负角度钛合金飞机蒙皮零件成形工艺研究及数值模拟

何晓健，朱丽，张晓巍，吴伟平，王珏

沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁沈阳 110850

1 序言

由于钛合金质量轻、比强度和比断裂韧度高、疲劳强度高、低温韧性良好、耐腐蚀性能强等优异的综合性能，因此在航空航天、汽车、造船等工业部门获得广泛使用。同时，因为钛合金板材强度很高，因此在常温下成形时变形抗力大，易开裂，回弹严重，成形困难，故多采用热成形工艺进行成形。

本文以TC4钛合金板材的热拉深成形和热成形工艺为研究对象，拟采取两种成形工艺相结合的方式来突破双侧负角度零件难加工、无法脱模的难题。期间设计热拉深模具1套、热成形模具2套，并结合成形工艺仿真来验证该方案是否具备可行性。

2 零件工艺性分析

2.1 零件结构特点

该负角度钛合金零件为某飞机的整流蒙皮，如图1所示，采用厚度δ＝0.8mm的TC4板材成形，零件成形后外廓尺寸约为465mm×350mm×35mm。零件结构有如下特点。

图1 整流蒙皮零件

1）零件外形较复杂，腹板和弯边均为双曲面。

2）零件前端两侧均存在负角度区域（见图2），且角度最小处约为40°（见图3）。

图2 前端两侧负角度区域

图3 负角度区域角度

2.2 零件工艺性分析

1）零件前端两侧弯边与腹板之间均存在负角度区域，且角度过小，无法通过一次成形制备该零件。

2）弯边与腹板之间圆角半径为4.2mm，大于4倍板材成形最小弯曲半径。

3 工艺方案讨论

1）两侧负角度的钛合金槽形零件很难通过一次热成形。外形简单的负角度零件可通过机床的水平侧压装置辅助完成，但大型热成形设备没有侧压装置；部分负角度零件可使用带有将竖直力转化为横向力装置的模具成形[1]，而此零件腹板和弯边均为二次曲面，且夹角为变角度，因此方案不可行。

2）经对数模进行分析，蒙皮零件关于纵向剖面对称，单从工艺角度考虑，可采用左右两侧分段成形，再通过激光焊接为整体的方法进行成形。但该零件设计方案为整体成形，没有焊接信息，且焊接会造成零件性能有一定的下降，焊接变形也需热校形来消除，因此所需模具数量没有减少。

3）采用分步成形法，采取两种成形工艺相结合的方式来突破双侧负角度零件难加工、无法脱模的难题，采取先预成形、再终成形的两步成形工艺方法，即先进行热拉深成形[2，3]，形成没有负角度弯边的槽形零件，然后分别对两侧负角度区域进行热成形，得到最终零件。

4 成形过程模拟

通过工艺方案讨论，分步成形方法工艺性较好，成形精度可以保证，可进行进一步研究讨论。该工艺路线的成形过程模拟顺序为：数模预处理→板料预成形→零件终成形→成形模拟仿真。

4.1 数模预处理

依据零件数模，提取零件外型面，随后识别负角度区域，在零件弯边上负角度和开角之间设置分离面，移除原负角度一侧弯边，随后做出与腹板夹角＞90°的工艺补充面，结合模具的分模面，最终形成预成形模具（即热拉深成形模具）的模面，如图4所示。

图4 热拉深成形模具模面

4.2 板料预成形

板料预成形即钛合金槽形零件的热拉深成形。热拉深模具由凸模、凹模、压边圈和导向板等组成，如图5所示。利用凸凹模和压边圈的吊装棒和压板槽在设备上安装定位，设备顶杆推压边圈上行与凹模夹紧合模，之后凹模、板料和压边圈下行与凸模合模成形腹板和无负角度弯边的形状。

图5 热拉深成形模具模型

4.3 零件终成形

零件的终成形通过使用热成形的方法，对前端负角度区域分别进行成形。热成形模具由上模、下模和导向板组成，如图6所示。共需终成形模具2套，分别对两侧的负角度区域进行成形。

图6 热成形模具模型

4.4 数值模拟

热成形工艺仿真，是利用PAM-STAMP等钣金成形仿真软件，将模具和板料模型转化为有限元模型，通过输入工艺参数和边界条件后，提交计算机进行计算，以云图和数据的形式显示热成形过程和结果的相关信息。工艺仿真可以预测板料成形趋势及各种缺陷产生的位置和程度，可判断工艺方案或工装设计的合理性。

在本工艺方案中，使用PAM-STAMP 2G 2012软件分别对预成形和终成形过程进行成形工艺仿真。

首先，对热拉深过程进行工艺仿真，进行成形仿真前处理，包括热拉深模具和板料模型导入、建立局部坐标系、调整网格法线方向，以及设定上模、下模和压边等成形属性等。

工艺参数方面，设定热拉深成形的温度为750℃，摩擦系数为0.12，压边力为50kN。

其次，选择求解器并进行求解计算，得到计算结果。通过模拟过程可以发现，当凸模刚开始上行10mm时，前端凸模圆角处等效塑性应变开始出现，如图7a所示；当凸模上行20mm时，凸模圆角等效应变分布范围增大，延凸模圆角方向延伸，如图7b所示；当凸模行程为35mm时，凸模圆角等效应变继续增大，凹模圆角处也出现塑性应变，如图7c所示；当上模上行约50mm时，板料完全贴模，应变达到峰值，如图7d所示。在整个热拉深模拟过程中，等效应变均值较小，基本没有产生缺陷的趋势。

图7 热拉深过程等效塑性应变分布

同时，依据模拟结果，热拉深成形后零件厚度分布较为均匀，没有出现明显的减薄或增厚现象，如图8所示。拉深成形力随凸模位移增加呈近似线性增大，如图9所示。

图8 热拉深成形厚度分布

图9 拉深成形力与凸模位移关系

最后，进行负角度区域的热成形工艺仿真。将上一步热拉深成形模拟结果以及热成形模具模型导入到PAM-STAMP 2G 2012软件中并进行前处理，热成形温度设定为750℃，进行求解计算，仿真结果如图10所示。依据模拟结果，零件厚度分布均匀，没有褶皱、破裂等缺陷，贴膜度高，满足设计条件的要求。

图10 热成形厚度分布

5 结束语

通过上述研究，探索了一种利用分步成形的方法制备双侧负角度飞机蒙皮零件。这种分步成形的方法，可有效地解决负角度钛合金蒙皮零件难以成形的问题；同时，采取先热拉深、后热成形的方法，可以提高蒙皮零件最终成形精度，提高产品质量。结合上述二级模拟仿真结果证明，该蒙皮零件成形效果良好，故方案可行。实际成形过程需热拉深模具1套，热成形模具2套。