7075铝合金Y型材拉弯成形技术研究

文／张策，韩艳彬，王健·中航飞机西安飞机分公司

7075铝合金Y型材拉弯成形技术研究

文／张策，韩艳彬，王健·中航飞机西安飞机分公司

在飞机生产中，拉弯成形主要用于飞机框缘类零件，这些基本都是尺寸大、相对弯曲半径大、变曲率铝合金拉弯零件，它们是组成飞机骨架的受力零件，并直接影响到飞机的外形精度，因此对其外形质量要求很高，目前Y型材的拉弯成形工艺不能完全满足双曲率异形铝合金拉弯零件质量和交付进度的要求。

实践研究表明，拉弯零件的最后形状与加载参数、拉弯模具和型材截面参数、型材材料参数、润滑等众多因素有关，而且非常复杂。为提高材料利用率，降低生产成本，提高零件的成形精度及机械性能，在设计阶段需综合考虑影响回弹、起皱、截面畸变等成形缺陷的工艺参数，在对其进行准确预测的基础上，对制造工艺做出合理优化。

零件成形的技术关键

零件难点分析

框肋缘条为Y型变截面零件，其Y角的角度随着不同位置的变化而变化，且Y型材零件CATIA三维模型中的截面与实际毛坯截面之间存在较大的差异。该零件的毛坯为7075-O态，交付时需热处理到T73，材料的此种状态对应力敏感；主框缘条外表面与机身理论外形配合，立筋面与密封舱球皮连接。单个零件需要同时保证两个复杂双曲率外形，角度、外形流线度要求高；零件厚度呈斜楔变化，根部厚度为6mm，边缘厚度为1.5mm。从该零件的结构特点上看，零件属异形变截面（腹板斜角度渐变）变曲率拉弯零件，零件拉弯成形过程中易产生腹板面起皱、截面变窄及截面畸变等成形缺陷和回弹问题，如图1所示。此外，由于角度、平度的变化，工装不到位，需反复手工校形，因而冷作硬化现象严重。

拉弯成形工艺方案

目前，西飞公司拉弯工艺主要还是沿用传统方法，即根据经验初定拉弯工艺成形方法→试验验证并对工艺参数作适当调整→批量生产，加工时主要采用手动拉弯机床，并凭借机床操作者的个人经验来控制加工参数。与传统拉弯工艺相比，数控拉弯加工过程可重复性高、零件的一致性好，可为拉弯工艺的研究提供可靠的试验数据，这两种拉弯工艺的详细对比如表1所示。

表1 传统拉弯工艺和数控拉弯工艺的对比表

为了提高Y型材拉弯成形的效率及准确度，使用A-7B CNC型数控拉弯机对零件进行试验，设备需确定的参数主要有摆臂速度（即弯曲速度）、拉伸缸速度、紧缩力、预拉伸量、补拉伸量、摆臂角度等，这些参数的确定原则如下：

⑴摆臂速度（度/秒）。拉弯过程中摆臂的速度，按低速选取，选取1或1.5为宜。

⑵拉伸缸速度（英寸/秒）。拉弯过程中拉伸缸的速度，此速度应配合延伸率选取，宜选取0.3或者0.4。

⑶紧缩力。紧缩力的作用主要是消除型材原材料在储存、搬运中产生的变形，并确保拉伸量控制的精确程度，它对成形过程的影响并不大。紧缩力不能通过机床的测试装置自动获取时，可按被拉伸型材的截面积大小来确定。

⑷预拉伸量。拉弯成形的预拉伸过程中材料被拉长的量，这里仅以长度计量，理论上预拉伸量应该以材料屈服强度σs的0.8～1.2倍为系数乘以材料长度来计算，为防止内侧起皱，这里参照屈服极限σ0.2对应变量进行选取。

⑸补拉伸量。拉弯后的补拉伸量，一般按材料拉伸量的1%～2%选取。

⑹摆臂角度。根据采集数据的基础上加1°～2°的角度，使其过弯。

零件成形的工艺方案

工艺流程改进

Y型材零件厚度薄、刚度差，成形过程复杂，成形后的零件不能满足精度要求，需要大量的人工校正工作，不能满足批量生产的要求，为了提高该类零件的生产效率及成形质量，需要为其定制拉弯成形工艺。图2所示为Y型材零件拉弯工艺的制定流程，根据零件数模进行成形缺陷及回弹分析，以此制定拉弯成形工艺方法及工艺参数，并通过有限元仿真技术进行工艺方法的可行性验证，最终完成拉弯零件的试制。

Y型材为开口结构，在成形过程中会由于自身截面的刚度不足而产生截面畸变及起皱等成形缺陷，Y型材毛坯与数模截面之间存在较大的差异，截面角度最大差值为5.16°，在生产中模具是根据数模试制的，造成了毛坯与模具之间的不匹配，并且会导致回弹后零件不能贴模，最终使得零件难以满足质量要求。针对以上问题，所制定的改进工艺主要为截面畸变控制方法和回弹控制方法。

控制回弹量是型材拉弯的主要问题，在Y型材零件的拉弯生产中，拉弯模的外形是按照样板加工的，由于该类零件的相对弯曲半径较大，在残余应力规定下即使尽量增大轴向拉力仍存在较大回弹量。目前，对于变曲率型材通常采用的加载方式是先拉伸后弯曲再拉伸，其加载过程是：首先对型材的两端施加轴向拉力，使横剖面上的应力达到屈服极限，而后施加弯矩使零件贴模，最后施加轴向拉力。在这样的加载条件下，保证了沿型材轴线截面上的应力呈线性分布，减小外层与内层材料的应力差值，从而达到了降低零件回弹量的目的。

对于一般变曲率型材，可采用二次拉弯的方法控制回弹量，二次拉弯的加载方式与加载过程是：采用退火状态的型材进行第一次拉弯（拉弯模不考虑回弹量，拉弯后零件并不贴模）后进行淬火，在此状态下立即进行第二次拉弯。第一次拉弯的加载方式、加载过程与一次拉弯法基本相同。生产实践证实，对于一般的型材拉弯零件采用二次拉弯的效果使成形后的零件更趋近于拉弯模的外形，因此这种方法获得了越来越广泛的应用，缺点是增加了一次拉弯工序。

据此，拟采用的拉弯方法如下。

⑴一次拉弯，采用先拉后弯的成形方式。

⑵二次拉弯，采用“O态首次拉弯（先拉后弯）+淬火+二次拉弯（先拉后弯再补拉）”的成形方式。

通过分析对比上述两种工艺成形后零件的回弹量，确定具体的拉弯工艺方案，如一次拉弯后零件的回弹量满足生产要求则采用一次拉弯工艺进行零件的生产，反之则采用二次拉弯工艺。

截面畸变控制技术

⑴毛坯校形方法。

根据现场的设备情况，提出了Y型材毛坯校形的方法，即采用压角模进行角度校正，校正时将Y型材放置在凹模上，压力机带动凹模下行对Y型材施加一定的压强，使Y型材贴于凹模，凹模截面的角度为零件截面数模的最小角度，在校形过程中Y型材的校形是分段进行的，Y型材毛坯校形方法如图3所示，拟通过对Y型材毛坯角度的校正，减少毛坯与模具之间角度的差异。

⑵填充物及模具形式优化方法。

为了保证成形后零件具有较好的表面质量，蛇形块需取较小的厚度及与型材相匹配的圆角半径，据此采用厚度15mm、倒角R3的蛇形块，其填充情况如图4所示。Y型材为变截面变曲率零件，为了使蛇形块与Y型材相互啮合，蛇形块不同位置的截面角度应与型材的角度匹配，且数模按约300mm的长度分段制造，蛇形块高度与拉弯模协调；蛇形块用钢丝绳串联以防止产生较大窜动，蛇形块长度按数模两端各加60mm选取；拉弯模上应有盖板以防止蛇形块滑出；对蛇形块进行标记，并注明蛇形块中心，在成形过程中以保证拉弯模、蛇形块、原材料三者之间角度的匹配。

数控拉弯回弹控制技术

⑴工艺参数优化方法。

对于Y型材拉弯，影响其回弹的主要工艺参数有预拉伸量、补拉伸量、摩擦因素、成形速度。在回弹控制方面，当型材截面的应力趋于一致时回弹相对较小，所以通过工艺参数优化实现这个目标，就可以减小型材拉弯回弹。

1)预拉伸量，适当加大预拉量，可按屈服强度的1～1.2倍为系数乘以材料长度来选取，这样可以避免拉弯时型材腹板起皱，也可以减小回弹，对于不加补拉的情形，为减小回弹，预拉量可以再加大一些。

2)补拉伸量，为二次拉伸量，可按抗拉强度的0.7～0.9倍为系数乘以材料长度来选取，目的是让截面应力一致，从而减小回弹。

3)摩擦因素，在型材的长度方向，摩擦因素和模具角度共同导致了型材中间截面与两端截面合力的不一致，加大了回弹，因此，尽量地减小摩擦系数是减小回弹的有效方法，如采用石墨、油脂等润滑剂增加润滑。

4)成形速度，回弹与材料的变形速率相关，变形速度越大，回弹越大。因此，为减小回弹，应当采用较低的成形速度。

⑵模具回弹修正方法。

对于截面形状、零件材质、工艺方法均不同的弯曲成形，可以选用不同的弯曲回弹控制措施。目前，弯曲回弹的控制措施主要有模具补偿法、过弯法、拉弯法、加压校正法等。零件拉弯成形后，测量出型材回弹后的引导线，并与零件回弹前的引导线进行比较，利用最小二乘法计算出型材拉弯回弹量，通过正交试验和响应面法，对拉弯模具进行补偿修正。

表2 某型材试样测量数据表

零件成形工艺过程

Y型材拉弯试验主要包括以下流程。

⑴试件准备，根据零件数模长度、夹头夹持零件所需长度、夹头与模具之间所需的间隙计算拉弯试件的长度，并进行下料，测量试件的长度、腹板宽度并做好标距和试件标号，某型材试件的测量数据如表2所示。

⑵试件的角度校正，由于所生产的零件为变截面零件，而原坯料又为等截面型材，且截面角度有较大差距，因此在拉弯之前需采用校角模对型材进行压校。

⑶模具安装，按照安装尺寸要求，确保高度、位置适合零件的拉弯，模具的中线位置与机床的中心位置应重合，安装固定模具。

⑷走模线，完成拉弯夹头轨迹数据的采集，数据采集现场如图5所示。

⑸完成型材试件及拉伸蛇形块（填充物）的装夹。

为了验证不同材料、不同结构填充物对Y型材拉弯成形质量的影响，选取三种蛇形块放置于拉弯模中进行试验，蛇形块材料为尼龙及铝，其实物分别如图6所示，整体式尼龙蛇形块在拉弯过程中由于弧度较大，蛇形块断裂，无法重复使用；分散式尼龙蛇形块加工简单、制作周期短，但使用寿命短、易破碎，不适合用于连续性的批次生产；离散式铝制蛇形块加工精度高、制作周期长，能够保证多批次的连续使用。

⑹设定拉弯成形控制参数，如预拉量、补拉量、摆臂速度等，具体数值如表3所示。

表3 拉弯工艺参数表

零件成形结果分析

采用“首次拉弯（O状态预拉弯）+淬火+二次拉弯（新淬火状态拉弯）”的成形方法，首次拉弯预拉零件弧度，二次拉弯加压后使零件贴模并保压，完成Y型材零件的拉弯，试验所得的Y型材零件如图7所示。通过改进，生产出了符合工程要求的合格零件，解决了Y型材成形中存在的各个问题，并为同类零件的制造及钣金精确化成形研究提供借鉴。