支板零件加工方案探究

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摘要：支板类钣金件是飞机上主要构件之一，外形与角盒零件类似，结构简单，但加工困难，成形精度差，报废率高，通常采用拉深成形[1]。在拉深成型过程中，易发生起皱、拉裂等问题[2]。为改善该类零件的成形精度，并提高表面质量，进行支板类零件加工方法研究及应用。以生产现场选取的一件支板类产品为例，探讨零件技术要求、研制技术方案并总结创新点，研究提高支板类零件加工合格率的方法，制作一套弯形工装，最终固化推广整个过程的加工经验。

关键词：支板类；钣金；弯形工装；固化推广

一、项目来源

产品支板为某型飞机线缆整治过程中的改装项目，属于车间研制项目。目前，板材成型技术越来越广泛地应用于航空航天领域，大量新工艺板材得到广泛应用，改进现有成型工艺来推动板材成型制造技术的进步具有重要意义。支板（见图1）属于形状复杂且尺寸较大的钣金类零件，最大拉伸深度42mm，长度接近600mm，该零件在90°弯曲边缘伴随着板料翻边成型，并且该零件存在斜度压筋成型，加工难度极大。车间首次加工此类钣金零件，无此类零件模具设计及加工方面的经验，接到生产任务后，车间立即组织高技术与高技能人员成立项目攻关小组，开展该产品的研制工作。

二、研制技术方案

（一）研制思路

首先项目组分析了产品图样并绘制三维数模（见图2），方便组员对产品形状有更直观的概念和理解，然后依据产品的结构特点，初步讨论确定产品的加工工序：第一，完成整体外廓形状拉伸；第二，完成斜面及R3位置压筋加工；第三，完成“鹅蛋”形凸面拉伸；第四，进行90°弯形加工。由于该零件存在拉伸深度深达42mm的深拉延成型特征，在零件出现高度差的部位极易产生开裂，所以项目组把整体外廓形状的拉伸放在首位攻克，外廓形状成型后，后续弯型加工才会顺利进行。

（二）研制流程

项目组按照确定的加工思路进行生产研制。1.整体外廓形状的拉伸。根据初步整体外廓形状拉伸的三维数模，来计算毛坯料的尺寸及形状。根据该零件存在斜度压筋成型并且最终成型形状与水平面呈直角，分析得出毛坯料右半部分与竖直方向呈一定角度。采用对毛坯留量的方式对翻边成型及拉伸成型原始毛坯尺寸进行计算，最终确定该零件毛坯形状。根据初步整体外廓形状拉伸的三维数模利用三维软件按零件三维数模快速设计出凹凸模具，然后根据该展开料外形尺寸确定模具的定位、间隙以及阴阳模的深度尺寸[3]，最后确定合理的导柱位置。模具，见图3。拉伸后出现撕裂、褶皱和堆料、拉扯现象（造成拉伸后该部位缺料）。经多次试验后发现，裂纹大体位置固定，但撕裂方向多有不同，褶皱和堆料、拉扯部位基本固定。针对上述问题，项目组提出了一系列的修改方案，总结如下：一是拉扯部位增大展开料尺寸，同时加装展开料固定销；二是对于褶皱部位，提高油压机压力，增大压合力[4]，使板料平整；三是对于裂纹部分，采用多次拉伸方法，同时针对每次拉伸后会由于金属内部晶粒间位错塞积而产生硬化的现象增加热处理去应力工序[5]使金属内部晶粒进行再结晶，消除晶粒间位错的塞积，消除加工硬化；四是成型前在凸凹模间涂抹机油起到润滑作用，以便于板料在模具间流动，改善板料的流动性。更改后继续进行拉伸试验加工，褶皱部位和拉扯部位有明显改善，可以满足产品技术要求，但断裂部位几乎没有改善，经仔细观察，断裂部位材料因拉伸变薄，拉伸深度过深，材料补充不足，从而导致出现撕裂现象。对于这种情况，项目组对产品的材料进行了性能分析。该产品设计材料为LY12-M，厚度1.2mm，拉伸深度超过材料本身拉伸极限，如采用弯形填充方案，则会出现严重堆叠现象，拉伸或弯曲方法均无法完成产品成型。其他加工方式能否完成加工？该产品技术要求中允许焊接成型，能否通过将裂纹部分剪裁掉，并通过焊接方式完成产品的成型加工？通过问询和资料查找，LY12-M材料为铝—铜—镁系中的典型硬铝合金，其成分比较合理，综合性能较好。很多国家都生产这个合金，是硬铝中用量最大的。该合金的特点是强度高、有一定的耐热性，可用作150℃以下的工作零件。温度高于125℃，2024合金的强度比7075铝合金的还高。热状态、退火和新淬火状态下成形性能都比较好，热处理强化效果显著，但热处理工艺要求严格；抗蚀性较差，但用纯铝包覆可以得到有效保护；焊接时易产生裂纹。经过充分论证，最终决定采用LY16-M材料，该材料是一种耐热硬铝，其特点是：在常温下强度并不太高，而在高温下却有较高的蠕变强度，无挤压效应，可热处理强化，焊接性能良好，形成裂纹的倾向不太显著，焊缝气密性较好，但焊缝腐蚀稳定性较低。为防止腐蚀，应采用阳极氧化处理或涂漆保护。主要用于在250℃—350℃下工作的零件，常温和高温下工作的焊接件，如容器、气密仓等。通过毛坯料预先铣制开口后经焊接方式进行最终成型加工，并且该种材料符合零件技术要求，可以应用于生产制造。明确焊接补充加工方案并更换材料后，需要经过多次试验拉伸加工来确定最合理的展开料形状尺寸，并通过增加止裂孔、裂纹随形开槽等方式，确定最终展开料，此时成型的产品无多余撕裂现象且焊接补加工部位最小、最优。2.斜面及R3位置压筋加工。根据第一步弯形后的形状尺寸来确定第二部压筋模具的定位和间隙尺寸，然后确定合理的导柱的位置。3.完成“鹅蛋”形凸面拉伸。针对该凸面位置的压型：根据前两步弯形后的形状尺寸来确定最后一步压型模具的定位尺寸及导柱位置。最后设计导柱时，要特别注意导柱的位置不能与压型后的工零件产生干涉，避免导柱位置不合理对模具使用效果产生影响。4.进行90°弯形加工。拉伸部位全部完成后，进行90°弯形加工，该加工过程无难点。5.下焊接补片进行焊接加工。依据拉伸后形状裁制焊接补片，通过前期多次试验，发现展开料尺寸与定位方式的改变可有效控制拉伸后的缺口形状，在该形状确定后补片可进行批量加工。然后进行焊接加工，焊接加工后钳工进行打磨，使焊疤平滑光顺，同时裁剪多余坯料使零件尺寸符合要求。最终成型结果，见图5。研制完成后，将最终的压型模具和展开料尺寸进行定型，并落实到加工工艺和模具设计图纸中。

三、难点与创新

（一）模具设计思路上的创新

根据以往对此类拉伸模具设计上的经验，小组成员首先采用的思路为先对42mm深度进行拉伸，然后再对其进行其余部分的弯形加工。根据上述思路我们对模具进行了设计和制造，但在经过实验后发现这种模具在进行拉伸的过程中由于材料拉伸率不足的原因非常容易产生裂纹和堆积，虽然裂纹的位置比较集中，但是裂纹形状不是固定的，也没有什么规律可言，这样就会对后面的焊接造成很大的困难，很难进行后续批量生产。小组成员在总结上述模具失败原因后大胆创新，将先拉伸后弯形的传统加工思路转变为拉伸和弯形同时进行，并对模具和毛料尺寸进行相应调整，通过试验寻找裂纹状态和位置规律，运用增加止裂孔的方式固定裂纹状态，不仅保证焊接工序顺利完成，也使补焊片尺寸定型，可以满足后期批量生产要求。

（二）零件的研制及生产方面的难点与创新

1.在模具使用方面的难点。该产品首步拉伸加工使用的模具尺寸较大，上下模板尺寸均为80mm×600mm×400mm，即使采用了密度较小的铝合金进行加工，但两块模板相加重量可达108kg，单名操作者无法单独完成加工，零件压型过程中至少需要由两名操作者配合完成，这给操作增加了很大麻烦和危险性。针对以上问题，后续可增加托架或与压力机上下模板固定或在凸凹模非工作部分铣出缺口已减轻重量的方式进行改造，同时为了便于开启模具，也可在凸凹模四角处铣出撬模角，更方便和安全地进行加工操作。2.试验和确定展开料尺寸的周期较长。从接到任务到第一件产品交付进行装机试用共经历了两个多月的时间，其间进行了百余次的试验，每次试验都针对结果对模具和展开料尺寸做出相应调整，最终经过车间各级人员的通力配合成功制造出了满足各项使用要求的产品，形成了该产品的批量生产能力。

四、项目应用及推广前景

目前该产品已完工入库，加工过程中所使用的模具效果良好，可以满足产品图纸和技术要求中的各项指标。产品满足了某型飞机支板的急需，使修理进程顺利进行。此项目负责人通过文献查阅、实践研究，自主解决了高难度复杂钣金零件的创新尝试[6]。项目的成功经验推广后，将在以后的类似零件加工问题中起到很大的指导作用，有效提高问题的解决效率。同时，通过项目也锻炼提升了车间人员解决疑难问题的能力、带动了技术人员对拉伸模具设计、金属材料特性分析、焊接技术、三维建模技术等方面知识的学习热情。此外，项目进行过程中也发现一些有待继续改进的问题，比如，可通过拉伸模具设计的细节完善性缩短制造周期，提前做好金属特性分析工作，从而明确设计思路方向，多增加些理论研究和模拟计算加工，以减少材料的浪费，减少研制成本等。

参考文献：

[1]濮良贵.机械设计-5版[M].北京：高等教育出版社，1989.

[2]孙开元，张丽杰.常见机构设计[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3]王宇.机械自动化技术应用现状与发展前景分析[J].决策探索（中），2018（02）：51-52.

[4]秦泗吉.盒形件多点常力压边拉深模设计[J].金属成形工艺，2002，20（05）：55-56+59.

[5]郎利辉，孟晓峰，康达昌，等.充液拉深超高压压力控制系统关键技术的研究[J].塑性工程学报，1998（03）：80-87.

[6]邢忠文，杨玉英.盒形件拉深时法兰变形区的剪应力与剪切变形[J].材料科学与工艺，1993（01）：82-87.

作者:王治安 郜达理 王洋 单位:大连长丰实业总公司