一种双向曲率曲面零件的成型工艺

曹显嵘　蒲瑾

摘 要：双向曲率曲面零件结构外形复杂、成型困难。在工程样车试制中，若采用整体模具冲压成型，模具制造费用高、周期长，工程样车的生产成本大幅上升，试制周期延长。本文对曲面成型现有主流工艺进行了分析，提出了一种针对双向曲率曲面零件的分段成型工艺，实现了双向曲率曲面零件的合格交付，满足试制需求。

关键词：双向曲率曲面；成型；分段

1.引言

三维曲面零件的曲面按形状可分为三类：柱面，单向曲率曲面以及双向曲率曲面。其中曲面上任意一点的法线都与一轴垂直的曲面为柱面；曲面上任意一点的法线都是朝向一侧的曲面为单向曲率曲面；曲面上任意一点的法线朝向不同侧的曲面为双向曲率曲面。圆柱面就是典型的柱面，椭圆抛物面是典型的单向曲率曲面，马鞍面是典型的双向曲率曲面。

公司某新型动车组项目中，司机室左、右蒙皮3属于双向曲率曲面零件。由于试制周期短，两项零件需选择除了整体模具冲压成型以外的成型工艺。而在其他常用的曲面成型工艺中，采用滚板机的滚弧成型，零件成型方向与滚板机辊轴垂直，因此只适用于加工柱面零件；采用薄板成型机的曲面成型，零件成型方向朝向一侧，因此只適用于加工单向曲率曲面零件。所以在项目试制中，双向曲率曲面零件需要一种新的成型工艺。

2. 零件工艺分析

司机室左、右蒙皮3属于左右对称零件，因此本文只针对左蒙皮3展开工艺分析。左蒙皮3零件材料为2mm厚08AL板，横向和纵向的曲率相反，属于典型的双向曲率曲面零件。

采用滚板机的滚弧加工工艺以及采用薄板成型机的曲面成型工艺，都无法满足左蒙皮3的生产需求。因此本文考虑在左蒙皮3的生产中混合应用两种成型工艺。混合应用存在两种方式：①先薄板成型机曲面成型，然后滚板机滚弧；②先滚板机滚弧，然后薄板成型机曲面成型。对方式①进行验证（图5），发现薄板成型机曲面成型后，零件的已成型位置在滚弧中有部分被压平，且在反复滚弧后出现开裂现象，零件无法成型。对方式②进行验证（图6），发现滚弧后，零件在薄板成型机上曲面成型困难，零件成型质量差。

综上验证结果，方式①容易出现开裂，无法用于生产，方式②成型困难，但有改良空间。因此，本文在方式②的基础上提出对零件进行分段成型的工艺方案，将双向曲率曲面拆分成近似单向曲率曲面，降低成型难度。

3零件分段成型工艺

整个分段成型工艺的流程可编制为：分段下料、曲面成型、调整拼焊。具体内容如下：

3.1分段下料

零件分段的目的是将双向曲率曲面拆分成近似单向曲率曲面，因此在零件分段时，应选择弯曲变形小的方向进行分段，且分段方向的曲面曲率无变化或变化较小时，应采用均匀分段，曲率变化较大时，则应采用非均匀分段。

分段数量越多，每个分段越接近单向曲率曲面，成型质量越高。但是分段数量的增加，意味着后续焊缝增加，装配定位也越复杂。因此，需综合考虑以上因素，选择适宜的分段数量。

零件横向的弯曲变形较小而纵向的弯曲变形较大，因此选择在横向上进行分段。零件从右至左曲率半径逐渐变大，因此零件采用非均匀分段，分段的宽度从右至左逐渐变大。

左蒙皮3为三维曲面，下料前需绘制左蒙皮3的二维展开图，通过UG软件中的“织物展平图样”功能，将零件的三维图展开成二维图。为了便于装夹、减少应力集中、提高成型质量，左蒙皮3在实际下料时在周边预留了至少20mm的余量。

在考虑分段后的拼焊工作量以及满足每段板料近似单向曲率曲面的基础上，将左蒙皮3放量图分五段，按1至5进行编码，并分段进行激光下料。板材下料前的平面度越高，零件加工成型速度越快、成型质量越好，因此下料前板材需进行调平。

3.2曲面成型

每段板料曲面成型时，先使用滚弧工艺对纵向弧度进行成型加工。滚弧半径根据零件最小曲率半径164.9mm选择165mm。然后通过薄板成型机KF665，使用球面模PFW 100T对每段板料进行整体曲面成型加工。在整体加工过程中，模具先以300冲程/分钟的速度冲压板料，使板料整体初步成型，再以600冲程/分钟的速度进行光滑曲面加工，以提高零件表面光洁度。模具冲压板料的位置按近似螺旋形的路线循环变化，由外圈向中心移动，再由中心向外圈移动，如此反复直至最终成型。

3.3调整拼焊

零件曲面成型后，需检验其外形尺寸是否合格，并对不合格的地方进行调整。针对三维曲面零件复杂外形难以检验的问题，本文设计了专用于检验左蒙皮3的工装。工装在设计时，上表面与零件三维模型贴合，因此可通过观察测量工装与零件的间隙大小、工装与零件的边缘对齐程度，来判断该零件尺寸是否合格。

所有分段成型后，按分段编码的顺序放置于检验工装的上表面进行检验，并通过木锤敲打的方式，缩小零件与工装的间隙。调整的时候按照从零件中心到四周的顺序逐步进行。

每个分段调整合格后，根据检验工装的边缘进行划线，割除下料前预留的余量，再进行分段间的拼焊。拼焊时，焊接变形控制是影响成型质量的重要因素。为了减少焊接变形，需采取刚性固定的办法：将每段蒙皮通过点焊的方式固定在司机室骨架上，完成左蒙皮3的组焊。

本文在已有设备和常用工艺的基础上，提出了一种双向曲率曲面零件的分段成型工艺。应用该工艺进行司机室左、右蒙皮3的试制生产，设备成本低，生产周期短，生产零件质量合格，确保了试制项目的顺利完成。