中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 夏 琦
國(guó)際合作機(jī)型S76D研制中,尤其是尾梁部分有多種擠壓角材及 “Z”字?jǐn)D壓型材,要求制取下陷,材料為7075-T6511的擠壓型材,外方標(biāo)準(zhǔn)中要求上述狀態(tài)下的擠壓型材制下陷需熱成形制取。公司目前不具備熱成形制下陷的工藝及設(shè)備,冷成形制取下陷常用于板彎件,對(duì)于擠壓型材類零件采用常規(guī)的制取下陷的工藝及模具,零件根部基本未出現(xiàn)變形。如圖1所示尖角區(qū)域?yàn)橐凰骄€未出現(xiàn)臺(tái)階,即俗稱的塌邊,對(duì)此類問題,一直未得到有效解決。對(duì)于擠壓型材類零件,采用冷成形工藝制取下陷,據(jù)了解同行業(yè)其他廠均存在根部塌邊問題,更何況淬火態(tài)下制下陷,材料塑性不佳,強(qiáng)度又高,基本不可能,對(duì)此無可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
板彎型材由板材經(jīng)折彎等鈑金成形工藝達(dá)到要求的尺寸,與擠壓型材外形的明顯不同在于板彎型材內(nèi)、外折彎角均為圓角,而擠壓型材內(nèi)角為圓角,外側(cè)則為尖角如圖3所示。
圖1 擠壓角材Fig.1 Extruded stock
圖2 擠壓“Z”字型材Fig.2 “Z”exetruded stock
圖3 板彎型材及擠壓型材結(jié)構(gòu)不同F(xiàn)ig.3 Different form of steet stock and extruded stock
所以無論擠壓角材抑或擠壓“Z”型材、“T”型材等,從其結(jié)構(gòu)上分析,可以認(rèn)為均為翼板和腹板的組合,其下陷結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 擠壓型材下陷結(jié)構(gòu)Fig.4 Joggle of extruded stock
擠壓型材下陷制取是由一套凸凹模施加一定成形力擠壓成形的過程,過程如圖5所示。圖5(a)為型材在成形力和模具的反作用力下,端頭開始沿下陷結(jié)束端開始彎曲變形的狀態(tài);圖5(b)為端頭彎曲到一定程度后與下模接觸,在成形力和模具的反作用力作用下,端頭部分和下陷區(qū)域開始沿兩個(gè)不同的方向彎曲成形;圖5(c)為型材完全成形到位的狀態(tài)。
如圖5所示,在型材的翼板面上,成形時(shí)可看作平板件的彎曲成形,整個(gè)下陷變形區(qū)域所受的應(yīng)力和應(yīng)變差異不大,所需的變形力小,較易成形。而在腹板面上,較高的腹板高度,使得這個(gè)邊在成形方向上剛性大,較難成形,且腹板面厚度相對(duì)很薄,產(chǎn)生塑性變形時(shí)很容易產(chǎn)生失穩(wěn),故在整個(gè)下陷成形過程中存在2個(gè)問題:(1)如何在變形過程中使腹板面上產(chǎn)生作用力,使其足以發(fā)生塑性變形,這是下陷能否成形到位的關(guān)鍵;(2)如何使腹板面在塑性變形中不發(fā)生沿厚度方向的失穩(wěn)變形。如圖5所示,零件成形時(shí)受作用力P作用于翼板的上平面,模具的結(jié)構(gòu)必須考慮翼板的下平面能夠產(chǎn)生反作用力N與P產(chǎn)生彎矩,同時(shí)也需要在腹板面底部的下陷起始位置產(chǎn)生反作用力M與P形成彎矩,這樣才能使型材的翼板面和腹板面在P與N、M所產(chǎn)生的彎矩作用下產(chǎn)生塑變而成形。
圖5 擠壓型材成形下陷的基本過程Fig.5 Forming process of joggle of exetruded stock
最初設(shè)計(jì)的工裝,按板彎件的下陷模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的,如圖6示,下模缺少墊塊而使的腹板面的整個(gè)下端面處于懸空不受力狀態(tài),在成形過程中,翼板面受作用力P和反作用力N所產(chǎn)生的彎矩而發(fā)生變形,而腹板面只受作用力P的作用無法發(fā)生明顯的塑性變形,故成形出來的零件只在翼板面上有明顯的下陷區(qū),而在腹板上端面上并未產(chǎn)生塑性變形,并且還阻礙了翼板面靠近腹板面一側(cè)的塑變,造成下陷區(qū)的塌邊現(xiàn)象。
圖6 原模具結(jié)構(gòu)截面示意圖(粉色輪廓線為零件外形線)Fig.6 Section diagram of the die structure
由上述下陷成形過程可見擠壓型材在整個(gè)成形過程中產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變比較復(fù)雜,應(yīng)力、應(yīng)變主要集中在下陷過渡區(qū)。下陷成形的開始階段((a)階段),型材受彎曲力矩(后簡(jiǎn)稱彎矩)的作用,在下陷結(jié)束位置發(fā)生塑變,中性層以上受拉應(yīng)力,長(zhǎng)度方向上變長(zhǎng),厚度變??;中性層以下部分受壓應(yīng)力,伴隨著厚度方向的變厚。在下陷成形的結(jié)束階段((b)階段),變形全部集中在下陷區(qū),此時(shí)型材的端頭接觸下模,由于反作用力的作用,端頭被固定,下陷過渡區(qū)在成形過程中受拉而產(chǎn)生塑性伸長(zhǎng)。
基于上述的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、下陷成形過程的分析,明確了解決擠壓型材下陷塌邊的工藝方案。
基于上述的分析,對(duì)于擠壓型材下陷成形中,為避免下陷塌邊問題,首要問題是保證下陷成形過程中,擠壓型材的腹板面必須始終有一上頂力,與成形力一起作用使之產(chǎn)生塑性變形,同時(shí)還要避免腹板面成形過程中發(fā)生失穩(wěn),為此在模具結(jié)構(gòu)方面,必須增加墊板,保證擠壓型材下陷成形過程腹板側(cè)始終受上頂力,同時(shí)定位間隙適當(dāng),需考慮回彈(回彈量根據(jù)試模情況給出);模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)、完善后如圖7、圖8所示。
圖7 擠壓角材下陷模Fig.7 Die of joggle in exetruded stock
對(duì)于材料為7075-T6511,硬態(tài)下冷成形工藝制取下陷,易出現(xiàn)裂紋,為此依據(jù)SS9213標(biāo)準(zhǔn)中3.4.2.2條,結(jié)合公司關(guān)于下陷成形工藝方法,決定先按AMS2770標(biāo)準(zhǔn)將零件完全退火到“O”態(tài),成形后再熱處理到T6或T62態(tài)。為此完成了相關(guān)的工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。
綜上,對(duì)于硬態(tài)擠壓型材冷成形工藝制取下陷塌邊問題,采用上述措施方法可以解決
針對(duì)上述模具結(jié)構(gòu)中(圖6、圖7、圖8)的幾處關(guān)鍵部位進(jìn)行了改進(jìn)、完善,模具圓角按擠壓型材內(nèi)R偏負(fù)差0.15mm以內(nèi)設(shè)計(jì);模具間隙按腹板面厚度放正差0.2mm以內(nèi)設(shè)計(jì);型材腹板側(cè)務(wù)必保證其下陷成形過程始終有一上頂力,即模具中增加墊板,改進(jìn)后試制零件合格,塌邊問題得以解決,零件符合圖紙要求,通過外方首檢交件。零件試制情況如圖9、圖10所示。
圖9 擠壓角材Fig.9 extruded stock
圖10 擠壓“Z”型材Fig.10 “Z”extruded stock
對(duì)于擠壓型材冷成形工藝制取下陷,塌邊問題在行業(yè)內(nèi)部一直是懸而未決,國(guó)外多采用熱成型工藝并形成相應(yīng)的規(guī)范,公司目前不具備熱成形工藝。
該項(xiàng)目的進(jìn)行過程,通過研究擠壓型材冷工藝制下陷塌邊問題的原因,掌握了擠壓型材冷成形制下陷的工藝方法及模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制點(diǎn);了解7075、6061等擠壓型材及管材類鈑金成形的特殊處理工藝方法的理論依據(jù)及實(shí)踐驗(yàn)證。對(duì)此,在國(guó)內(nèi)同行業(yè)是處于技術(shù)領(lǐng)先,該項(xiàng)技術(shù)適用于多種形式的擠壓型材冷成形工藝制取下陷。