带鼓包复杂异向弯边零件成形工艺研究

文/方继钊，陈根发，郭伟，王勇，胡飞·成都飞机工业（集团）有限责任公司

导 语

飞机因其气动外形需要，通常存在一部分复杂构型的钣金零件。由于此类零件的结构限制，常采用手工成形，但此原始方法成形精度差，报废率高。本文对某复杂异向弯边薄壁零件成形工艺进行优化，以橡皮囊液压成形技术为基础，采用两套型胎以实现零件不同部位的成形方案，借助有限元模拟，预测了局部起皱缺陷，采用局部手工预成形方式以防止起皱产生。研究表明，此方案能够很好地成形出合格零件，相对于传统的手工成形方式，该方法大大降低了劳动者工作强度、零件表面质量大幅提升，可以满足零件批量化生产需要，进一步拓展了此类零件的加工方法，为该类零件成形提供了技术支撑。

在飞机的结构件中，钣金零件约占飞机结构件总量的60%以上，框肋零件作为飞机结构中最重要的一类零件，通常用作翼肋、机身隔框或其他骨架零件，直接影响着飞机的外形精度和结构承载能力，在飞机的整体框架中起着重要的作用。在框肋零件的成形方式中，橡皮囊液压成形技术的应用占到了50%左右。

橡皮囊液压成形技术是利用橡皮囊作为弹性凹模（或凸模），用液压油作为传压介质，使金属板料随刚性凸模（或凹模）成形的一种软模成形方法。国内外关于框肋零件橡皮囊液压成形的研究主要涉及成形原理，理论分析，数值研究，工艺优化等方面。王福东借助数值模拟技术对大曲率凸弯边零件橡皮囊液压成形工艺进行优化；惠小鹏采用有限元分析方法对橡皮囊液压成形回弹进行研究，对模具进行回弹补偿；Asnafi对铝合金板料的凸弯边橡皮囊液压成形进行了理论和试验研究，发现该成形方法的起皱极限是传统冲压工艺方法的几倍；Pravin Kulkarni等人结合试验与有限元仿真技术对2024—O状态和2024—T状态铝合金直弯边橡皮成形的回弹进行了研究。

某型机有一个复杂异向弯边零件，零件腹板面是非常见的平面，存在一定的折弯角度，两个弯边与腹板面均呈负角度，弯边的一端还存在鼓包区域，是目前该型机中最为复杂的框板类零件。本文剖析了该复杂异向弯边零件的成形难点，结合成形难点进行工艺改进，并给出解决方案，通过物理试验对方案的可行性进行了验证。

零件分析

零件结构特点分析

某机型存在一个复杂异向弯边薄壁零件，其结构示意图如图1所示。其构型的复杂程度在于以下几点:

图1 带鼓包复杂异向弯边零件

1)零件中部腹板面并非平直状态，而是中部带有一定的折弯凸起状。

2)弯边I整体呈负角度，且长度方向呈现一定弧度。

3)弯边II整体呈负角度，且一端带有鼓包区域。

零件成形难点分析

通常此类零件采用纯手工成形，虽能成形出零件，但具有以下四个方面的缺点：

1)下毛料，需对毛料进行大量修剪工作后，方可上工装成形。

2)弯边I与弯边II在成形时存在联动效应，需反复平衡成形及校正，才能使两边均贴模，且零件同时存在鼓包和负角度区域，因此成形过程中材料变形量大，应力应变状态复杂，手工成形难度很大。

3)零件两个弯边均呈负角度，成形完毕后，取件不易。

4)零件纯手工成形，表面质量极差，合格率无法保证。

零件成形工艺性分析

框肋零件常常用做翼肋、机身隔框或其他骨架零件，直接影响着飞机的外形准确度和结构承载能力，在飞机的整体框架中起着重要的作用。框肋零件主要采用橡皮囊液压成形，橡皮囊液压成形过程如图2所示。其具有以下优点：

图2 橡皮囊液压成形过程示意图

1）板料减薄量小、厚度变化均匀、成形精度高、具有良好的贴模度。

2）零件划痕、压伤等缺陷少，成品零件表面质量高。

3）模具结构简单，工装制造周期短，符合优质、低成本的精益理念。

4）结合工装的大小及形状，工作台可同时安放多套不同的模具，即一次可成形多个零件，生产效率高。

鉴于该零件的成形难点，表面质量要求较高，且该零件与结构框贴合，对贴模度要求较高。本文结合橡皮囊液压成形的特点，对该零件采用橡皮囊液压成形方案进行了详细的剖析和设计。

工艺方案与成形设备

针对这种复杂异常弯边的框板类零件，最初始采用的方案是纯手工成形，但纯手工成形存在诸多问题，首先操作人员的劳动强度大，再者手工成形的零件表面质量差，成形后需要进行大量的打磨。这样生产的产品已很难满足现代航空制造的质量要求，工艺方案亟待改进。

零件中部腹板面并非平直状态，弯边I与弯边II整体呈负角度，在长度方向呈现一定弧度，且弯边II端头区域有鼓包。从经验来讲，这种情况一套工装是很难成形出合格零件的，所以考虑增设中间过渡成形工序。过渡型胎如图3所示，用于成形零件中间拐角区及弯边I。

图3 过渡型胎I结构

针对此过渡成形过程(图4)，采用ABAQUS进行橡皮囊液压成形分析，设备如图5所示结果显示，如果直接采用过渡型胎I进行橡皮囊液压成形，零件的弯边I可以获得较好的成形效果，但零件中部拐角区域会形成死皱。死皱无法通过校正消除，为避免在过渡成形过程中形成死皱，在过渡成形前需增加一道局部手工预成形工序。

图4 过渡成形有限元模拟结果

图5 橡皮囊液压成形设备

过渡成形后，零件的弯边II及鼓包区域还未成形，采用一套型胎II用于成形弯边II及其鼓包区域，因弯边II呈负角度，型胎II应设计为弯边I躲避，避免零件无法取出，型胎II的结构如图6所示。

图6 型胎II结构

试验验证

通过上述分析，最终确定了该零件的主要成形工艺流程如下：

数控展开下料→手工预成形（拐角区）→过渡型胎Ⅰ成形→型胎Ⅱ成形→中间检验。

通过物理试验验证，按照以上的工艺方案与路线可以制造出贴模性、表面质量等均符合零件技术要求的合格零件，零件实物如图7所示。

图7 零件实物

结 束 语

本文基于橡皮囊液压成形技术，结合物理试验和数值模拟研究了复杂异向弯边薄壁零件的成形过程。结果表明，利用橡皮囊液压成形技术的思路并采用两套型胎辅以局部手工预成形的方式，能够很好地成形出合格零件。相对于传统的纯手工成形方式，该方法大大降低了劳动者工作强度、零件表面质量大幅提升，可以满足零件批量化生产需要，进一步拓展了此类零件的加工方法，为该类零件成形提供了参考。