水压成型技术在飞机副油箱生产中的应用

施晋生

（空军驻安徽地区军事代表室，安徽 合肥 230022）

飞机外挂副油箱，一般为铝合金大型薄壁气动外形，其气动外形零组件的加工工艺方法一般都采取液压成型、爆炸成型、橡胶胀型等软模（半模）柔性成型工艺，然后将各段焊接，形成整只副油箱。

其中液压成型与其他成型方法相比，具有安全可靠、使用成本低廉、工件品质稳定等优点。水压成型工艺在副油箱生产中已大量使用，技术比较成熟，成型介质为普通工业用水，也比较经济。

本文在总结多年水压成型工作经验的基础上，从水压成型原理、成型设备、成型工艺过程、影响因素分析及解决策略等方面进行阐述。

1 水压成型基本原理

水压成型原理，是利用水介质替代刚性凸模，在水压力的作用下，使圆筒形或圆锥形零件紧贴刚性凹模，以达到产品图纸外形尺寸要求的软模成型工艺方法。

图1是水压成型原理示意图。

图1 水压成型原理示意图

机体1的内壁，为工件所需外形。

工作流程为：

将工件14放入机体1内，盖上盖板12用气缸16的压紧轴15压紧，打开压缩空气阀门11，活塞杆7带动底盘5向上运动，使密封圈6紧压工件下端密封，同时将密封圈2压紧密封。

打开注水阀13往工件内注水，打开排气（水）阀10排气。当水注满时，排气（水）阀10开始排水，关闭排气（水）阀10，继续通过注水阀13向工件内注入高压水，将工件压向机体1内壁。介于工件和机体之间的水、气通过排泄孔4排出。

成形后，关闭注水阀13，打开排气（水）阀10，并将空气阀门11转向，活塞杆7反向运动，使密封圈2和6恢复自由状态，退出气缸压紧轴15，分别将盖板12和工件14取出。

水压成型特点是：

（1）工件成型准确，壁厚均匀，表面光滑。在成型过程中，水压力均匀作用于毛坯上，使毛坯紧贴凹模模壁。

（2）材料及加工成本比较低。

（3）使用介质为普通工业用水（大型工厂可以使用污水处理后的回用水），而且水可以一直循环使用。

（4）适合大型锥形工件、半球形工件、曲母线旋转体形工件等中小批量生产。

（5）需要采取密封技术和配备液压加压泵。

2 水压机设备部件组成和功用

水压机大体上由机体、盖板、活塞组件、管路系统（气路和水路）、操作系统等构成。

（1）机体。机体即水压机的主体部分，其关键就是机体内腔具有设计成零件外形的凹模体。一般采用铸件，只需加工内型腔。机体的设计制造精度，直接影响到水压机的性能和零件的成型精度。在数控技术没有普及以前，机体内腔一般都采取环氧树脂浇铸而成。内腔尺寸受环氧树脂配比、收缩比、老化变形、开裂等影响较大，导致内腔尺寸不合格和密封性能不稳定，经常要多次浇铸才能成功。而且在使用过程中，由于工件焊缝的存在导致内腔受力不均，容易使环氧树脂层产生裂纹甚至成块状脱落。随着数控技术的发展，机体内腔可采用大型数控设备加工，确保了内腔尺寸精度和密封性能，彻底消除了采用环氧树脂浇注所产生的弊端。同时机体也是其他各部分的承载体。

（2）盖板。盖板是零件两端密封装置（活塞）和高压注水机构的承载体。盖板与机体应压紧，压紧方式有气压缸和液压缸两种。气压缸连接方便，结构简单，使用便捷。液压缸结构复杂，需要配备单独的高压液压系统和控制台。目前大都采用气压缸压紧。压紧点一般有3～4个，可根据工件直径大小、胀形力大小和水压机机体结构形式来选择。盖板上部一般都有起吊环，便于起吊。

（3）活塞组件。活塞上下端分别有密封圈和工件进行密封，与内腔相应配合尺寸精度要求较高。高压密封技术，是水压成型关键的技术之一。其中除了密封处的尺寸配合精度要求较高外，密封圈胶料的硬度和压缩性能较为关键。胶料硬度愈高，强度较大，伸长率较小，会造成零件焊接部位密封失败，且密封圈容易损伤；胶料压缩性能较差，会造成成型后活塞杆反向运动时密封圈不能恢复原来形状，使工件难以取出。

（4）管路。其一是气路，用于提供气动保证活塞组件密封和盖板固定。

其二是高压水路，用于加压成型。需要配备一套高压注水系统，重复利用废水时，还需配备一套水循环过滤蓄水系统。

其三是排泄孔。成形时存在着水和气体，成形后将水和气体排出。排泄孔的数量选择，主要根据成型过程中工件与机体内腔间存在的水和气体量。单纯从成型角度出发，多一点会好一点，但由于取放工件时，机体内腔的水会大量外泄，导致注水时间延长，降低工作效率。排泄孔的位置，对成型品质有着很大关系，应与成型速度相呼应。

由于向下分力的作用，工件成型时，上端随着水压力的增加，先紧贴机体内腔，即贴紧面会随着压力的增加往下移动。当移动速度过快时，工件与机体内腔之间的气或水未来得及排出，会使工件外形局部不能完全贴模，特别是在小端密封圈附近影响更大，出现畸形情况。

一般设计时，根据经验考虑排泄孔的数量和位置；使用时，根据需要进行堵塞或在适当位置增加排泄孔。

水压机安装基础，应有良好的排水设施。

（5）操作系统。包括气路控制系统、水压控制系统、排水控制系统、盖板吊起控制等。

3 工艺过程

飞机副油箱外形薄壁旋转体零件成型之前，状态一般都是先将铝合金板料卷制成圆锥台体，并将其焊接形成纵向一条焊缝。成型过程如下：

（1）展开料计算。按照零件两端理论切割线为基准，计算扇形展开料，两端根据水压机成型需要适当顺延增放量。

例如，某产品零件图如图2示：取大端直径为Φ D、小端直径为Φ d、高度为H的正圆锥台，用计算法或作图法得出扇形展开料，两端根据水压机成型需要，适当顺延增放余量（计算公式和作图方法可参见《板金展开技术手册》）。

图2 某产品零件展开图

展开料经卷圆后，采取自动或手工氩弧焊焊接。自动焊接焊缝高度均匀，有利于改善成型时焊缝两边的承压状态。

注意：计算所得的展开料，必须在成型过程中根据零件的成型效果、水压机的密封要求等进行修正，可依据修正后的尺寸制作下料样板。

（2）翻边及脱料设计。由于成型后的零件紧贴内壁，手工取出较为困难。一般可采取在零件上端设置脱料圈。成型前，将零件大端边沿进行翻边（见图3），便于脱料圈脱料。翻边高度应均匀、根部R应偏小，有利于成型时水压机压紧气缸运动压紧端盖。

脱料圈随着盖板向上运动，将零件脱离模腔内壁，再徒手取出零件即可。

图3 零件大端边沿翻边示意图

（3）成型需核算参数。一是变形程度的核算：

胀形系数K=Dmax/Do；

最大切向应变εθmax=ln Dmax/Do

液压胀形时，最大切向应变εθmax不能超过许用应变εa。

变形程度满足核算要求。

二是压力计算：

单位压力，是作用于管内壁上所需单位压力P，可按如下方法估算：

P=2 toσθ/Dmax

to:毛坯壁厚；

σθ为不同变形程度ε θ下的实际应力；

成型压力，考虑到塑性变形回弹，增加约50%的单位压力作为该零件成型压力较为合适，即1.5 P。

水压机额定承受压力，可按估算压力的2倍进行设计，即2 P。

（4）零件检测及切割。采取专用检测划线工艺装备，检测外形和划出两端切割线，再用专用切割设备和切割夹具，按线切割两端余量，完成零件制造。

4 成型工艺影响因素分析及对策

影响水压成型因素比较多，比如材料理化性能、机械性能、毛料样板与水压机的匹配、同批材料的性能均匀程度、水压机的状态、材料冷加工应力、材料焊接应力、焊接品质、焊丝成份等等。故障的表现形式，一般为裂纹和畸形。

经过多年的水压成型工艺摸索，总结几种常见的容易造成批量的故障影响因素和解决措施如下：

（1）原材料性能不稳定。板材的化学成分中某些微量元素含量以及机械性能等，虽然符合标值，但偏向极限，对焊接后的机械性能影响比较大，焊缝强度降低较多，在水压成型过程中，焊缝易产生裂纹，从而使工件无法成型到位。

只能采取预防措施。即每批用于水压成型的板材采购进厂后，应先投试验件，试验件合格后，方可正式投料生产。

（2）焊接品质。因为焊缝两边热影响区域的材料强度略有降低，焊接气孔、焊缝高度超标等缺陷，在水压成型过程中，容易导致焊缝裂开，成型失败。

出现这种故障可采取两种措施：一是前期预防，做好焊前清理、焊接工装维护、焊接操作者技能培训工作；二是后期处理，可加强焊缝表面品质检查，并采取必要的返修措施。

（3）退火不充分，有残留冷作应力和焊接应力。蒙皮在卷圆时，会产生冷加工应力；焊接时，会产生热加工应力，一般不会影响水压成型。但有些材料蒙皮存在较大的加工应力，会导致批量成型失败，因此可以在水压成型前，安排退火工序，意在消除应力，可见退火的工艺参数确定比较重要。

副油箱蒙皮生产中，经常出现这种故障，经过热处理工艺人员的多次摸索，目前确定来取充分退火的工艺搭档。

（4）设备故障。其一，水压成型设备管路漏气、气源压力不符合要求、密封泄漏等，会导致成型不到位。这种情况可通过设备维修和班前设备检查维护来避免，工件可以重新成型。

其二，设备排泄孔位置不合适，会导致成型后存在局部环形不到位现象。这种情况一般在设备投入使用前的调试阶段，通过试验来获得排泄孔的最佳位置。

其三，设备机体表面有异物或成型用水内有异物，会导致蒙皮成型后表面有凹坑或局部型面不饱满现象，可通过清除异物来解决。

5 结束语

通过多年实践，水压成型技术已大量用于副油箱生产，此技术工艺成熟、设备简单，生产成本较低，而且同样适合用于大型薄壁气动外形旋转体的批量生产。

[1]梁炳文.板金冲压工艺手册[K].北京：国防工业出版社，1989.

[2]夏巨谌.钣金工手册[K].北京：化学工业出版社，2005.

[3]王文昌.钣金展开技术手册[K].沈阳:东北工学院出版社，1991.