基于复杂截面的长桁类零件闸压成形技术研究与应用

2023-12-18陈东东王海玲周桢良宫鹏军邓锐成都飞机工业集团有限责任公司

钣金与制作 2023年11期

文/陈东东，王海玲，周桢良，宫鹏军，邓锐·成都飞机工业（集团）有限责任公司

长桁类零件是飞机结构承力件，一般与飞机外蒙皮、地板梁装配连接。一般长桁类零件长度尺寸大，以某型客改货飞机零件为例，最长达4.6m，零件外形尺寸要求精度高、截面复杂，是影响飞机装配的开铆件，因此长桁类零件质量、交付进度直接决定了整个项目的成败。

闸压成形广泛用于钣金零件成形，如单曲度蒙皮零件（机翼前缘蒙皮、尾翼前缘蒙皮），板料折弯成形的零件（V形、U形、Z形等简单截面），这些零件截面简单。当成形复杂零件时，如“几”形截面零件，由于在展开材料计算、成形工艺方法、回弹参数补偿、模具间隙、闸压模具结构等方面并没有积累相关经验和深入研究，导致零件报废、工装多次返修、交付周期延长、零件表面质量差等情况时有发生。

“几”形截面零件特征

“几”形零件截面复杂，装配要求高，零件成形需借用闸压模具闸压成形。零件长度长达1～4.6m，闸压成形时容易出现展开材料计算问题、零件定位困难、成形后取件困难、成形后高度超差、淬火变形量大、校正量大等一系列问题，直接导致工装多次返修、零件报废率高、零件带故障交付、零件延迟交付客户等一系列问题。

“几”形闸压件成形工艺方法设计

“几”形零件成形工艺方法分为“一步成形法”和“二步成形法”，一步成形法工艺流程为：热处理-滚平-成形，二步成形法工艺流程为：预成形-热处理-成形-校正，相较于二步成形法，一步成形法校正量小。由于热处理（淬火）时零件越长，其变形量越大，由此带来的校正难度和校正时间就越长。“几”形零件淬火变形量与零件热处理时长度、入槽方式及操作方式均有关系，无法通过Pamstamp、Dynaform等仿真软件模拟分析变形量及校正时间。

“几”形零件热处理试验件共19件，长度从500mm依次递增100mm到2300mm。热处理试验时，以下试验条件均相同：

⑴均采用盐炉淬火，保证零件入水方式、操作方式均相同；

⑵同一个人校正，19件试验件校正工具、校正方法相同；

⑶试验件逐项从冰箱取出，保证在零件校正时塑性相同；

⑷零件验收依据相同。

通过试验，绘制了“几”形零件长度与校正时间关系曲线图，如图1所示。

图1 “几”形零件长度与校正时间关系图

经统计，各试验件校正时间见表1。

表1 各试验件校正时间

通过验证试验找出了不同长度零件成形主要工艺方法的分界点，当零件长度L≥1800mm时，采用“一步成形法”；当零长度L＜1800mm时，采用常规二步成形法，此时淬火变形量小，易于校正。

零件成形销钉孔设计及展开尺寸计算

销钉孔设计

“几”形零件闸压成形时一度面临无法定位的问题，在研制初期，通过下料、零件成形时自由定位、闸压成形后，再通过普通铣床铣切外形，其工艺流程如图2所示。

图2 工艺流程

采用自由定位，毛坯宽度尺寸较大，成形时阻挡了材料流动，成形效果差。同时，采用自由定位方式在闸压成形后需增加普通铣床铣切，由于零件截面较复杂，装夹不稳定，易划伤零件表面。

创新定位方法，采用“一端圆孔、一端长圆孔”定位方法，如图3所示，保证闸压成形时零件不会侧翻，在保证一端定位的情况下，另一端只需保证板料不会横向移动即可。

图3 一端圆孔、一端长圆孔”定位方法

为减少成形后零件的外形加工强度、提升零件成形及加工质量，需对原工艺流程进行优化，如图4所示。

展开尺寸计算

“几”形闸压件展开尺寸计算采用理论计算法和两段计算法，零件截面尺寸如图5所示。

图5 零件截面尺寸图

⑴理论计算法。

零件弯边按外形展开时，修正值m按下式计算：

m=m1+m2

式中 m1=[2tan-0.01745(90°-M)]R

m2=[2tan-0.01745R(90°-M)]δ

其中 M——弯边斜角值（°）；

R——弯曲内半径（mm）；

δ——零件材料厚度（mm）；

经计算，得出m=3.387mm。

⑵两段计算法。

将图形分为两部分分别计算展开尺寸，如图6所示。

图6 两段式图形

L=L1+L2=[（H/cosM）-m]×2=[(21.5-3.387)×2+26.06]+[16.693×2]=62.286+33.386=95.672mm

在CATIA中钣金设计模块建模并展开，如图7所示，展开尺寸为94.922mm，较计算出的展开尺寸小0.75mm。

图7 建模并展开

下料图形验证

比对结果显示，展开图形的计算结果基本正确，需在实际生产中进行验证。选用零件365-53-00-92374-203闸压模成形，并用其外形样板进行最终外形检查，结果显示，按计算得出的下料图形进行下料并成形，可满足零件的最终尺寸要求。

工装模具结构及具体设计

模具结构设计

由于零件长度最长达4.6m，故考虑用工作台长达5m的闸压机PPEB250/50成形零件。又因为“几”形零件长度L≥1800mm时要求用“一步成形法”，所以零件成形时应该采用弯曲模结构，并用顶件器把零件平稳顶出模具。但闸压机PPEB250/50没有卸料装置，所以只有靠模具自行卸料来代替顶件器的功能。

闸压模具具体设计

因为需要自行卸料，所以要算出顶件力的大小。以零件长度L=1000mm为例计算，经查《飞机钣金模具设计手册》，弯曲力计算公式为：F=(0.7KWt2Rm)/(r+t)

其中 F——弯曲力（N）；

K——安全系数，一般取1.3；

W——弯曲件的宽度（弯曲线长度）（mm）；

t——弯曲件的厚度（mm）；

r——弯曲件的内弯曲半径（mm）；

Rm——材料的抗拉强度（MPa）。

经计算，弯曲力F=100197N；顶件力=0.3F=30059N。

综合各项数据后选择扁线螺旋弹簧中极重载荷用弹簧，每根弹簧外径35mm，自由长度150mm，压缩量为30mm时产生4802N载荷，长度1000mm的零件只需布7个弹簧就能满足卸料要求。

零件成形精度高，弯曲间隙直接选为料厚尺寸t，但是考虑零件取出方便，凸模与凹模之间间隙修正为（t+0.1）mm。实际生产过程中，除了最长4.6m零件外，其余零件均成功生产出合格零件。

经分析发现，生产最长4.6m零件的模具，凸模和凹模均产生变形，变形量约2mm，造成凸模和凹模不能正常工作。为了解决变形问题，决定改变工装结构和加工所用机床。机床改为YJK98S-2000-5025，该机床台面尺寸5000mm×2500mm，机床有顶杆，直径50mm，行程400mm，能满足模具成形要求。

凸模采用了整体铸件结构，大大加强了凸模刚度，如图8所示，基本没有变形生成。凹模采用了分块结构，如图9所示，有效避免了变形的产生。凹模下面悬空部分还增加了支撑杆，增加了凹模的刚度，防止了变形的产生。通过模具改进，最终制造出了满足要求的零件。