòng)、鼓動(dòng)，嚴(yán)重的會出現(xiàn)扭曲變形。

⑷零件橡皮成形過程中各點(diǎn)變形不同致使材料產(chǎn)生新的不均勻內(nèi)應(yīng)力。該因素的影響有大有小，需針對零件作具體分析。

⑸橡皮成形過程中模具盆腔氣體的反作用力。毛坯橡皮與型胎底面之間形成一個(gè)封閉的腔體，成形過程中空氣被逐漸壓縮，形成一個(gè)反作用力。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，由于氣體的可壓縮性，這個(gè)反作用力影響有限，工藝上通過增加工裝排氣孔就可以解決。

⑹薄板盆形零件成形工藝過程防護(hù)的要點(diǎn)是要保證成形設(shè)施與零件的接觸面光滑、潔凈，以免設(shè)施傷及零件表面；其次，要保持嚴(yán)謹(jǐn)精細(xì)的操作方法，盡量減少成形過程各環(huán)節(jié)遺留在零件表面的質(zhì)量缺陷。

經(jīng)分析，抑制甚至消除薄鋁合金蜂窩盒形面板淬火變形所產(chǎn)生的鼓動(dòng)問題，首要解決的問題應(yīng)該是新淬火條件下金屬面板零件形成的鼓動(dòng)對成形后零件精度的重大影響。通過對薄板類零件成形的鼓動(dòng)抑制機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用預(yù)拉伸加工，可以明顯降低鋁合金板淬火后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力值，并隨著預(yù)拉伸量的增加，殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力。

其次，薄鋁合金蜂窩盒形面板在橡皮成形過程中產(chǎn)生的鼓動(dòng)，也是影響因素之一。薄鋁合金蜂窩盒形面板由于其結(jié)構(gòu)為淺拉深盒形件，變形過程的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)較為復(fù)雜，且要改變其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)十分困難。通過對工裝（輔助）結(jié)構(gòu)如工藝筋槽等在成形過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變效果進(jìn)行分析試驗(yàn)，掌握其對鼓動(dòng)抑制的作用效果規(guī)律，對模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，制定合理的工藝方案，最大限度地提高零件的成形精度，以解決生產(chǎn)中所面臨的難題。

解決辦法

確定淬火方式

目前工廠淬火主要采用鹽浴爐進(jìn)行，由于受設(shè)備條件的限制，淬火冷卻速度僅能通過調(diào)節(jié)水溫來予以控制。板料淬火時(shí)采用卷筒方式，可以防止板料被淬火框硌傷，及被淬火槽液沖擊變形無法使用。

毛料卷筒時(shí)長度1000mm以內(nèi)、直徑以φ150mm左右為宜；長度1000mm以上、直徑以φ200mm左右為宜，層間間隙均勻，以減小淬火變形。卷筒均勻捆扎2～3道放入專用小淬火框，再以立式固定在熱處理間的大型通用淬火框內(nèi)，如圖3所示。

圖3 淬火方式示例

在淬火時(shí)，淬火框的入水轉(zhuǎn)移要求十分平穩(wěn)，盡量垂直下水，以防止水的激蕩造成更多的鼓包。尤其是不能絆在淬火槽或水槽邊緣，劇烈的抖動(dòng)和斜框入水會造成更大的變形扭曲和硌傷。

改進(jìn)零件生產(chǎn)工藝

鼓動(dòng)，即材料局部纖維長度比其他部位長。為了消除鼓動(dòng)，一種方法是靠收縮纖維使變長的纖維縮短，可采用收縮機(jī)收縮，還可以采用手工收料的方式；另一種方法是拉伸或手工放料。收縮機(jī)收縮料時(shí)雖然某一局部能達(dá)到收料的目的，但從整體來看，材料收縮不均勻，平面度差，而手工放料因?yàn)椴牧媳?，表面質(zhì)量要求高，要求鈑金工技術(shù)較高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。綜合考慮后選擇改進(jìn)零件生產(chǎn)流程，增加拉伸校平工序，確定了薄板新淬火狀態(tài)板料校平的工藝方法，即淬火→校平→拉伸→液壓。

對淬火后的板料進(jìn)行拉伸，無論是受壓應(yīng)力的表層金屬，還是受拉應(yīng)力的內(nèi)層金屬，它們在受到外力的作用后都將發(fā)生變形，當(dāng)給予的拉伸力超過該金屬的彈性極限后，就發(fā)生塑性變形。由于板料的內(nèi)層金屬原來就具有殘余拉應(yīng)力，所以它首先超過彈性極限進(jìn)入塑性變形，這顯然造成了內(nèi)層金屬的變形速度比表層金屬快，但由于板材仍然是一個(gè)整體，表層金屬將牽制內(nèi)層金屬的變形，所以在塑性變形發(fā)生后，表層金屬將產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)層金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力，這正好和淬火后的殘余應(yīng)力方向相反。如果預(yù)拉伸量選擇恰當(dāng)，其內(nèi)力和可以接近于零，消除鼓動(dòng)。圖4所示為初始應(yīng)變和預(yù)拉伸應(yīng)變的示意圖。

圖4 初始應(yīng)變與預(yù)拉伸應(yīng)變對比

⑴模具的選擇。

校平模結(jié)構(gòu)可采用一般拉形模結(jié)構(gòu)，用松木或竹膠板組成框架，內(nèi)部填入環(huán)氧膠砂作為模具基體，工作面粘貼15mm環(huán)氧料面層，表面流線光滑。拉伸方向模胎側(cè)面斜角為15°～20°，模胎圓角半徑為30～50mm，如圖5所示。

圖5 模具截面圖

拉伸模具R值依據(jù)下面公式進(jìn)行選擇：

R/t≥1/2（z/σS-1）

其中：σS為屈服應(yīng)力；t為材料厚度；z為彈性模量系數(shù)。

計(jì)算得出：t=0.3mm，R≥825mm；t=0.5mm，R≥1357mm?？紤]加工因素R確定為1400mm。試驗(yàn)申請通用工裝和通用校平模。

⑵拉伸分析。

拉伸采用單模一次拉形，使材料屈服，產(chǎn)生一定的均勻變形，因零件材料較薄，可采用一次2～4張料一起拉伸。為防止褶皺的產(chǎn)生，可使夾頭鉗口曲線盡量符合模具兩端對應(yīng)曲面的剖面形狀，在操作過程中正確配合夾頭拉伸和臺面上頂?shù)膭?dòng)作。另外，可適當(dāng)增加板料寬度，用兩邊余量包容模具圓角，阻止材料下滑。拉伸過程做到勻速、不間斷，有利于提高零件質(zhì)量。拉伸時(shí)，施力方向要和材料軋制的纖維方向一致。

⑶拉伸試驗(yàn)。

板料淬火后，先在校平機(jī)上將其初步校平，利于拉伸時(shí)裝夾，校平后在FET1200拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸，板料兩端各留100mm的裝夾量，拉伸后板料如圖6所示。由圖可見，拉伸后基本上消除了鼓動(dòng)及松動(dòng)。

圖6 板料拉伸后效果

研究工裝結(jié)構(gòu)

為了消除橡皮成形過程中模具盆腔氣體的反作用力，可以采取加排氣孔的辦法。為避免產(chǎn)生壓痕，排氣孔的位置決定開在型胎凹腔的對角拐角處（圖7），孔的大小可采用為φ1，在第一次小壓力液壓的時(shí)候可以保證氣體的排出，這樣既不會在零件上留下印痕，也保證了二次液壓時(shí)的一次成形，消除鼓動(dòng)。

圖7 排氣孔位置圖

由試驗(yàn)得出零件回彈量在1mm左右，根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)可以將型胎凹腔加深0.8mm。另外，試驗(yàn)過程中零件在兩凹腔之間的回彈量，大約為1～1.5mm，可以將型胎兩凹腔中間筋的最高點(diǎn)降低0.6～0.8mm，兩端不變，將凹腔弧度變大，降低回彈。

液壓方法

液壓成形及校形時(shí)，應(yīng)擦拭干凈型胎表面，清理橡皮渣和灰塵屑末，最好采用專用橡皮，以便于保持橡皮潔凈。采用硬度較高的聚氨酯橡膠有利于消除液壓成形及校形時(shí)產(chǎn)生的鼓包和松動(dòng)。

在成形過程中，采用分步液壓成形，避免材料因一次成形劇烈而產(chǎn)生起皺或拉裂。在QFC1.4×4-1000液壓機(jī)上進(jìn)行零件成形試驗(yàn)，具體分三次進(jìn)行，第一步5MPa，第二步15MPa，第三步25MPa。成形前對模具進(jìn)行檢查，確保模具上無雜質(zhì)顆粒物。

試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過對飛機(jī)零件試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在采取以上措施后，取得的效果如下：

⑴零件盆底鼓動(dòng)、鼓包數(shù)量減少90%以上。

⑵消除了零件表面麻點(diǎn)。

⑶零件邊緣松動(dòng)輕微，R轉(zhuǎn)角過小會有松動(dòng)，可以手工修整，表面質(zhì)量得到很大提高，滿足零件圖紙要求。最終成形的零件如圖8所示。

圖8 液壓成形后效果圖

結(jié)束語

蜂窩鋁合金面板零件成形技術(shù)在飛機(jī)機(jī)翼上應(yīng)用很廣泛，其質(zhì)量直接影響到飛機(jī)性能，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，掌握了拉伸校平的辦法，消除了局部鼓動(dòng)及松動(dòng)，滿足了膠接要求，零件質(zhì)量得到很大程度的提高。以上論述的成形方法希望能給此類零件的制造者提供借鑒。

蜂窩鋁合金面板零件本身工藝性差，成形難度大，零件成形過程中需要液壓多次，表面質(zhì)量要求高。根據(jù)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將來可采用碳纖維復(fù)合材料面板，就不存在鼓動(dòng)、劃傷等問題了。