一种带加强筋槽超薄铝合金蒙皮成形工艺研究

周 军，朱乐宗，钟冬平，徐晏清

(航空工业洪都，江西 南昌，330096)

0 引 言

为满足结构性能要求，某型号舵面系统大量采用带加强筋槽超薄蒙皮， 超薄蒙皮是指厚度小于0.5mm。 一般情况下，板料厚度越薄，则成形性能越差，随着材料厚度的减小，板料的稳定性急剧减弱，成形时就极易产生失稳，出现起皱、鼓动和破裂等成形障碍。同时因该蒙皮材料太薄，强度和刚度较低，为保证零件一定的强度和刚性，设置了加强筋槽，造成零件成形过程中很难满足制造要求。而蒙皮零件制造的好坏，直接影响某型机的研制质量，因此必须十分注重零件成形工艺措施及各工序间的质量控制[1]。

为确保超薄蒙皮成形零件的质量问题，本文对超薄蒙皮的成形工艺性进行了研究，本文对零件采用落压成形和橡皮囊液压成形工艺方法对比分析。确定了带加强筋槽超薄蒙皮成形的工艺方法。 结果表明，对零件采用橡皮囊液压成形工艺能明显改善零件成形质量，生产效率显著提高，降低了制造成本，同时为后续超薄铝合金蒙皮生产积累了经验。

1 超薄蒙皮变形特点及工艺分析

超薄蒙皮零件典型零件如图1 所示，材料LY12，状态为“CZ”料，料厚仅0.3mm。 在蒙皮零件上设置了多个封闭型加强槽，其中加强槽的厚度约4mm，零件的腹板面有拱曲形和平面状双重特征。根据零件结构特点，零件在制造过程中有以下难点：

图1 超薄蒙皮零件示意图

零件材料厚0.3mm，太薄，刚度差，零件在成形过程中不可避免地存在应力分布不均情况，容易引起零件的弹性失稳，使成形后的零件出现大面积的鼓动和翘曲变形(零件很难贴模)；零件外形尺寸较大，同时该零件加强筋槽多，且零件在成形过程中的变形主要集中在加强槽，而加强槽局部成形以胀形为主，并伴有少量拉延成形， 零件在成形过程中可能出现起皱、破裂，质量不稳定等诸多缺陷。

针对以上分析，可以采用落压成形法或橡皮囊液压成形工艺方法。

1.1 落压成形

落压成形是利用落锤的冲击力将金属板料压制成所需曲面零件的工艺方法，其变形方式主要有拉伸变形、压缩变形和拉、压两种变化方式的组合。以拉伸为主的变形方式，板料的成形主要是依靠其纤维的伸长与厚度的减薄来实现[2]。 落压成形具有模具结构简单、使用维护方便及能加工外形复杂且其他工艺方法不能成形的零件， 但落压成形后的零件表面质量差，同时其工作环境和安全性差等特点[1]。

根据零件结构特点，可采用以拉伸为主的变形方式，即下模使用凹模、工作面的形状与零件外形一致。图2 为零件落压成形示意图，首先零件与落压模上模接触成形，随后板料与下模型面逐渐接触，直至最终成形结束，成形结束后，我们发现零件出现大量密集的皱纹，零件容易起皱，中间有鼓动产生，经测量，中间区域最大鼓动深度约12mm， 为改善此类缺陷，在板料的上面垫上一定厚度的层板进行锤击，层板在上模的冲击力下可以压紧毛料，限制上模每次锤击压进的深度，以便最终成形。

图2 零件垫层板落压成形示意图

垫上层板后， 落压成形后的零件仍存在少量皱纹，同时中间鼓动较小，约8mm，后续将零件进行校正，皱纹仍然无法消除。通过进一步分析发现，零件材料较薄，刚度和收缩性能差，当零件落压模的上下模闭合时，局部形成皱纹，皱纹没有及时展开，无法消除；成形过程中零件应力、应变分布复杂，当零件局部受到压应力较大时，容易失稳起皱，拉应力大则容易导致材料变薄严重，易形成裂纹[3]，随着上模与零件加强槽接触，加强槽处应力分布不均匀，且应力较大，零件易起皱，表面质量差。

1.2 橡皮囊液压成形

为保证零件贴模，更有效地控制皱纹的产生和避免产生鼓动，提高零件表面质量，本文提出采用橡皮囊液压成形工艺方法。该成形方法利用橡皮囊作为弹性凹模或凸模，用油或粘性物质作为传压介质，使金属板料在刚性凸模或凹模成形的一种板料柔性成形工艺方法[4-5]，如图3 所示。 该成形工艺方法主要优点体现在：

图3 橡皮囊液压成形示意图[6]

1） 成本低。成形过程中一般仅适用凸模或凹模，节省模具加工制造成本。

2） 成形范围广。 液压成形工艺方法特别适用于对形状复杂、成形性能差的材料零件成形。 对不同厚度（0.1-16mm）的板材零件一般可以一次压成非对称件、斜底件和局部凹凸形的零件等形状复杂的零件[6]。

3） 成形后零件表面质量高， 通过液压成形后零件具有表面质量好、尺寸精度高等特点。 在成形过程中橡皮始终紧贴零件， 可以保证零件表面无擦伤；其次在高压（目前橡皮囊机床最大压力200MPa）和摩擦力作用下，减小零件回弹变形量，改善零件成形质量。

2 工艺方案

2.1 模具结构设计

因零件太薄，加强筋槽多，为保证每个加强筋槽局部能更好贴模，同时避免零件在成形过程中出现起皱和鼓动等缺陷。 液压成形模具所受的压力较大，因此对工作型面、模具工作表面粗糙度等提出了很高要求。图4 为零件成形模具示意图。

1） 模具工作型面与零件理论外形完全符合，同时保证过渡区均匀过渡、如图4 中B-B 剖视图所示，该零件加强筋槽R5/R25/R25 型面一定要保证完全与模具型面符合，特别是加强筋槽R5 部位，否则因材料较薄，很容易产生裂纹；同时为更好保证零件成形过程中不易破裂，要求模具工作表面粗糙度Ra≤0.8um；

图4 液压成形模具示意图

2） 零件在压制过程中， 里面有空气等导致零件筋槽型面成形不到位，零件不容易贴模，严重影响零件表面质量，基于此，根据零件结构特点和实践经验，在模具加强筋槽两端设计一定数量的、 孔径为d≤1.0mm-1.5mm 的排气孔。

3） 模具底面必须保证平整和清洁，因底面若有任何不平或多余物，在高压下都会引起工装变形或破裂。

2.2 下料尺寸的确定

根据体积不变原理，通常理论下料尺寸是以料厚不变，形心不变为假定前提，一般由两部分构成，即在零件按展开尺寸（外轮廓尺寸）的基础上，加上制造工艺留量。 通过对零件工艺分析可知：若该零件下料尺寸比零件尺寸大，零件成形过程中两端受到拉应力的拉伸和局部受到压应力过大， 而且该零件材料较薄，很容易拉裂；下料尺寸过小，零件加强筋槽局部因受到压应力，材料向外流动阻力较大，容易失稳从而造成材料产生大量皱纹。

由于该零件带很多加强筋槽，薄蒙皮零件的结构形式有平面、拱曲面两种。 如图1 所示，该零件有折边，折边角度168°。 通常对该零件折边类钣金件下料尺寸分类计算时，按公式L=A+B+C-X 计算，其中A、B 和C 均为单边长度，X 为材料厚度。 因此该零件下料尺寸长度为1200mm， 宽L=75+185+20+4-0.5=283.5mm，但该下料尺寸未考虑加强筋槽局部变形对零件下料尺寸的影响。

因此，本文提出将零件外形面展开成平面，以此来获得较为准确的下料尺寸。 如图5 所示，该零件加强筋槽分过渡段A、圆角段B 和C。 其中圆角段B 和圆角段C 结构参数相同。 其中圆角段B 展开长度按经验公式[7]（1）计算可得：

过渡段A 展开长度按经验公式[7]（2）计算可得：

其中δ 为零件材料厚度0.3mm；RA=25mm，RB=5mm;K 为弯曲中性层厚度，查表（HB0-45-83）取K=0.446[7]。

经计算， 加强筋槽展开后尺寸L=2EB+EA=2.594×2+26.335=31.523mm。 展开前长度与展开后长度只差e=L-29.6=1.923mm， 其中该零件展开后共有同类型加强筋槽16 个。 因此，根据计算分析，将该零件按外形面展开成平面后长度放大约30mm，下料尺寸约为1230mm×330mm。 考虑零件成形过程中实际特点及销钉孔定位要求，通常将零件下料尺寸均匀放大约30mm-50mm，下料尺寸定为1300mm×400mm。

将零件进行液压成形后，成形过程中零件表面质量好，零件容易贴模，但发现零件筋槽区域圆角段B和C 也出现少许裂纹。

经分析， 导致零件在圆角段B 和C 裂纹萌发主要原因为：①材料下料尺寸不合理，进一步影响材料的流动性。零件的筋槽区域的圆角处在液压成形过程中受到较大的拉应力，进一步导致材料流入圆角段B处和C 处过少，在该区域处容易萌发少量裂纹；②材料为“CZ”料，材料太脆。 根据零件结构可知，腹板面上的材料几乎参与变形，故可根据筋槽区成形前后材料尺寸的变化来近似估算其变形量。 由图5 可知，零件的横向延伸率为：（31.523mm-29.6mm）/29.6mm=3.6%，但对于LY12 材料，在“CZ”状态下极限延伸率是15.6%[5]， 故几乎可导致零件萌发裂纹的原因与材料下料尺寸不合理，有待进一步优化。

图5 零件加强筋槽尺寸图

基于此，可通过增加材料流动性，即进一步控制材料下料尺寸，将零件未成形区域的多余毛料进行修剪，同时对加强筋槽处附近的凸模进行润滑，改善材料流动性。 考虑零件成形过程中的实际特点，为不影响零件材料成形和定位要求，本文将零件此前下料尺寸1300mm×400mm 减小约30mm-40mm，本文最终确定该零件下料尺寸为1260mm×360mm。

3 毛料状态分析

为进一步确定毛料在其他状态的液压成形过程，本文选用毛料状态为“M”和“新淬火”状态，下料尺寸为1260mm×360mm， 零件选液压成形工艺方案进行对比研究。

1） “M”料：下料—去毛刺—液压成形—淬火—校形；

2） “新淬火”料：下料—去毛刺—淬火—液压成形—校平。

成形后发现：“M” 料液压成形后未出现裂纹、褶皱和鼓动现象，零件表面质量高，但经淬火后零件加强筋槽处变形（翘曲）严重，校形后仍无法消除翘曲现象；材料为“新淬火”料零件本身变形严重，有严重鼓动情况产生，零件表面极不平整，随后用校平机对零件进行校平，仍无法完全消除鼓动，同时液压成形后仍然出现翘曲和鼓动，表面质量极差。

基于此，最终确定带加强筋槽超薄蒙皮的最佳成形工艺途径为：选用“CZ”状态板料在橡皮囊液压机上进行橡皮液压成形。

4 结 语

本文对加强筋槽超薄铝合金蒙皮成形工艺进行研究，通过对零件结构特点分析，成形工艺方法确定、模具结构设计分析、零件下料尺寸优化，零件毛料状态分析对比确定了该零件最终的成形工艺， 结果表明： 采用橡皮囊液压成形工艺成形零件后表面质量高，满足制造要求；同时该工艺方法成形零件能降低制造成本，缩短制造周期。 本文的研究成果在超薄铝合金蒙皮成形的实际生产中获得了成功应用， 可为后续超薄铝合金成形制造提供参考。