李文欽，朱樂宗，文松濤，曾斌

（1.中國(guó)人民解放軍海軍裝備部駐武漢軍事代表局駐南昌地區(qū)航空軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330096）

0 引言

零件工藝設(shè)計(jì)是將初始毛坯轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的過程[1]。工藝設(shè)計(jì)的好壞直接影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量,在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中占據(jù)重要地位，成形工藝設(shè)計(jì)過程需要綜合考慮零件的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)條件等影響因素[2]。筒型類零件為某一機(jī)型零件，精度要求較高且成形的關(guān)鍵是確保零件對(duì)縫和端頭直線度公差符合要求。該零件具有外輪廓尺寸和相對(duì)厚度大等特點(diǎn)，而且成形工藝方案設(shè)計(jì)過程復(fù)雜且受到多種因素相互影響。為改善筒型蒙皮零件成形后對(duì)縫開口過大或過小和直線度公差過大等缺陷，提高零件表面質(zhì)量，本文對(duì)零件成形工藝措施及各工序間的質(zhì)量控制進(jìn)行了研究。

1 零件成形工藝分析

圖1為筒型防銹鋁蒙皮零件示意圖，圖2為三維數(shù)模示意圖，材料LF6M,厚2.5mm,總長(zhǎng)為1450mm，外徑200mm，內(nèi)徑198mm。該零件后續(xù)需攪拌摩擦焊，其中焊接工藝要求留化銑余量0.5mm，并且要求零件鈑金成形后達(dá)到：對(duì)縫尺寸1mm≤D≤3mm，且對(duì)縫間隙均勻；零件自由狀態(tài)下直線度公差1.1mm/1450mm。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制造中存在以下技術(shù)難點(diǎn):

1）零件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較大，其中δ0.2≥16kgf/mm[3]，滾彎后產(chǎn)生的回彈較大，零件變形較大，精度難以控制；

2）零件成形后直線度公差較大，且零件成形過程中兩端頭有約20mm出現(xiàn)直線段，無法滿足制造要求,如圖3所示；

圖1 零件示意圖

圖2 三維示意圖

圖3 零件成形端頭示意圖

3）后續(xù)零件需焊接，其中零件的對(duì)縫尺寸要求較高（即對(duì)零件的展開尺寸要求），若對(duì)縫尺寸過大，則嚴(yán)重影響零件焊后密封性，極易報(bào)廢；若對(duì)縫尺寸過小，則修銼困難；

4）零件對(duì)縫缺口間隙不均勻現(xiàn)象，容易出現(xiàn)“喇叭口”現(xiàn)象；

5）“化銑”后材料應(yīng)力釋放，影響零件的直線度及對(duì)縫尺寸。

2 零件工藝方案設(shè)計(jì)

2.1 零件成形工藝正交分析原理

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素、多水平的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，是試驗(yàn)優(yōu)化的一個(gè)重要組成部分，是利用正交表來分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法。它是由試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)的，找出最優(yōu)的水平組合[4]。該試驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）能有效解決多因素試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)次數(shù)不多，但有較強(qiáng)的代表性。

3）計(jì)算簡(jiǎn)便、可靠性高、適用面廣等特點(diǎn)[5]。自20世紀(jì)70年代以來，正交試驗(yàn)優(yōu)化的實(shí)際應(yīng)用越來越廣，正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)在飛機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用也日益增多，其基本概念有以下幾個(gè)：

（1）試驗(yàn)指標(biāo)。在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康亩x擇的、用來考察試驗(yàn)效果的特征值稱為“試驗(yàn)指標(biāo)”，簡(jiǎn)稱“指標(biāo)”，也稱“試驗(yàn)結(jié)果”。

（2）試驗(yàn)因素。對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)可能有影響的要素或原因稱為“試驗(yàn)因素”，簡(jiǎn)稱“因素”。

（3）因素水平。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，因素所處的狀態(tài)和條件的變化可能引起試驗(yàn)指標(biāo)的變化，稱各因素變化的狀態(tài)或條件叫作“水平”或者“位級(jí)”,考察指標(biāo)有綜合平衡法和綜合評(píng)分法[6-7]。

本文針對(duì)某型號(hào)筒形零件成形優(yōu)化的目的，即試驗(yàn)指標(biāo)是保證成形后的對(duì)縫尺寸1mm≤D≤3mm，零件自由狀態(tài)下直線度公差1.1mm/1450mm，且滿足零件對(duì)縫間隙均勻等要求。本文采用綜合平衡法進(jìn)行研究，筒型零件成形影響因素很多，根據(jù)此前大批量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)反饋，影響零件對(duì)縫尺寸和直線度公差的主要因素是零件的下料尺寸、下料方向和成形工藝措施，試驗(yàn)因素為零件下料尺寸、下料方向和成形工藝。

2.1.1 零件下料尺寸和下料方向的選擇

零件成形后需進(jìn)行焊接，其對(duì)縫缺口要求密封性較高。其中根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)知其零件下料尺寸對(duì)其對(duì)縫缺口有較大影響，目前下料尺寸及展開圖在蒙皮零件已廣泛應(yīng)用，為了將板材成形成零件或部件，必須根據(jù)零件數(shù)模按照展開樣板畫出展開圖、然后下料,并最終加工成型。筒形蒙皮下料是指在蒙皮板上數(shù)控銑切割出筒形蒙皮的制造毛坯尺寸,下料尺寸一般由兩部分構(gòu)成,即在筒體按外形展開凈尺寸的基礎(chǔ)上,加上制造工藝留量或減掉工藝余量。要想得到準(zhǔn)確的筒體下料尺寸就必須掌握其成型的工藝特點(diǎn)和保證正確的下料。

如圖1所示,零件外徑R=200mm，內(nèi)徑Rq=198mm，通過軟件分析計(jì)算零件按外表面展開長(zhǎng)度L1=1255.1mm，按內(nèi)表面展開長(zhǎng)度L2=1242.6mm，圖4為零件展開后長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[2]：

Rq為回彈前零件內(nèi)表面半徑198mm；RH為零件成形并回彈后內(nèi)表面半徑，t為零件厚度，t=2.5mm，回彈后計(jì)算表面半徑RH=212mm與數(shù)模中零件內(nèi)徑Rq=198mm相差較大。按零件外表面展開尺寸1255.1mm×1450mm，尺寸下料后進(jìn)行滾彎成形后則出現(xiàn)嚴(yán)重過滾；按零件內(nèi)表面展開尺寸1242.6mm×1450mm下料后，零件對(duì)縫尺寸遠(yuǎn)大于3mm。

圖4 零件展開示意圖

零件按 1248（0/+0.5）mmX1450mm下料，對(duì)縫尺寸D≥3mm，容易造成零件報(bào)廢，且對(duì)縫不均勻，容易出現(xiàn)“喇叭口”形狀；若按1250(0/+0.5)mmX1450mm，則對(duì)縫尺寸過小，D≤1mm，后續(xù)零件校正難度較大。

零件的對(duì)縫尺寸和直線度公差在對(duì)成形過程中影響因素較多，根據(jù)前期大量生產(chǎn)反饋，其中下料尺寸和下料纖維方向影響更為明顯。零件下料纖維方向有橫向和異向，當(dāng)零件下料纖維方向與成形方向異向時(shí)，不利于提高零件延展性。同時(shí)成形后對(duì)縫尺寸不均勻，基于此，本文對(duì)零件下料寬度尺寸選1248.5（0/+0.5）mm×1450mm、1249（0/+0.5）mm×1450mm、1249.5（0/+0.5）mm×1450mm 和下料纖維方向進(jìn)行研究。如圖5所示為零件寬度纖維方向。

圖5 零件下料方向?qū)Ρ仁疽鈭D

2.1.2 零件成形方法的選擇

在保證不影響零件表面質(zhì)量和精度的情況下，零件此前成形工藝流程A1:“領(lǐng)料-初滾成形-滾彎成形-化銑-校正-檢驗(yàn)”。其中“初滾成形”和“滾彎成形”是零件成形工序；“化銑”是銑出零件高度為0.5mm臺(tái)階高度。但此工藝方法加工的質(zhì)量難以滿足零件后續(xù)要求,該零件成形工藝方法主要存在以下缺陷：

1）零件銑切后進(jìn)行滾彎成形，“滾彎成形”過程中因材料連續(xù)發(fā)生塑性變形（彎曲），內(nèi)應(yīng)力集中，零件變形回彈較大，即零件對(duì)縫不能很好吻合，對(duì)縫開口大；

2）零件經(jīng)“化銑”后材料殘余內(nèi)應(yīng)力釋放，零件變形較大，進(jìn)一步造成零件的直線度公差偏差較大，對(duì)縫尺寸過大；

3）零件滾彎采用上輥軸壓下量，多次改變輥軸相對(duì)位置和滾彎變形量對(duì)零件變形，但零件在始端和末端各有長(zhǎng)度約20mm不能成形，直線度公差較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.1mm/1450mm要求，校正工作量大；

4）零件因“滾彎成形”殘余應(yīng)力釋放，造成對(duì)縫尺寸較大，同時(shí)后續(xù)經(jīng)過“化銑”，進(jìn)一步加劇了其應(yīng)力釋放過程，造成后續(xù)校正工作強(qiáng)度較大，生產(chǎn)效率較低，嚴(yán)重影響零件交付。

基于上述對(duì)零件采用成形工藝出現(xiàn)的缺陷分析，本文提出零件采用另外一種成形工藝流程，即：A2:領(lǐng)料-排樣-銑切-閘壓成形-化銑-滾彎成形-校正-檢驗(yàn)。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

增加“閘壓成形”工序，安排在“化銑”工序和“滾彎成形”工序前。閘壓成形的作用是克服零件始端和末端約20mm區(qū)域難以成形的缺陷；

零件經(jīng)閘壓成形后直接進(jìn)行“化銑”，一方面可減少零件閘壓成形后的殘余應(yīng)力（應(yīng)力釋放），減輕零件閘壓成形后變形量；

將“化銑”工序”安排在“滾彎成形”工序”前。零件經(jīng)閘壓成形和“化銑”工序后，對(duì)零件直接進(jìn)行“滾彎成形”，取消此次的預(yù)滾過程，此次零件殘余應(yīng)力經(jīng)過一定的釋放，變形回彈不嚴(yán)重，直接進(jìn)行“滾彎成形”，可控制零件對(duì)縫尺寸和滿足零件直線度公差精度要求；因零件殘余應(yīng)力在成形過程中進(jìn)一步釋放，零件后續(xù)校正工作量明顯減輕，生產(chǎn)效率得到進(jìn)一步提高。

2.1.3 因素水平表

根據(jù)對(duì)零件下料尺寸和成形方法的選擇，下料尺寸選擇3個(gè)水平，成形方法選擇2個(gè)水平，如表1所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

選用正交試驗(yàn)表,得試驗(yàn)計(jì)劃表和試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果,見表2。

表1 因素水平表

表2 試驗(yàn)計(jì)劃和試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)零件采用工藝方法A2時(shí)，通過對(duì)比零件下料方向可知（即第7次試驗(yàn)和第8次試驗(yàn)），下料方向?yàn)锽1時(shí)，即零件成形方向與纖維方向一致時(shí)，零件對(duì)縫尺寸最大為2.0mm，自由狀態(tài)下直線度公差1.0mm,；當(dāng)零件成形方向與纖維方向異向時(shí)，零件的對(duì)縫尺寸最大為2.5mm，直線度公差為1.5mm，不滿足制造要求。可知零件下料纖維方向與成形方向一致時(shí)，對(duì)縫尺寸較為均勻；當(dāng)零件下料均采用1450mm×1249（0/+0.5）mm；零件下料纖維方向與成形方向一致時(shí)，對(duì)比零件成形工藝方法A1和A2(即第7次試驗(yàn)和第9次試驗(yàn))，發(fā)現(xiàn)零件第7次工藝試驗(yàn)效果最好，對(duì)縫尺寸變化均勻，直線度公差滿足要求，而第9次試驗(yàn)，零件對(duì)縫尺寸均勻，滿足制造要求，但零件直線度公差較大，為1.5mm，不滿足制造要求。

3 結(jié)論

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法作為研究與處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)方法，可有效解決圓筒形零件成形工藝（及應(yīng)用）出現(xiàn)的問題，為產(chǎn)品質(zhì)量調(diào)整及控制提供了快速、有效的解決辦法。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本文選取綜合平衡法進(jìn)行分析可知：圓筒形零件成形最佳工藝方法下料尺寸按1450mm×1249（0/+0.5）mm且下料纖維方向與零件成形方向一致，且采用工藝成形方法為“領(lǐng)料-閘壓成形-化銑 -滾彎成形-校正-檢驗(yàn)”，零件成形后的對(duì)縫尺寸和直線度公差滿足制造要求，同時(shí)零件對(duì)縫尺寸變化較均勻，滿足焊接制造工藝要求。

結(jié)合本次試驗(yàn)，可以繼續(xù)優(yōu)化方案，比如增加滾彎和閘壓成形工藝參數(shù)并再次進(jìn)行正交試驗(yàn)，或者采用綜合評(píng)分法，找到最優(yōu)參數(shù)組合及成形范圍，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工藝控制的效果。