钣金零件成型工艺及设计分析

孙盘滔

摘 要：现代飞机制造过程中，金属零件主要有钣金零件与机加零件两种。与机加零件相比，钣金零件具有重量轻、强度高、结构简单、易加工及材料利用率高等优点，因此钣金零件在飞机设计及制造中应用得越来越广泛。典型的飞机钣金零件有蒙皮、长桁、框及连接角片等。

关键词：钣金；钣金工艺；钣金设计

1 前言

钣金零件是指通过钣金加工，即金属毛料通过手工或模具施加压力而产生塑性变形，达到所希望形状和尺寸而形成的零件。按照原材料供应状态的不同，飞机钣金零件可分为挤压型材零件、板材零件及管材零件，分别由型材、薄板及管材通过相关成型工艺制作而成。

挤压型材零件主要适用于长桁、缘条、梁、支柱、连接角片类型材零件，按照型材原材料及零件特征，制造时可按照自身工艺能力选择闸压、滚弯、绕弯及拉弯工艺中的一种或几种进行。

板材零件主要适用于平板、蒙皮、框肋、口盖及整体壁板等类型零件，其主要成型工艺有闸压、液压、滚压、拉形及型辊成型。

管材零件主要适用于液压系统、氧气系统、燃油系统、空调系统中使用的各种导管以及部分管材结构零件。

钣金零件主要成型及制造方法包括冲切、剪切、铣切、闸压、液压、滚压、绕弯、拉弯、拉形及型辊成型。

2 钣金零件设计要求

钣金零件设计时，所选的材料不但要考虑其使用性能（如强度、耐疲劳、抗腐蚀等），同时必须考虑材料的可成形性、材料供应商可提供金属材料的品种和规格以及零件制造供应商的设备加工能力；考虑材料性能、热处理状态及零件构型等因素，如可能，最好将零件设计成具有多种成型方法可供选择的零件。

2.1 设计时材料要求

设计时应先了解适用材料的性能及其设计特性。航空钣金零件中，最常用的材料是铝合金，其次是耐蚀钢、低合金钢及钛合金。最终选择的材料应能保证零件满足其服役状态要求，并能最大限度地节约成本。选材时，主要考虑以下因素。

（1）考虑材料对具体制造工艺的适用性及相关制造成本。

（2）考虑制造过程中加工硬化的速率。

（3）在满足强度要求的基础上考虑材料的成形特性。

（4）一般情况下，强度越高的零件越难成形。

（5）选择适航部门批准的材料。

（6）由于硬质合金（如镍、铁及钛合金）成型能力限制，应避免该类材料设计成小公差零件。

（7）沉淀硬化钢应在软状态成形，然后热处理至使用状态。

（8）如果可能，保证弯曲半径尽可能大，通常情况下，硬质合金应选择高温热成形以防止零件产生破裂。

（9）必要时可限制变形量。

2.2 零件尺寸及外形要求

设计时，应保证零件尺寸及外形与最优工艺兼容。

2.2.1 零件尺寸

对于大尺寸的零件，在设计时应在平板区域设计加强槽以增加零件刚度。对于加强槽，可采用落压成形。落压成形后，应采用拉伸以及热工艺消除加强槽处的扭曲变形。

2.2.2 零件外形

零件设计时应尽量满足以下要求，以达到节约成本和加速生产的目的。①零件设计时应尽可能选择常用参数，如弯曲半径、弯曲角、下陷等；②使用大的弯曲半径、更长的弯边长度及更浅的凹槽以降低成形难度；③在满足设计要求情况下尽量选用大的公差；④设计时，确保弯边、减轻孔、加强槽在同一方向成形。

（1）较小弯曲半径成形。对于2024或7075铝合金，设计时如需要使用较小的弯曲半径，应使薄板在软状态下（退火、-O或-W）成形，然后在特定条件下将零件进行热处理至最终状态（2024-T42，7075-T62/T76）。

（2）弯边。弯边设计时，应从以下方面考虑，以节约零件制造成本：所有弯边方向应一致；避免U形弯边设计，如果必须使用，应尽量选择大的公差；避免闭合式弯边设计。

（3）下陷。下陷是指采用压弯工艺，在零件的弯边或腹板上制成台阶，使得零件与相连接的一个零件或多个零件的贴合厚度保持一致，设计时要求如下：尽可能将下陷设计为采用标准工装制造；当下陷覆盖多个零件时，应采用多级下陷的结构设计；相邻两个下陷之间的距离不应小于一定数值；下陷过渡区长度与下陷深度的比值，应保持合理的数值；零件在拉伸状态下，不允许使用小比值的下陷设计。

2.3 成形方法选择

根据零件类型，制造时可选择不同的成形方法。如表1所示为不同类型零件可采用的成形方法。

3 结束语

与普通机加零件相比，钣金零件具有刚度小、重量轻、结构简单、易加工及材料利用率高等优点，因此，在现代飞机设计和制造过程中，大量地使用钣金零件。据统计，钣金零件约占飞机零件总数的75%。由于飞机钣金零件刚度较差，成形过程变形大，因此，在设计时，在满足强度要求的前提下，合理增加零件刚度，适当减小成形难度，降低材料和制造成本，成为航空钣金零件设计过程中的一个重要考虑因素。

参考文献

[1]辛晓叶，罗春红，王浩宇，等.万能钣金冷成型机成型工艺分析[J].新技术新工艺，2015，（10）：14-17.

[2]金宝晨，裴华林.超薄铝合金钣金零件成形技术探讨[J].航空制造技术，2014，（20）：91-93.

（作者单位：中航沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心）