杭天明，竇志家，景 畔，董 穎，祝 哮

(營口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧 營口 115000)

大型擠壓型材彎曲成形零件是構成飛機骨架的主要結構件，在飛機上所占比重相當大，其成形質量直接關系到飛機的裝配精度和使用壽命，成為影響飛機研制及保證飛機性能的技術關鍵，也是影響飛機制造周期、成本和效益的主要因素之一[1]。因此進行拉彎工藝的研究對提高飛機拉彎件的質量和加速飛機拉彎件的國產(chǎn)化進程有著十分重要的意義[2]。2024鋁合金是一種可熱處理強化的鋁-銅-鎂系合金，該合金具有優(yōu)良的機械加工性能，可獲得各種類型的制品，是航空工業(yè)中應用最廣泛的鋁合金[3-6]。本文通過多組拉彎對比試驗，確定不同預拉伸量對航空用高強度薄壁厚2024合金型材拉彎結果的影響。

1 試驗方法

型材擠壓所需的2024合金鑄錠采用半連續(xù)鑄造工藝進行鑄造，鑄錠規(guī)格為φ247 mm×720 mm，其成分滿足SAE AMS QQ-A-200-3標準要求，如表1所示。鑄錠經(jīng)均勻化處理后，采用20 MN高精密單動反向擠壓機進行擠壓生產(chǎn)，獲得“y”型截面高強度薄壁厚飛機骨架型材，壁厚最薄處為1.8 mm，型材截面如圖1所示。

表1 2024鋁合金美標化學成分(質量分數(shù)，%)

圖1 型材截面示意圖

型材采用1級立式淬火爐進行固溶處理，固溶溫度控制在488～499 ℃，保溫時間不少于50 min。固溶處理后將直型材快速轉運至-20 ℃低溫冷藏環(huán)境以保持零件的固溶狀態(tài)，貯存時間不超過2 d，取出后在30 min以內完成拉彎試制。

型材拉彎所需設備采用美國A-7B三維數(shù)控型材拉彎成形機，拉彎模具在工作臺上固定，采用變力包覆和補償拉伸，設備示意圖如圖2所示。

圖2 設備示意圖

試驗分為5組，每組5支型材共25支型材進行試驗。用固溶后預拉伸處理來替代固溶后張力矯直處理，通過刻度法對不同預拉伸量進行控制，其他可控變量不變，具體試驗方案如表2所示。試驗完成后，采用理論弧檢具測量零件的回彈偏差，通過大理石平臺檢測底平面褶皺情況，型材回彈量及褶皺結果取每組5支型材數(shù)據(jù)平均值。

表2 固溶狀態(tài)拉彎試驗方案

2 試驗結果

各組試樣出現(xiàn)不同程度褶皺及斷裂現(xiàn)象：當預拉伸量為1%時，第一組5支試樣內側均出現(xiàn)明顯褶皺；當預拉伸量為1.5%時，第二組2支試樣未出現(xiàn)褶皺情況，3支試樣內側局部出現(xiàn)輕微褶皺現(xiàn)象；當預拉伸量為2%時，第三組5支試樣內側均未出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象；當預拉伸量為2.5%時，第四組5支試樣內側均未出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，但是在拉彎過程中有3支試樣在鉗口處發(fā)生斷裂；當預拉伸量為3%時，第五組5支試樣在預拉伸過程中均在鉗口位置發(fā)生斷裂，因此無回彈量數(shù)據(jù)。

試樣在拉彎過程中，不同預拉伸量其拉彎效果也存在較為明顯的差異，不同預拉伸量與拉彎后回彈變化趨勢如圖3所示?；貜椓恐稻鶠槊拷M型材回彈量平均值，其中第五組5支試樣在預拉伸過程中斷裂，因此無回彈量數(shù)據(jù)。

圖3 不同預拉伸量與拉彎后回彈變化趨勢

3 分析與討論

目前型材拉彎工藝多采用二次拉彎成形，工藝過程為：退火狀態(tài)材料預拉伸→彎曲至零件貼?！慊稹瓘澏钨N?！a拉伸。在我國現(xiàn)階段航空鈑金領域，此類拉彎工藝方法外加手工校形仍普遍用于飛機框緣等產(chǎn)品的制造。但是二次拉彎成形中間工序較多，制造成本較高，周期較長，甚至會導致型材截面變形，影響產(chǎn)品裝配精度。

針對上述問題，本次試驗采用一次拉彎成形，工藝過程為：退火態(tài)直型材固溶處理(W狀態(tài))→預拉伸(預拉伸量1%～3%)→彎曲至零件貼模→補拉伸。相較于二次拉彎成形具有制造周期短，而且中間工序較少，型材產(chǎn)品一致性較好等優(yōu)點。拉彎過程中型材受力變形過程為：首先預拉伸型材至屈服附近，用以替代固溶后張力矯直過程，并且預防型材內層壓縮起皺；然后，兩拉彎夾鉗按照預先設定的數(shù)控軌跡將型材拉彎貼靠模具；最后，為了控制型材回彈，再次進行拉伸完成型材補拉伸。型材受力變形過程如圖4所示。為了減小模具與型材間的摩擦，模具表面涂油脂進行潤滑，改變摩擦系數(shù)。

圖4 型材受力變形過程

對比分析多組拉彎試驗結果：拉彎卸載后，型材回彈量隨著拉伸量的增大逐漸減小，并表現(xiàn)出非線性相關。這是因為隨著預拉伸量增大，型材所受拉力加大，材料進入了塑性變形階段，應力應變曲線的斜率迅速減小，如圖5所示。當預拉伸量≥2%時，型材內側褶皺消失。這是因為在預拉伸力的作用下，型材所有纖維層均進入塑性狀態(tài)，在后續(xù)的彎折過程中，型材外層產(chǎn)生更大的塑性變形，內層則受到壓應力影響進入彈性卸載過程，或是反向塑性壓縮變形[8]。當預拉伸量較小時，在拉彎過程中會產(chǎn)生反向塑性壓縮變形，型材薄壁特性使得內側底平面在彎折過程中極易出現(xiàn)金屬堆積現(xiàn)象，進而出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。隨著預拉伸量提高，在彎折多過程中逐漸由塑性變形向內層彈性變形轉化，使得型材內側底平面褶皺逐漸消除。

圖5 實際工程拉伸曲線與線塑性曲線對比示意圖

當預拉伸量大于2.5%時，型材在預拉伸及拉彎過程中鉗口處易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，斷裂原因為：1)型材樣件最大壁厚不超過3 mm，當預拉伸量過大時，為防止拉彎過程中出現(xiàn)試樣脫落現(xiàn)象，需加大鉗口夾持力，則會導致型材承受過大剪切力，從而產(chǎn)生斷裂；2)拉彎鉗口夾緊位置受力不均或鉗口夾緊位置尖銳，當拉伸力增大時，導致夾緊過程中型材產(chǎn)生裂紋。

根據(jù)試驗結果可知，為獲得合格產(chǎn)品，在高強度薄壁厚2024合金型材拉彎生產(chǎn)過程中，需選擇合理的預拉伸量保證生產(chǎn)設備及過程參數(shù)穩(wěn)定，并根據(jù)型材拉彎回彈量反推出拉伸模具需補償?shù)幕貜椓?，從而提高生產(chǎn)效率。

4 結論

1)航空用高強度薄壁厚2024合金型材拉彎卸載后回彈量隨著預拉伸量增加而減小，型材內側褶皺情況隨著預拉伸量增加逐漸改善直至完全消失。但是，預拉伸量過小將導致型材起皺，預拉伸量過大可能導致型材減薄、截面畸變、褶皺、裂紋甚至斷裂。因此，合理的預拉伸量選擇尤為重要。

2)2%的預拉伸量有利于航空用高強度薄壁2024合金型材W狀態(tài)拉彎過程中回彈量的穩(wěn)定控制，便于模具設計時預留補償回彈量，且所需預拉伸力適中，消除內側褶皺的同時保證拉彎過程型材不易發(fā)生斷裂?？杀ＷC生產(chǎn)穩(wěn)定性并提高型材成形精度及實際生產(chǎn)效率。