预拉伸量对2024合金型材拉弯结果的影响

杭天明，窦志家，景 畔，董 颖，祝 哮

(营口忠旺铝业有限公司，辽宁 营口 115000)

大型挤压型材弯曲成形零件是构成飞机骨架的主要结构件，在飞机上所占比重相当大，其成形质量直接关系到飞机的装配精度和使用寿命，成为影响飞机研制及保证飞机性能的技术关键，也是影响飞机制造周期、成本和效益的主要因素之一[1]。因此进行拉弯工艺的研究对提高飞机拉弯件的质量和加速飞机拉弯件的国产化进程有着十分重要的意义[2]。2024铝合金是一种可热处理强化的铝-铜-镁系合金，该合金具有优良的机械加工性能，可获得各种类型的制品，是航空工业中应用最广泛的铝合金[3-6]。本文通过多组拉弯对比试验，确定不同预拉伸量对航空用高强度薄壁厚2024合金型材拉弯结果的影响。

1 试验方法

型材挤压所需的2024合金铸锭采用半连续铸造工艺进行铸造，铸锭规格为φ247 mm×720 mm，其成分满足SAE AMS QQ-A-200-3标准要求，如表1所示。铸锭经均匀化处理后，采用20 MN高精密单动反向挤压机进行挤压生产，获得“y”型截面高强度薄壁厚飞机骨架型材，壁厚最薄处为1.8 mm，型材截面如图1所示。

表1 2024铝合金美标化学成分(质量分数，%)

图1 型材截面示意图

型材采用1级立式淬火炉进行固溶处理，固溶温度控制在488～499 ℃，保温时间不少于50 min。固溶处理后将直型材快速转运至-20 ℃低温冷藏环境以保持零件的固溶状态，贮存时间不超过2 d，取出后在30 min以内完成拉弯试制。

型材拉弯所需设备采用美国A-7B三维数控型材拉弯成形机，拉弯模具在工作台上固定，采用变力包覆和补偿拉伸，设备示意图如图2所示。

图2 设备示意图

试验分为5组，每组5支型材共25支型材进行试验。用固溶后预拉伸处理来替代固溶后张力矫直处理，通过刻度法对不同预拉伸量进行控制，其他可控变量不变，具体试验方案如表2所示。试验完成后，采用理论弧检具测量零件的回弹偏差，通过大理石平台检测底平面褶皱情况，型材回弹量及褶皱结果取每组5支型材数据平均值。

表2 固溶状态拉弯试验方案

2 试验结果

各组试样出现不同程度褶皱及断裂现象：当预拉伸量为1%时，第一组5支试样内侧均出现明显褶皱；当预拉伸量为1.5%时，第二组2支试样未出现褶皱情况，3支试样内侧局部出现轻微褶皱现象；当预拉伸量为2%时，第三组5支试样内侧均未出现褶皱现象；当预拉伸量为2.5%时，第四组5支试样内侧均未出现褶皱现象，但是在拉弯过程中有3支试样在钳口处发生断裂；当预拉伸量为3%时，第五组5支试样在预拉伸过程中均在钳口位置发生断裂，因此无回弹量数据。

试样在拉弯过程中，不同预拉伸量其拉弯效果也存在较为明显的差异，不同预拉伸量与拉弯后回弹变化趋势如图3所示。回弹量值均为每组型材回弹量平均值，其中第五组5支试样在预拉伸过程中断裂，因此无回弹量数据。

图3 不同预拉伸量与拉弯后回弹变化趋势

3 分析与讨论

目前型材拉弯工艺多采用二次拉弯成形，工艺过程为：退火状态材料预拉伸→弯曲至零件贴模→淬火→拉弯二次贴模→补拉伸。在我国现阶段航空钣金领域，此类拉弯工艺方法外加手工校形仍普遍用于飞机框缘等产品的制造。但是二次拉弯成形中间工序较多，制造成本较高，周期较长，甚至会导致型材截面变形，影响产品装配精度。

针对上述问题，本次试验采用一次拉弯成形，工艺过程为：退火态直型材固溶处理(W状态)→预拉伸(预拉伸量1%～3%)→弯曲至零件贴模→补拉伸。相较于二次拉弯成形具有制造周期短，而且中间工序较少，型材产品一致性较好等优点。拉弯过程中型材受力变形过程为：首先预拉伸型材至屈服附近，用以替代固溶后张力矫直过程，并且预防型材内层压缩起皱；然后，两拉弯夹钳按照预先设定的数控轨迹将型材拉弯贴靠模具；最后，为了控制型材回弹，再次进行拉伸完成型材补拉伸。型材受力变形过程如图4所示。为了减小模具与型材间的摩擦，模具表面涂油脂进行润滑，改变摩擦系数。

图4 型材受力变形过程

对比分析多组拉弯试验结果：拉弯卸载后，型材回弹量随着拉伸量的增大逐渐减小，并表现出非线性相关。这是因为随着预拉伸量增大，型材所受拉力加大，材料进入了塑性变形阶段，应力应变曲线的斜率迅速减小，如图5所示。当预拉伸量≥2%时，型材内侧褶皱消失。这是因为在预拉伸力的作用下，型材所有纤维层均进入塑性状态，在后续的弯折过程中，型材外层产生更大的塑性变形，内层则受到压应力影响进入弹性卸载过程，或是反向塑性压缩变形[8]。当预拉伸量较小时，在拉弯过程中会产生反向塑性压缩变形，型材薄壁特性使得内侧底平面在弯折过程中极易出现金属堆积现象，进而出现褶皱现象。随着预拉伸量提高，在弯折多过程中逐渐由塑性变形向内层弹性变形转化，使得型材内侧底平面褶皱逐渐消除。

图5 实际工程拉伸曲线与线塑性曲线对比示意图

当预拉伸量大于2.5%时，型材在预拉伸及拉弯过程中钳口处易出现断裂现象，断裂原因为：1)型材样件最大壁厚不超过3 mm，当预拉伸量过大时，为防止拉弯过程中出现试样脱落现象，需加大钳口夹持力，则会导致型材承受过大剪切力，从而产生断裂；2)拉弯钳口夹紧位置受力不均或钳口夹紧位置尖锐，当拉伸力增大时，导致夹紧过程中型材产生裂纹。

根据试验结果可知，为获得合格产品，在高强度薄壁厚2024合金型材拉弯生产过程中，需选择合理的预拉伸量保证生产设备及过程参数稳定，并根据型材拉弯回弹量反推出拉伸模具需补偿的回弹量，从而提高生产效率。

4 结论

1)航空用高强度薄壁厚2024合金型材拉弯卸载后回弹量随着预拉伸量增加而减小，型材内侧褶皱情况随着预拉伸量增加逐渐改善直至完全消失。但是，预拉伸量过小将导致型材起皱，预拉伸量过大可能导致型材减薄、截面畸变、褶皱、裂纹甚至断裂。因此，合理的预拉伸量选择尤为重要。

2)2%的预拉伸量有利于航空用高强度薄壁2024合金型材W状态拉弯过程中回弹量的稳定控制，便于模具设计时预留补偿回弹量，且所需预拉伸力适中，消除内侧褶皱的同时保证拉弯过程型材不易发生断裂。可保证生产稳定性并提高型材成形精度及实际生产效率。