等曲率异向弯边零件自适应定位液压成形技术探究

0　引 言

在航空制造工程中，钣金零件制造是重要组成 部分，钣金制造技术的发展对提高飞机性能、加快 飞机产品发展、降低飞机研制费用具有重要意义 。框板类零件是飞机制造中常见的钣金件，在航空领 域应用广泛，主要是用作连接及机身结构强化。因 飞机对该类零件的需求数量较多，为确保生产研制 进度，提高此类零件的生产效率及成形质量尤为 迫切。

对于采用铝合金薄板制造的框板，目前已知的 工艺方案主要是采用橡皮液压成形。橡皮液压成 形是利用橡皮垫或液压橡皮囊作为凹模（或凸模）， 使用刚性凸模（或凹模）将金属板材加压成形的方 法。橡皮液压成形在飞机零部件生产中应用广泛， 一般用于直线弯边、凸/凹曲线弯边以及各种复杂形 状弯边零件的成形。飞机上的各种框板、肋骨、腹 板、梁、带板、角材等结构件，大部分采用橡皮液压 成形。橡皮液压成形具有设备通用、工艺装备简单、调节方便、生产效率高等优点 。压型模是橡皮 液压工艺中不可缺少的模具装备，利用橡皮垫或液 压橡皮囊加压，使金属板材贴合压型模而成形。因 其制造工艺性好、成本低、周期短，也便于返修，压 型模是飞机钣金零件成形工装中应用最广、数量最 多、效率最高的模具工装。异向弯边钣金框类零 件的传统工艺方案是使用2副压型模分2次液压成 形：第2次在展开毛坯状态先成形零件凹线弯边；第 2次换用另一副模具用盖板保护已成形的凹线弯边 后，再次成形零件凸线弯边。这种“一件两模”的工 装设计方案不仅增加了模具的使用数量，且来回换 装模具耗时耗力、成本高、效率低，无法满足飞机 “短周期、低成本、高质量”的生产要求。成形模具设计在整个飞机钣金制造体系中起 着承上启下的重要作用，快速化、专业化、精确化是 其发展趋势 。

为了实现“短周期、低成本”的科研 生产要求，拟探究1种“一模多件自适应定位”的橡 皮液压成形方案。借助CATIA及PAM-STAMP有限 元分析，通过优化展开毛坯及模具结构参数，实现 在1副模具上同时成形相互对称的2个钣金框类零 件的不同异向弯边。此方案将“一件两模”优化为 “一模两件”，经生产试验验证，该方案模具数量少、 成本低，成形、定位、卸件效率高，零件成形质量高， 操作简便，易于推广。

1　零件及模具分析

1.1　零件分析

现有等曲率异向弯边框板类零件的材料为 7075-O，料厚 1.6 mm，截面形状为“S”状，伞钩状加 强小弯边仅有5~6 mm，零件长度为1.2~2.0 m，腹板 面宽约50 mm，属窄长条形结构零件，如图1所示。该类零件弧形腹板曲率相等 ，腹板面上分布着 自带的 2×φ5.2 mm 销钉孔（XD）和 2×φ2.7 mm 定位 孔（DW），其中定位孔由装配现场协调制作。腹板 面上凹线弯边及凸线弯边均对称，凹线弯边位于弧 形腹板的内侧向下弯曲，凸线弯边位于弧形腹板的 外侧向上弯曲。由于装配环境制约及减轻质量需 求，框板采用了局部铣加工。

由图 1 可以看出，此类零件内弯曲半径为 R3 mm，根据内外半径等料厚原则，外弯曲半径为R4.6 mm，伞钩状曲线小弯边高度尺寸为6.0 mm，减去转 角半径R4.6 mm，小弯边高度直线段仅有1.4 mm，再 加上橡皮液压成形过程中不可避免的产生回弹 ， 6.0 mm小弯边易出现与压型模不贴合的现象，意味 着与框缘水平腹板面保持平行的加强曲线连续小 弯边成形时可能会呈敞开状。零件采用的7075-O铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系 超高强铝合金，主要合金元素为锌，热处理强化能 力显著，具有较高的比强度及良好的抗冲击性能， 已逐渐成为汽车轻量化和航空航天领域重要的研 究对象。7075-O铝合金框板类零件成形后需进行 热处理增加强度，零件在热处理时因瞬时组织应力 的作用产生膨胀 ，由于该类零件结构为窄长条形， 零件变形的趋势是沿最大尺寸方向伸长、沿最小尺 寸方向收缩，使框橼类零件热处理后出现拉长的现 象。该类零件成形时两端头采用2×φ5.2 mm补加销 钉孔定位，热处理后零件拉长变形导致两端头补加 销钉孔位置相对模具产生偏移，无法与模具定位进 行热处理后校形。

1.2　常规模具结构及加工方案分析

异向弯边钣金框板目前采用“一件两模”橡皮 囊液压成形，该工艺方案需使用2副模具，分两步液 压成形：①在展开毛坯状态先成形凹线弯边；②换 用另1副模具用盖板保护已成形的凹线弯边后，再 次成形凸线弯边。具体操作流程如下。

第1次液压成形：将零件展开毛坯放置在压型 模I上，以圆形销钉孔和4×φ5.0 mm直销定位，加橡 皮垫块在液压机上液压成形零件的凹线弯边，即图 1中腹板内侧向下弯边，操作现场如图2所示。第2次液压成形：将凹线弯边已液压成形的零 件从压型模I上卸离，将压型模I搬离液压设备，压 型模II放置在液压机工作平台上，再将凹线弯边已 成形的零件放置在压型模II上，以圆形销钉孔和4× φ5.0 mm直销定位，已成形凹线弯边用带凹槽的盖板保护，加橡皮垫块液压成形零件的凸线弯边，即 图 1 中腹板的外侧向上弯边 ，操作现场如图 3 所示。

综上所述，常规加工方案存在如下缺陷：①零 件成形后伞钩状6 mm加强小弯边呈敞开状，弯曲角 度大于90°，与压型模贴合度差，需手工反复校形；②零件热处理后，两端头圆形补加销钉孔位置偏 移，无法与模具进行合模定位，热处理后校形困难；③成形1个零件需要2副压型模，现场需要放置该 类零件压型模数量多，模具生产成本高、占用生产 空间大，换装模具耗时耗力；④直销定位需依次穿 过盖板、板料、胎体合模定位，其定位孔协调精度要 求高且定位效率低；⑤压型模宽度约150 mm，为窄 长形结构，强度及稳定性欠佳，如考虑模具加宽或 加厚，模具尺寸大且浪费材料。

2　工艺设计

2.1　模具设计

通过以上分析可以看出，常规模具结构及工艺 方案主要缺点是模具数量多且结构不合理，造成生 产成本高，效率低，零件一次成形质量差。基于此， 将“减少模具数量，优化模具结构” 作为主要探究目 标，鉴于框板类零件窄长条形的结构特点，初步预 想“在 1 副压型模上同时成形 2 个零件”的加工方 案，利用 CATIA 制作预想方案的模具结构如图 4 所示。模具含有型胎以及与型胎匹配的盖板，型胎的 截面为T形结构，型胎的上表面宽度大于2个钣金 框板零件弧形腹板的宽度与凹线弯边和凸线弯边 展开之和，约为170 mm，小于常规方案型胎宽度的 1.2倍，型胎含有2个成形工位，型胎内侧为成形零 件凹线弯边的第一工位，型胎外侧为成形零件凸线 弯边的第二工位，与型胎匹配的盖板加工出已成形 凹线弯边及凸线弯边的躲避槽, 躲避槽的高度大于 凹线弯边和凸线弯边的高度。此种结构可以在1副 模具上分2次完成2个零件的外形加工，将其称之 为“一模两件”模具结构。

2.2　成形方案

首先，根据已知框板零件的数模制作2个零件 的展开板料及零件的补加销钉孔，补加销钉孔中心 位于框板腹板面中心线上，距离腹板端头15 mm，补 加耳片为 20 mm×30 mm。按上述“一模两件”结构 模具，将零件1的展开板料放置在型胎的第一工位 上，以零件两端头2×φ5.2 mm圆形补加销钉孔及零 件上自带的2×φ5.2 mm销钉孔定位，将零件2的展 开板料放置在型胎的第二工位上，同样以零件两端 头 2×φ5.2 mm圆形补加销钉孔及零件上自带的 2× φ5.2 mm销钉孔定位，扣合盖板进行第1次橡皮液压 成形，使零件1展开板料的内侧贴合在型胎上表面的内侧沿上，形成零件1的凹线弯边，使零件2展开 板料的外侧贴合在型胎上表面的外侧沿上，形成零 件2的凸线弯边，如图5 （a）所示；第1次橡皮液压成 形完毕后，将盖板与型胎分离，将零件1与型胎的第 一工位分离，将零件2与型胎的第二工位分离，再将 零件1翻转放置在型胎的第二工位上，使零件1的 凹线弯边向上，将零件2翻转放置在型胎的第一工 位上，使零件2的凸线弯边向上，零件均以两端头2× φ5.2 mm 圆形补加销钉孔及零件上自带的 2×φ5.2 mm销钉孔定位，再次将盖板与型胎扣合进行第2次 橡皮液压成形（盖板扣合效果见图4），使零件2展开 板料的内侧贴合在型胎上表面的内侧沿上，形成零 件2的凹线弯边，使零件1展开板料的外侧贴合在 型胎上表面的外侧沿上，形成零件1的凸线弯边，如 图5 （b）所示。

3　工艺优化

3.1　模具参数优化

钣金成形技术是利用金属塑性变形的特点，通 过一定方式对板料施加压力，使其产生塑性变形， 获得所需形状的零件 。钣金件的尺寸精度受卸载 后回弹量的影响，回弹影响最终零件的几何形状， 因此，回弹是模具设计中要考虑的关键因素，也是 板料成形数值模拟的重点和难点。压型模考虑回 弹可改善零件成形质量，最大限度地减小敲修工作 量，特别对料薄、批量大、零件精度和表面要求高的 情况最为适用 。模具制造过程较为复杂，传统设 计及加工方案耗费材料多且周期长，增加了研制周 期和成本。随着计算机技术的迅速发展和有限元 法在塑性成形中的应用，塑性成形过程中的数值模 拟技术已得到迅速发展，为工序方案的确定、成形 过程中不合理现象的预测提供了可靠的理论依据， 对于减少试模时间、缩短零件开发周期、降低零件 开发费用方面发挥着重要的作用。采用数值模拟 技术，精确预测板料成形过程的起皱、回弹和开裂 现象，修正模具参数，是板料成形技术的发展趋势。

从以上分析可知，框板零件6 mm加强小弯边液 压成形后与型胎贴合度差，弯曲角度大于90°，呈敞 开状，需手工反复修整校形。针对此现象，借助 PAM-STAMP 有限元分析软件，按原来常规结构模 具参数建立数值模拟模型，分析小弯边液压后与压 型模不贴合的原因。在PAM-STAMP有限元软件模 拟橡皮囊液压成形过程中，将型胎和设备平台作为 刚体，展开板料作为变形体，橡皮假设为超弹性变 形材料建立模型。模拟动画显示，橡皮在高压的作 用下逐渐包覆板料和型胎，但由于型胎底座高度仅 有25 mm，橡皮垫最终无法将型胎凸曲线一侧完全 包裹，致使零件6 mm加强小弯边无法与型胎贴合， 此现象与生产现场暴露的问题基本相符，如图 6 所示。

根据以上模拟结果，尝试将型胎底座加高进行 橡皮成形模拟验证，结合型胎减轻质量考虑，最终 将型胎底座高度确定为40 mm，模拟验证效果如图7 所示。由图7可以看出，模具结构优化后橡皮垫基本 可以将型胎凸曲线一侧完全包裹，零件6 mm加强小 弯边与型胎贴合度有明显改善，模具参数优化前后 零件成形截面效果对比如图8所示。从图8对比可以看出，型胎底座高度由25 mm 优化为40 mm后，零件6 mm加强小弯边液压成形一 次到位，与型胎贴合度良好，尺寸满足设计数模要 求，无需大量手工成形及校形，因此，将以上模拟数 值应用到“一模两件”设计中，型胎底座高度最终优 化为40 mm。

3.2　展开数据优化

模线样板是飞机从设计到制造之间的桥梁，是 飞机几何尺寸的原始依据，是飞机制造过程中保证 各类零件、组件、部件尺寸协调的主要方式。模线 样板的质量影响飞机制造的质量和新机试制工作 的顺利进行 。在常规方案中，零件按展开样板下 料，展开样板两端头带2×φ5.2 mm补加销钉孔，用于 板料与型胎定位。通过上述分析可知，7075-O铝合 金窄长条形零件热处理后拉长变形，两端头补加销 钉孔位置相对型胎向外偏移约1 mm左右，零件无法 与模具进行定位。

针对此现象，考虑零件两端头补 加耳片在零件成形后要切除，其特征对零件最终尺 寸无影响，借助CATIA软件对零件展开数据补加销 钉孔进行工艺补偿，将2×φ5.2 mm补加销钉孔圆心 向零件内侧偏移2 mm，优化为2×φ8.0 mm长圆形孔 位，使拉长的零件向外侧有一定躲避空间，便于零 件热处理变形后与型胎定位 ，工艺补偿如图 9 所示。

3.3　定位方式优化

常规结构模具定位方式采用直销依次穿过盖 板、板料、型胎合模定位，对三者定位孔协调精度要 求高且定位效率低，增加了零件经过热处理后补加 销钉孔与型胎进行定位的难度。为了实现盖板与 型胎自动快速合模，且零件成形后定位销与型胎快 速分离卸件，结合展开毛坯两端优化的2×φ8.0 mm 长圆形补加销钉孔，将零件两端2×φ5.0 mm圆柱销 改为2×φ8.0 mm半球形带帽台阶销，台阶销高度降 低，无需穿过盖板，盖板对应位置加工圆形销钉帽 躲避凹槽，依靠盖板躲避凹槽与半球形带帽台阶销 配合定位；同理，将用于零件腹板面上自带的 2× φ5.2 mm销钉孔定位的圆柱销改为2×φ5.0 mm半球 形圆柱销，对应盖板位置加工φ5.2 mm销钉孔，优化 后的定位销结构如图10所示。

圆形定位孔与长圆形定位孔配合定位，可依靠 腹板面上自带的2×φ5.2 mm圆形定位孔限制零件板 料与模具型胎的相对位移，依靠零件两端长圆形定 位孔限制零件板料两端头旋转及长度方向补偿变 化，实现快速自动补偿定位，解决了板料热处理后 长度变化引起定位困难的问题。盖板圆形销钉帽 躲避凹槽与半球形带帽台阶销配合使用，可达到两方面效果：一是半球形带帽销钉与带躲避凹槽盖板 配合使用，增大了销钉与盖板接触面积，装模时无 需精准对合，大致确定盖板与型胎位置，即可依靠 盖板重力自适应快速找位合模；二是卸件时因快卸 定位销中部台阶缝隙使其不至于紧贴零件，便于人 工直接拾捡或使用夹钳、螺丝刀等工具达到快卸目 的。同理，盖板2×φ5.2 mm销钉孔与头部半球形圆 柱销也有利于盖板与型胎自动找位对合，定位方式 优化前后效果对比如图11所示。

4　生产试用验证

为了验证“一模两件”结构设计的合理性，在 77000T液压机上实施首件生产验证。具体操作流 程如下：将下模放置在液压机工作平台上，将钣金 框零件1板料放置在型胎的第一工位上（型胎凹线 一侧），用定位销压紧零件，将钣金框零件2板料放 置在型胎的第二工位上（型胎凸线一侧），用定位销 压紧定位，将盖板与型胎扣合，进行第1次橡皮液压 成形，使钣金框零件1板料的内侧贴合在型胎上表 面的内侧沿上，形成钣金框零件1的凹线弯边，使钣 金框零件2展开板料的外侧贴合在型胎上表面的外 侧沿上，形成钣金框零件 2 的凸线弯边，如图 12 所示。

完成第1次液压成形后，盖板与型胎分离，将钣 金框零件1与型胎的第一工位分离，将钣金框零件2 与型胎的第二工位分离，再将钣金框零件1翻转放 置在型胎的第二工位上，使钣金框零件1的凹线弯 边向上定位，将钣金框零件2翻转放置在型胎的第 一工位上，使钣金框零件2的凸线弯边向上定位，再 次将盖板与型胎扣合进行第2次橡皮液压成形，使 钣金框零件2展开板料的内侧贴合在型胎上表面的 内侧沿上，形成钣金框零件2的凹线弯边，使钣金框 零件1展开板料的外侧贴合在型胎上表面的外侧沿 上，形成钣金框零件 1的凸线弯边，其效果如图13 所示。第2次橡皮液压成形完毕后，盖板与型胎分离， 将钣金框零件1及钣金框零件2与模具分离，测量 零件6 mm加强小弯边弯曲角度为（90±0.3）°，零件 弯边光滑顺畅，不需任何手工修整量，按型胎外形 线切割零件两端补加耳片，即可获得符合设计数模 的零件，实现了净尺寸一次成形合格交检。

零件成形过程中，两端采用长圆形补加销钉孔定位，长圆形补加销钉孔相对型胎圆形销钉孔向内 侧偏移约2 mm，使热处理后拉长的零件有一定躲避 空间，避免零件与补加销钉发生干涉，方便零件热 处理变形后定位，该工艺补偿方案达到了预期效 果，如图14所示。零件两端采用半球形带帽台阶销定位，定位销 与盖板下表面圆形躲避凹槽配合使用，不仅实现了 盖板与型胎的快速自动合模，还方便了人工快速拆 卸销钉，缩短了模具装卸时间，提高了生产效率，现 场使用效果良好，如图15所示。经过现场生产验证，框板类零件“一模两件自 适应定位”橡皮液压成形方案的加工效果良好，不 仅工装数量节约了50%，而且减少了工装搬运数量 及次数，加工过程中零件定位、成形、卸件效率都有 大幅度提升，且零件液压后不需手工修整，6 mm加 强小弯边贴合度良好，首件交检一次合格率达到 98%以上。

5　结束语

计算机技术为塑性成形技术提供了高效设计 的发展基础，加快了塑性加工技术从经验向科学化 转化的过程，做到了更精、更省、更净 ，通过探究得 出如下结论。

（1）借助 PAM-STAMP 有限元分析软件对零件 进行了数值模拟验证，探索框板类零件6 mm加强小 弯边与型胎贴合度差的解决方案，最终确定了最优 型胎高度为40 mm。

（2）对于7075-O材料的窄长条形零件，对常规 圆形结构销钉孔进行工艺补偿，将圆形销钉孔优化 为长圆形销钉孔，使热处理后拉长的零件有一定躲 避空间，避免零件与销钉发生干涉，方便零件热处 理后进行定位校形。

（3）零件两端采用半球形带帽台阶销定位，该 台阶销与盖板下表面圆形销钉帽躲避凹槽配合使 用，不仅实现了盖板与型胎的快速自动合模，还方 便了人工快速拆卸销钉，缩短了模具装卸时间，提 高了生产效率，此方案适用于所有带盖板模具。

（4）该“一模两件自适应定位”结构的模具可实 现在1副模具上同时成形相互对称的2个钣金框零 件的不同异向弯边，模具数量减少一半，成形效率 提高了2倍，生产成本低，成形、定位、卸件效率高， 零件一次成形质量高，操作简便，易于推广。

▍原文作者： 乔锋敏， 白 颖， 李 奎， 刘姣姣

▍作者单位：中航西安飞机工业集团股份有限公司

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