7050铝合金Z形型材双曲度弯曲成形的研究

文／黎春江·航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司

本文介绍了7050铝合金Z形截面型材弯曲成形的工艺方法，从材料的力学性能、截面特点、模具的设计以及成形工艺参数等方面进行分析，针对成形过程中遇到的问题和难点，提出解决办法，提高成形质量。

在现代飞机零件制造中，很多框缘类和长桁类零件大都采用挤压型材制造，根据结构设计的需要，此类零件多选取L形与Z形截面的型材。而该类零件由于在装配时直接与蒙皮铆接，难免会出现单曲度、双曲度甚至多曲度这样复杂的理论外形，这就需要对型材进行弯曲成形，用以贴合蒙皮外形，保证整个飞机结构外形轮廓的流线，并增加结构强度。因此，型材零件的弯曲成形技术是钣金零件的一种通用的制造技术，而弯曲成形的质量也直接决定了产品质量和飞机的制造水平。

弯曲成形工艺方法包括拉弯成形、滚弯成形和压弯成形。其中，对于弯曲半径较小，曲率变化较集中的零件，多采用压弯成形。本文主要以7050铝合金为例，介绍Z形截面型材的双曲度压弯成形工艺。

成形工艺难点

7050属于高强度可热处理合金，具有极高的强度及抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀断裂的性能，以T76511状态为例，其抗拉强度达到552MPa，厚度为1.6mm时延伸率仅为5%，材料在室温下真实应力-应变曲线如图1所示。材料屈强比较大，硬化趋势偏小，成形过程中变形区的应变不易向邻区传播，容易出现断裂或因成形不充分导致严重的回弹，此外由于Z形截面的结构特点，边会对变形产生抵抗，造成型材截面产生畸变。

图1 7050-T76511铝合金型材材料真实应力-应变示意图

图3 零件外形

以国产某型机机身长桁零件为例，采用7050-T 76511铝合金，型材截面如图2所示，厚度为2mm，长度为1400mm。该零件理论外形（图3）为多曲度带折弯和下陷，零件沿Y轴和Z轴有不同曲度。成形时主要有以下难点：一是7050的材料性能决定了在T状态时应变小，延伸率低，成形容易造成零件产生断裂或回弹；二是零件弯曲半径较小，成形时应力比较集中，也会增大回弹量；三是Z形带弯钩的截面结构会对变形产生很大的抵抗，且工人难以手工成形和校正。

成形工艺措施

材料成形状态的选择

设计选用的7050铝合金在T76511状态时塑性较差，而通过固溶热处理，得到的新淬火状态（AQ），在该状态下的材料屈服强度降低，延伸率大幅增大，塑性增强，从而使成形难度降低，再从生产成本以及生产效率等多方面考虑，决定采用在AQ状态下成形的工艺方法。

工装设计方案

根据工艺特点和工厂的生产条件，模具设计分为上模与下模，上模为凸模，下模为凹模。使用时下模固定在模座上，将淬火后的零件和上模放置在下模凹槽内，通过液压机对上模施加压力，使零件产生弯曲变形。在研究工装结构方案时提出了两套方案，方案一是将零件沿长桁轴线旋转一定角度使弯曲方向与水平面垂直，放入模具进行一次性液压成形，但该方案会使受力点较集中，容易导致硌伤零件甚至断裂。方案二是制造两套弯曲模Ⅰ和Ⅱ，用弯曲模Ⅰ（图4）先成形出一个单曲度，再放入弯曲模Ⅱ（图5）中成形出双曲度，这样零件的受力会比较分散，最后选取方案二作为最终方案。根据成形力和模具结构，选用100t液压机进行成形。

图4 弯曲模Ⅰ结构示意图

图5 弯曲模Ⅱ结构示意图

需要注意的问题

由于7050铝合金在固溶态时的不稳定性，时效后需检测其电导率和洛氏硬度值以验证热处理是否合格，受淬火温度以及淬火时间等综合因素的影响较大，较容易出现实测值超出技术文件规定的验收值范围，导致出现不合格品。对于电导率不符合要求的产品，可进行重复热处理以确保实测值符合要求；对于硬度检测不符合要求的产品，可抽取随炉试样进行机械性能测试，测试结果可代替硬度检测。

存在的问题及解决措施

成形部位两端的变形

在试模过程中发现，由于模具初期设计为上模和下模长度尺寸一致，在使用弯曲模Ⅰ成形时，下模两端作为支撑边，液压机加压后，零件在随上模向下位移的过程中，受到来自上模所施加的压力T和来自下模两边的支撑力F1和F2，处于模具外部分零件不受力。随着上模继续向下移动，压力T逐渐向两端分散，到达底部时，由于增加了一个材料厚度，造成分散的压力T1和T2缺少足够的支撑力，在T1和T2的共同作用下，零件弯曲部位两端发生变形。

图6 成形过程示意图

通过分析变形产生原因，改进模具结构，将上模两端尺寸各缩短20mm，使上模到达底部时两端的压力T1和T2得到支撑，同时，由于零件除弯曲部位外，两端近似于平面，曲度可忽略不计，因此制造了一套校形用的压块，在压弯成形后将模具换成压块直接对两端进行校形，观察成形效果，截面变形已基本消除，零件表面质量良好。

成形后的回弹问题

在铝合金零件的各类成形方法中，回弹是一个不可避免的问题，回弹问题的存在造成弯曲型材的形状及尺寸与设计要求不符，直接影响着弯曲型材的品质，包括外观质量、装配性能和使用可靠性等。现代工艺加工方法通过有限元数值分析、修模等方法，克服回弹，获得精度较高的弯曲型材。

型材弯曲回弹过程可以通过ANSYS或LS-DYNA等软件来进行模拟分析，但分析过程较复杂，需要耗费大量的时间才能获得回弹结果，而且模拟过程中工艺参数的一点点改变就会引起回弹结果的误差，在此我们采用更加直观的修模法来消除回弹。我们选取了一组样件，对成形后的零件回弹量进行数据采集。在零件的成形区域每隔20mm截取一点与检验工装进行对比，记录回弹距离（图7）。

图7 回弹距离示意图

表1所示为弯曲模Ⅰ的回弹距离数值，表2所示为弯曲模Ⅱ的回弹距离数值。根据表中的数据，对模具型面进行优化，根据经验适当修整上下模型面相应尺寸，对回弹量进行补偿，以此获得更高的成形精度。经过修整模具后重新试压观察测量，回弹量已基本消除，符合所要求的公差范围，且零件外形、表面质量均达到技术文件要求。

结束语

7050铝合金在T料状态下屈强比高，延伸率小，不适合在室温下直接成形，而对于尺寸较长的零件，退火后变形较大，需要工人进行大量的手工校形，故本文提出了一种在新淬火（AQ）状态下，选择合理的模具结构和适当的工艺参数，利用修模法减小或消除变形和回弹，从成形质量、生产效率、成本节约等多方面考虑，提出了一种双曲度Z形截面型材成形的方法。当然，这种方法只是为今后相似零件的生产制造提供了一种思路，还有一些需要改进的地方，比如在消除回弹方面，采用软件进行模拟分析，计算回弹量，这样可以避免反复地修改数据，修整模具，且结果也更为精确。另外，今后也可对双曲度一次液压成形的方法进行验证，这就需要对材料性能和模具结构进行更为深入的研究。本文只探讨了铝合金双曲度弯曲成形方法的其中一种，对于其他方法，还需要进行大量的试验论证。

表1 弯曲模Ⅰ的回弹距离数值

表2 弯曲模Ⅱ的回弹距离数值