薄壁加强腹板成形及校形方法研究

薄壁加强腹板成形及校形方法研究

刘波  王汝姣  白颖  张立 

中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安，710089

摘  要  多加强筋和翻边孔的腹板零件具有材料薄、筋孔排布密集、结构复杂的典型特征。借助基本理论计算，对薄壁加强腹板开展成形缺陷分析，将此类钣金零件成形和校平的实际操作中可能遇到的问题逐一解决，固化了多筋、孔加强结构的薄板零件最佳工艺流程，并拓展至相似件成形的应用上。

关键词：  橡皮成形  加强筋    校平   鼓动   松边

1  引言

钣金零件的成形方法很多，其中橡皮液压成形以它特有的先进性、经济性被航空业所青睐，但不乏存在一些复杂结构，如深筋、槽加强结构等导致零件直接液压会突破材料成形极限而产生裂纹，因此，手工预制、手工成形、手工校平不可或缺。多加强筋及翻边孔的大尺寸薄壁腹板零件就属于该类型零件，结构复杂，成形困难。

从腹板零件成形方法入手，分析研究材料变形机理，综合运用“收”、“放”成形技巧，使材料拉伸控制在成形极限范围内，从而得到料厚均匀、光滑流线的合格产品。

2  加强腹板结构分析

    大尺寸腹板零件尺寸大，材料厚度薄（7075-O-δ0.5mm），板面上分布着多个异向加强筋和翻边孔，成形过程中由于材料变形不均匀极易出现鼓动、松边等缺陷，淬火过程中材料受冷热液体的冲击还会产生严重的扭曲和开裂现象，而开敞的无边结构在切割过程中势必产生较大边缘松动。因此，该零件集聚了薄板零件成形所拥有的全部缺陷，极具代表性。

图1   典型腹板类结构件示意图

3  加强腹板成形工艺分析

3.1  材料性能分析

7075-O铝合金结构紧密，耐腐蚀效果强，是一种高强度的热处理合金，具有良好的机械性能，特被应用于飞机结构件设计。

3.2  加强筋成形性分析

计算加强筋的可成形性（如图2所示）。按加强筋的截面形状构造出一个带凸缘的盆型结构，利用拉深成形毛料直径计算公式得出展开毛坯尺寸=72.73mm，借用带凸缘的筒形件拉深系数计算公式计算出加强筋的拉深系数0.597，与常用铝合金许用极限拉深系数进行比较，略高于临界值0.58，该加强筋结构可成形，但已接近成形极限，必须有相应缓解材料一次变形的解决措施，预防裂纹产生。

图2  零件上加强筋截面尺寸图

3.3  腹板成形方法分析

带加强结构的腹板是典型的橡皮成形零件，薄板件的橡皮成形多采用“一步成形法”。“一步成形法”是利用铝合金板料经淬火后，采用低温贮存的办法，保持铝合金板料在新淬火状态下的良好塑性并以机械化手段一次完成新淬火料的成形与校形工作。“一步成形法”成形的主要优点在于免除或减少零件淬火后的校正工作量，而这种校正的主要工作往往是对平面的校平。

该类腹板件橡皮成形最大弊病就是加强筋开裂，考虑加强筋相对深度大，在退火状态成形是最佳选择，可以将裂纹出现的可能降到最低。而在淬火后成形翻边孔可以让板面更多的材料参与变形，增大腹板刚性，减少大面积的修正量。为此该零件的总体成形思路为在退火状态成形加强筋，在新淬火状态成形翻边减轻孔，翻边减轻孔的预备孔在淬火前制出，这样可以减少新淬火最佳塑性期零件成形时间，为修正零件提供充足的校平时间。

4  实验验证

4.1 首次橡皮成形加强筋

7075材料在退火状态下即“O”状态容易成形，在此状态利用橡皮囊液压机初步成形加强筋，一是防止加强筋淬火后成形拉裂，二是增大了腹板刚性，减少了淬火后全面板的校正。

将加有余量的腹板展开料放置与平压模之上，此次橡皮成形压力较小，设定为60Bar，进一步缓和加强筋周围材料一次拉深量。

4.2 制造翻边减轻孔的预备孔

4.2.1 设计翻边减轻孔的预备孔尺寸

在翻边减轻孔成形前制出展开预备孔，可以让之前不参与变形的盆底材料随着成形过程开孔的增大而向侧壁流动参与变形，减缓盆底危险断裂区域材料拉伸变形程度，降低零件一次成形开裂可能性。展开尺寸的计算方法，是先将零件分为若干部分，分别求出各自的中性层长度，然后求和。从图3中可以看出，虚线框内所示的a1和a2两相接圆弧是需要计算的中性层弧长，剩余尺寸都是直线段的常规过渡。

图3  翻边减轻孔截面尺寸示意图

  图4是图3虚框结构的详细尺寸图，利用作图结果计算展开预备孔尺寸L，计算公式L=135.8-2×[(5.3+4.5-7.5)+(5.6+4.5-7.5)]=126.0mm ，这样就得到了翻边孔预备孔孔径为126.0mm。

图4  a1和a2圆弧相关尺寸示意图

4.2.2 冲制翻边减轻孔的预备孔

首先利用销钉将零件与外形样板固定牢靠，在零件上制出翻边减轻孔中心工具孔Ф2.7，以工具孔Ф2.7mm定位，冲制翻边减轻孔的预备孔，孔径Ф126mm。需要注意必须用240#粒度或更细的砂纸去除孔周边毛刺并砂光，防止在淬火过程中由于孔边缘存在细小缺陷导致零件开裂。

4.3淬火前的绑框技巧

   为减小淬火过程中液体强大的冲击对零件产生的鼓动、松动、扭曲、甚至开裂等缺陷，用六根铝丝分别按照从上到下，从左到右的顺序两两交叉将零件固定于淬火框上，加强筋的方向尽量与地面平行，减小材料变形趋势。

4.4 淬火后手工初步校平

腹板零件淬火后变形较大。由于加强筋附近材料收缩程度不同产生了一定的扭曲，同时零件周边形成无规则的波浪，晃动零件时，腹板面会有大大小小相互交错的小凸起和小凹陷，呈点或片状存在，零件上大圆孔内孔边缘松动明显，如果孔边缘存在细小锐边突起，在淬火过程中极易出现裂纹。

淬火后需要进行一个初步校平。抽打零件时，橡皮打板因惯性而产生弯曲，此时底面长度L1大于原始长度L0，当橡皮打板底面和毛料波峰接触时，波纹因受压而有向外舒伸的趋势，但几乎同一瞬间，因橡皮打板底面收缩，而使橡皮打板包覆区内材料收缩。抓紧材料在淬火后孕育期内的软化状态，用橡皮打板按从里往外、从大到小的处理原则在平台上翻来覆去拍打零件。拍打零件时力量要均匀，拍板接触零件的瞬时速度要快，拍板的落脚点逐渐前移，将大部分鼓动收缩，腹板面大致平整，波浪显著减小和减缓。在校平过程中，按照加强筋的分布特点拍打加强筋两侧，可以较好地使松动的材料流向加强筋内部，减少校平工作量。

4.5二次橡皮成形翻边减轻孔

利用型胎成形翻边减轻孔，盖板上开出已成形加强筋的躲避槽。将压力设为100Bar~ 130Bar，保证翻边孔成形尺寸符合图纸要求。减轻孔的成形使腹板面内部松动有了很大改善。

4.6 零件外形切割

按外形样板划线切割，划线时注意线条连接处应光滑、连续；按剪切线剪切零件时要使上剪刃与零件剪切线对正，剪切时的剪切方向应使剪刀口不遮住剪切线为宜；剪切后用240#粒度砂纸去除零件边缘毛刺。零件经切割后，松边现象明显。松边是零件边缘材料富裕的表现，利用雅高机可以较好的消除边缘松动。

4.7 零件精校技巧

形象的说，钣金件校平就像一个针灸医生，根据症结（材料是松还是紧情况）进行判断，确定穴位后（即敲击点）再掌握下针的深度（工具的选择和力量的大小）。钣金零件材料变形机理相当复杂，有目的的归纳分类可以针对性的采取措施，消除缺陷。依据腹板零件结构特征及翻边孔、加强筋分布情况划分出腹板表面缺陷类型及缺陷分布区域（见图5），可分为两列纵向鼓动、一趟横向鼓动以及零件两侧松动三大校平区域。

图5  零件缺陷类型区域示意

4.7.1 缺陷I精校技巧

缺陷I主要分布在四个区域，表现为纵向鼓动。此处鼓动是由于靠近加强筋端头及翻边孔周边的材料向窝内流动量大，而远离孔的材料几乎没有变化，在受到淬火冷却液时，I处材料缺少支撑纤维易被拉长，从而形成鼓动。

缺陷I解决措施和操作步骤：

1)用铝榔头沿零件长度边缘逐渐向内敲击，锤击点由疏到密，由轻到重，使周边拉紧的材料放松。

2)当敲击每个加强筋端头R的切点外侧时，力度要大，锤击点要密。

3)沿纵向继续向内部敲打缺陷处，直到鼓动的边缘，锤击点疏密的要求和力量的大小视变形情况而定。

4)在锤击零件过程中，借助目视观察、手指按压零件等方式来判断鼓动的排除情况。

缺陷II主要分布在三个区域，表现为横向鼓动。此处鼓动是由于零件中部两排加强筋分布较近，加强筋周边的材料向窝内流动量大，而加强筋之间的材料纤维被迫轻微拉长，同时在淬火冷却液的冲击下，II处材料缺少支撑纤维再次拉长，出现鼓动。

缺陷II解决措施和操作步骤：

1)将零件放置在凹模上并用销钉固定牢靠。

2)自制窄长型橡皮条，尺寸与加强筋凹腔相匹配，将其放入零件加强筋内。

3)用木榔头敲击橡皮条，使II处富裕的材料向加强筋内部流动。

4)用铝锤轻轻地、密集地直接敲击加强筋根部，迫使此处材料与II处中部材料展放一致，消除鼓动。

缺陷III主要分布在两个区域，表现为松动。此处松动是由于零件边缘通过雅高机强制收直后，远离边缘靠近加强筋端头的材料在液压成形中所受的拉应力无法释放，加之淬火的热应力及绑框的方式多方因素影响导致的。

缺陷III解决措施和操作步骤：

1)先用橡皮打板拍击III处松动区域。

2)再用铝榔头沿零件宽度边缘逐渐向内敲击，使周边拉紧的材料放松，使零件内部III处的松动排出，零件边缘相应会出现稍许变长。

3)轻轻地敲击III处每个加强筋端头R的切点外侧，使材料展放，与零件边缘变长程度相当，从而排除松动。

4)最后用橡皮打板再次拍打零件使其贴模。

在整个校平过程中，始终要注意腹板四边的平直，以控制整体的形状，有针对性地消除

鼓动和松动，零件即可平整贴模。

图6  合格的零件结构

5  结论

 针对薄板零件的成形及校平问题提出了全面的解决措施，在不断摸索中掌握了多筋、孔加强结构腹板类零件的成形方法和手工校平技巧，具体表现在：

（1）针对腹板类零件的筋、孔结构特征和分布状况，摸索出一套淬火前橡皮成形加强筋、淬火后橡皮成形翻边孔的最佳组合成形方法，将零件开裂及校形工作量降到最低。

（2）掌握了多筋、孔薄板零件的手工校形技巧，以及鼓包和松动的校平技术，提高了零件成形准确度，生产出了合格的产品。

（3）通过增加自制修正橡皮条，解决了加强筋周围材料的松动缺陷，保证了加强筋成形精度，降低了加工难度。

参 考 文 献

[1] 《航空制造工程手册》总编委会 ，《航空制造工程手册·飞机钣金工艺》， 航空工业出版社，1992

[2] 房世荣主编、工程材料与金属工艺学，机械工业出版社  1994年7月           

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