卡箍零件工艺优化及模具设计

王悉颖，孟文博，高辉，杨文举，周君军，董东岳，翟安平

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

0 引 言

卡箍类零件在航空行业使用较为广泛，是通用化和系列化程度要求较高的标准件之一，通常用于飞机、发动机上各种管路的连接、固定与支撑，也用于电线、电缆的捆扎、固定与安装以及仪器、仪表、成品、附件的安装与固定。卡箍的成形质量影响航空装备的可靠性，对于航空装备的成本和风险控制具有重要意义[1]。

1 零件特点分析

图1所示为卡箍零件结构，主要用于固定导线、导线束用的琴形卡箍，属于安装固定类卡箍，是航空卡箍中应用较为广泛的一种，卡箍零件的年产量达1万余件，该卡箍零件材料为T9A，元素含量如表1所示，由于形状复杂，无法一次成形。

表1 T9A部分元素含量 质量分数

图1 零件结构

2 卡箍零件工艺分析

2.1 原工艺方法

实际生产中，该类零件采用渐切模下料后，芯棒成形卷边→型胎成形曲面→型胎成形右端头，需反复装夹，成形复杂，其成形过程如图2所示。

图2 原始成形工艺

2.2 改进的工艺方法

通过对零件及模具进行分析，零件成形顺序不变：卷边模成形卷边→弯曲模成形中间曲面部分→弯曲夹具成形右边端头。其中较为重要的工序为弯曲成形，板料在弯曲过程中主要存在开裂、回弹及尺寸偏移等问题[2]。弯曲半径越小，板料外层变形越大，若弯曲半径过小，板料外层则会出现开裂现象。其次，弯曲成形属于塑性变形，弯曲过程中伴随回弹现象，需采取适当措施减小回弹。最后，弯曲时坯料产生弯曲变形，与凹模接触位置不断变化，易产生侧向滑移，偏离原来的位置[3]，故在设计时要考虑其间隙及定位方式。

2.3 展开尺寸计算

展开尺寸以中性层长度为准，在弯曲过程中其长度不变。但在变形过程中，零件外层受到拉伸，内侧受到压缩，中性层位置并不在中间，为精准地确定展开尺寸，通常用经验公式确定中性层位置，中性层半径按式（1）计算[4]：

其中，ρε为中性层半径，mm；r为弯曲内圆角半径，mm；t为材料厚度，mm；K为中性层位移系数，与r/t的值有关，通过查表得出该零件K=0.469。

如图3所示，若直线部分长度分别为a、b，钣金件弯曲部分中性层的展开长度l=πρεα/180°，其中，α为弯曲中心角。

图3 展开尺寸计算

展开尺寸L=a+b+l=a+b+=a+b+π(r+Kt)α/180°[5]，参照上述数值在CATIA中绘制零件图，尺寸如图4所示，展开尺寸主要计算图中①、②、③处圆弧长度，再加上直线段处长度，通过公式计算及CATIA展开功能对比，可得出最终展开数据基本相同，如图5所示。

图4 CAD零件图

图5 展开尺寸

3 模具设计

3.1 卷边模设计

由于该卡箍是一个系列，仅尺寸不同，端头卷边部分尺寸相同，因此设计通用卷边模，如图6、图7所示。展开料直接在卷边模Ⅰ上先成形1/4圆弧，再使用卷边模Ⅱ成形至最终状态。由于长度不同，卷边模Ⅱ采用工具销一侧定位和销钉定位2种模式，可依据实际情况调整定位方式。

图6 卷边模Ⅰ

3.2 弯曲模设计

该零件尺寸较小，弯曲力小，适合采用模具一次成形，弯曲模结构如图8所示，两端头设置避让。模柄1采用压入式，上模座4、橡胶5、凸模7、侧压块6通过固定销2及螺钉3连接，推件器14上设置有2个活动销12，可用于零件成形时的定位和紧固。侧压块6、活动凹模8、压缩弹簧13、垫块10被封闭于凹模框9中。静止时，推件器14推动卸料螺钉16与活动凹模8上端平齐，放置零件展开的坯料，活动销12与活动凹模8上端限制了零件的自由度。工作时，压力机滑块带动凸模7下行，先接触零件，滑块继续运动，凸模7挤压推件器14，推件器14挤压卸料螺钉16，卸料螺钉压迫推件器压缩变形，在推件器的反作用力下，凸模7与推件器14将零件压住，此时的模具相当于带顶板的弯曲模[6-8]。凸模继续下行，侧压块6挤压活动凹模8压缩，此时侧压块6的力可分解为Fx和Fy，如图9所示，Fx为横向挤压零件成形的力，Fy为纵向压迫垫板向下移动的力。随着凸模下行到压力机下止点，活动凹模8与凸模7完全闭合，挤压成形零件。零件成形后，凸模上行，压缩弹簧13反弹带动活动凹模8复位，零件从凹模中卸料，完成整个成形过程。

图8 弯曲模结构

图9 侧压块工作时受力情况

4 试验验证

结合以上模拟分析，在1 000 kN的压力机上进行试验，最终通过修整得到符合图纸要求的零件，如图10所示。

图10 合格零件

5 结束语

针对原卡箍成形模具的缺点，对零件进行分析，计算零件较为精准的展开尺寸，对原工艺方法及模具结构进行改进，最终成形合格的零件，提升了零件表面质量及生产效率，该模具结构设计可为类似零件成形提供一定的指导和参考。