高鐵軍， 田源， 馮卓， 賀平

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引 言

鈑金零件是飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈等重要結(jié)構(gòu)件，其制造水平對(duì)促進(jìn)國(guó)防產(chǎn)品更新?lián)Q代，提升飛行器性能起到支撐作用。隨著我國(guó)航空、航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，在設(shè)計(jì)、制造過程中對(duì)鈑金零件的整體化、輕量化以及精度等提出了更高的要求[1-3]。一方面零件整體化要求不斷提高，如某四代機(jī)尺寸更大、性能要求更強(qiáng)，但零部件數(shù)量?jī)H為三代機(jī)的1/4，所用零部件的形狀越來(lái)越復(fù)雜；另一方面尺寸精度要求越來(lái)越高，部分鈑金零件制造精度達(dá)到機(jī)加工零件的水平，有的甚至更高；同時(shí)，對(duì)成形后零件的力學(xué)性能及使用壽命有明確的指標(biāo)。因此，相較汽車、機(jī)械、電子等領(lǐng)域，航空鈑金件具有品種多、批量小、形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高等特點(diǎn)。

《鈑金成形原理與工藝》是飛行器制造工程專業(yè)的核心專業(yè)課，要求學(xué)生在初步掌握機(jī)械制圖、機(jī)械原理、材料力學(xué)以及塑性理論等課程的基礎(chǔ)上，通過本課程的學(xué)習(xí)，系統(tǒng)掌握鈑金成形方法、成形質(zhì)量缺陷以及成形工藝參數(shù)控制等知識(shí)，能夠根據(jù)典型零件要求制定相應(yīng)的成形工藝。同時(shí)，學(xué)會(huì)通過工藝參數(shù)調(diào)整、加載路徑優(yōu)化及工藝方法選取等提高鈑金件成形性能和成形質(zhì)量。然而，傳統(tǒng)教學(xué)方法主要是課堂講述，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、主動(dòng)性不強(qiáng)，影響學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。因此，需要在現(xiàn)有教學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合典型零件的成形新技術(shù)、新方法，對(duì)教學(xué)過程及方法進(jìn)行改革，拓寬學(xué)生的知識(shí)面和視野，使其學(xué)會(huì)運(yùn)用現(xiàn)有理論和新工藝、新方法，解決生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題。

1 課程主要內(nèi)容

《鈑金成形原理與工藝》課程主要包括成形工藝、成形原理、模具結(jié)構(gòu)以及塑性理論等內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)多、涵蓋領(lǐng)域廣、難度較大。課程的重難點(diǎn)在于沖裁、彎曲、拉深、脹形與翻邊等基本成形工藝以及航空鈑金件特有的成形方法及原理，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)典型零件的高質(zhì)量、低成本制造，內(nèi)容安排如圖1所示。前部分屬于傳統(tǒng)鈑金成形工藝，后部分屬于航空薄壁結(jié)構(gòu)制造過程衍生的特有成形方法（如落壓成形、橡皮囊成形、蒙皮拉形等）。教學(xué)內(nèi)容主要包括成形過程、應(yīng)力應(yīng)變分析、成形質(zhì)量及影響等，課程還包括針對(duì)典型零件特點(diǎn)確定成形工藝及可行性。

圖1 鈑金成形原理與工藝教學(xué)內(nèi)容

2 鈑金成形新技術(shù)

目前，隨著飛行器設(shè)計(jì)水平、制造精度要求不斷提高，傳統(tǒng)成形工藝或單一成形方法已經(jīng)無(wú)法滿足要求，成形新技術(shù)、新方法不斷出現(xiàn)并在一定范圍得到了較好的應(yīng)用。然而，無(wú)論是零件材料的選用、還是零件數(shù)量以及制造精度等，航空制造均不同于汽車、機(jī)械等制造業(yè)。航空制造領(lǐng)域所用材料多為鋁合金、鈦合金等輕質(zhì)合金，并具有品種多、批量小、零件形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，成形過程不僅要考慮精度問題，還要考慮使用壽命和成本問題。因此，在航空制造領(lǐng)域，除了彎曲、拉深、落壓、拉形等傳統(tǒng)工藝外，橡皮囊成形、充液成形、粘性介質(zhì)壓力成形等軟模成形因模具制造成本低、零件表面質(zhì)量好、過程反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)得到了較好的應(yīng)用，如表1所示。

表1 現(xiàn)有軟模成形方法及特點(diǎn)

傳統(tǒng)沖壓成形是指利用剛性凸、凹模，在一側(cè)施加一定壓力，使坯料沿著壓力加載方向進(jìn)行移動(dòng)產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而成形為所需的零件。與新技術(shù)相比，傳統(tǒng)沖壓成形具有工藝成熟、效率高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，主要適合于大批量鈑金零件的生產(chǎn)。但相對(duì)航空、航天領(lǐng)域的小批量零件，傳統(tǒng)沖壓成形具有一次投入較大，模具生產(chǎn)和調(diào)試周期較長(zhǎng)，單件生產(chǎn)成本較高等問題，因此應(yīng)用較少。

橡皮囊成形是用橡皮囊代替?zhèn)鹘y(tǒng)成形設(shè)備中的凹模（或凸模），用橡皮作為介質(zhì)傳導(dǎo)壓力，使金屬板材隨另一剛性模發(fā)生變形，具有效率高、成本低和成形后表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[4]。充液成形是指利用水、油等柔性介質(zhì)代替成形中的凸模或凹模，使板料在液體壓力作用下隨另一剛性零件完成成形。由于使用的介質(zhì)是液體介質(zhì)，可以在較大程度上減小成形過程中產(chǎn)生的摩擦[5]。

粘性介質(zhì)成形方法選用的是可流動(dòng)且速率敏感性較高的半固態(tài)物質(zhì)作為凸模，通過控制粘性介質(zhì)的加載與排放進(jìn)而控制板料的成形。粘性介質(zhì)不同于液體也不同于彈性體，所提供的壓力是不均勻的，且由于粘性介質(zhì)是半固態(tài)，坯料與凸模間密封較容易實(shí)現(xiàn)粘性介質(zhì)的壓力加載與控制，有效防止零件因失穩(wěn)起皺[6]。

除此之外，還可通過工藝參數(shù)調(diào)整或過程控制，改變板材受力狀態(tài)或變形路徑，實(shí)現(xiàn)零件的高質(zhì)量成形。如在復(fù)雜輕合金鈑金成形過程中應(yīng)用較多的覆板成形，又如隨深腔類零件發(fā)展的反向充液成形、反向粘性介質(zhì)壓力成形等。因此，如何基于傳統(tǒng)工藝，結(jié)合現(xiàn)代新技術(shù)、新方法，體現(xiàn)課程的基礎(chǔ)性又保持課程的先進(jìn)性，對(duì)拓寬學(xué)生視野和技術(shù)創(chuàng)新能力尤為重要。

3 教學(xué)實(shí)例

鋁合金半球形件是航空航天領(lǐng)域常見薄壁零件，分析的零件幾何形狀如圖2所示，壁厚為1.0 mm，材料為L(zhǎng)F2鋁合金。在傳統(tǒng)鈑金工藝分析過程中，首先根據(jù)零件特征尺寸計(jì)算拉深系數(shù)，查閱相關(guān)鈑金成形手冊(cè)，確定零件的極限拉深系數(shù)并進(jìn)行對(duì)比。如果零件拉深系數(shù)大于極限拉深系數(shù)，可以直接成形；如果零件拉深系數(shù)小于極限拉深系數(shù)，需要采用多工序拉深，并按照要求確定拉深次數(shù)及不同工序?qū)?yīng)的拉深系數(shù)。

圖2 鋁合金零件形狀及尺寸

根據(jù)成形后的零件直徑為φ100 mm，高度為60 mm，考慮修邊等工藝余量，取板料直徑為φ165 mm，根據(jù)公式（1）求得零件的拉深系數(shù)為0.61。

其中，m表示拉深系數(shù)；d表示拉深后得到零件的直徑，mm；D表示拉深前毛坯直徑，mm。

查閱手冊(cè)和參考文獻(xiàn)可知[7]，如果材料為塑性較好的不銹鋼、深沖鋼等，采用傳統(tǒng)工藝可以一次拉深成形；如果材料為塑性較差的鋁合金、鎂合金等，由于材料所對(duì)應(yīng)的拉深系數(shù)較小，拉深成形過程中，球冠區(qū)材料容易出現(xiàn)減薄或破裂現(xiàn)象，如圖3（a）所示；如果拉深過程中降低壓邊力，在一定程度上可以減緩破裂的產(chǎn)生，但同時(shí)法蘭區(qū)受到切向壓應(yīng)力增大，會(huì)使零件表面產(chǎn)生褶皺，如圖3（b）所示，因此難以一次拉深成形。然而，對(duì)于難以一次拉深成形的零件，如果采用多道次拉深，不僅增加了模具工裝和生產(chǎn)成本，而且每次拉深后需要進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，也會(huì)使得零件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，影響零件的使用性能[8]。

圖3 傳統(tǒng)拉深成形質(zhì)量缺陷

覆板成形是指在板材（稱之為成形板）一側(cè)或兩側(cè)覆上相同或不同材料板材（稱之為覆板）使其共同變形。與單層板成形相比較，一方面由于覆板作用于成形板的法向壓力，使成形板由原來(lái)的二向受拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎯?nèi)雙向受拉、法向受壓的三維應(yīng)力狀態(tài)，可以減輕材料內(nèi)部因塑性變形而產(chǎn)生的部分損傷，抑制材料減薄和破裂的產(chǎn)生；另一方面，利用覆板較好的力學(xué)性能及與成形板的摩擦效應(yīng)對(duì)成形板施加的約束，改變了成形板的傳統(tǒng)變形路徑，使其與覆板變形規(guī)律相似或相同，達(dá)到提高成形板成形性能的目的[9]。圖4所示為半球形件覆板成形原理及得到的零件，成形過程中在坯料下表面覆蓋一層變形能力較好的不銹鋼板，借助不銹鋼覆板良好的力學(xué)性能，在不銹鋼板與坯料界面摩擦系數(shù)較大的條件下實(shí)現(xiàn)零件一步成形。

圖4 半球形件覆板成形原理及零件

反向粘性介質(zhì)壓力成形是基于粘性介質(zhì)壓力成形原理，借鑒反向充液成形特點(diǎn)，針對(duì)航空復(fù)雜深腔類鈑金件高質(zhì)量成形提出的。成形過程中利用粘性介質(zhì)良好的流變性能及密封性能，通過反向粘性介質(zhì)壓力的控制和工藝參數(shù)的優(yōu)化，改變坯料的變形規(guī)律以及成形過程中應(yīng)力應(yīng)變的變化狀態(tài)，使材料流動(dòng)更加均勻，進(jìn)一步提高材料成形極限。同時(shí)，還可以與正向粘性介質(zhì)壓力成形結(jié)合，為高精度、復(fù)雜形狀薄壁零件的整體成形提供新方法。圖5所示為半球形件反向粘性介質(zhì)壓力成形原理及得到的零件，成形初期由于反向粘性介質(zhì)對(duì)坯料施加壓力，坯料出現(xiàn)反向下陷并逐漸與凸模接觸，法蘭區(qū)材料流向下陷區(qū)域；隨著凸模移動(dòng)，在反向粘性介質(zhì)壓力條件下，下陷逐漸消失，坯料逐漸貼模，直接成形合格半球形零件[8,10]。

圖5 半球形件反向粘性介質(zhì)壓力成形原理及零件

綜上所述，相較傳統(tǒng)的拉深工藝不能直接成形滿足使用條件的鋁合金半球形件，可以采用覆板成形或反向粘性介質(zhì)壓力成形等新工藝、新方法直接成形。覆板成形不需要對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，只要在坯料表面覆上強(qiáng)度較高、塑性較好的板料即可，具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但由于覆板不能重復(fù)使用，成本較高，適合典型鈑金件研制過程。反向粘性介質(zhì)成形需要根據(jù)零件材料和特征尺寸控制好反向壓力大小及分布，工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較低、成形質(zhì)量較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過鋁合金半球形件不同成形方案及結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)新技術(shù)、新工藝的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生分析與解決問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。隨著航空、航天事業(yè)的發(fā)展，薄壁鈑金件的應(yīng)用越來(lái)越多，薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈑金件高質(zhì)量成形越來(lái)越重要。如何在課程中針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈑金件成形工藝難點(diǎn)，有效利用鈑金成形原理，結(jié)合鈑金成形新技術(shù)、新方法解決問題尤為重要。這要求任課教師不僅要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要具有廣闊的專業(yè)視野。