高鐵軍， 田源， 馮卓， 賀平

（沈陽航空航天大學 航空宇航學院， 遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

鈑金零件是飛機、發(fā)動機、導(dǎo)彈等重要結(jié)構(gòu)件，其制造水平對促進國防產(chǎn)品更新?lián)Q代，提升飛行器性能起到支撐作用。隨著我國航空、航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，在設(shè)計、制造過程中對鈑金零件的整體化、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，如某四代機尺寸更大、性能要求更強，但零部件數(shù)量僅為三代機的1/4，所用零部件的形狀越來越復(fù)雜；另一方面尺寸精度要求越來越高，部分鈑金零件制造精度達到機加工零件的水平，有的甚至更高；同時，對成形后零件的力學性能及使用壽命有明確的指標。因此，相較汽車、機械、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。

《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，要求學生在初步掌握機械制圖、機械原理、材料力學以及塑性理論等課程的基礎(chǔ)上，通過本課程的學習，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，能夠根據(jù)典型零件要求制定相應(yīng)的成形工藝。同時，學會通過工藝參數(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)教學方法主要是課堂講述，學生學習興趣不高、主動性不強，影響學生培養(yǎng)質(zhì)量。因此，需要在現(xiàn)有教學基礎(chǔ)上，結(jié)合典型零件的成形新技術(shù)、新方法，對教學過程及方法進行改革，拓寬學生的知識面和視野，使其學會運用現(xiàn)有理論和新工藝、新方法，解決生產(chǎn)過程中的實際問題。

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，知識點多、涵蓋領(lǐng)域廣、難度較大。課程的重難點在于沖裁、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，最終目標是實現(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，課程還包括針對典型零件特點確定成形工藝及可行性。

圖1 鈑金成形原理與工藝教學內(nèi)容

2 鈑金成形新技術(shù)

目前，隨著飛行器設(shè)計水平、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，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

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行移動產(chǎn)生塑性變形，進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、操作簡單等特點，主要適合于大批量鈑金零件的生產(chǎn)。但相對航空、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，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[4]。充液成形是指利用水、油等柔性介質(zhì)代替成形中的凸?；虬寄?，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性，對拓寬學生視野和技術(shù)創(chuàng)新能力尤為重要。

3 教學實例

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LF2鋁合金。在傳統(tǒng)鈑金工藝分析過程中，首先根據(jù)零件特征尺寸計算拉深系數(shù)，查閱相關(guān)鈑金成形手冊，確定零件的極限拉深系數(shù)并進行對比。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。

查閱手冊和參考文獻可知[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，但同時法蘭區(qū)受到切向壓應(yīng)力增大，會使零件表面產(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行去應(yīng)力退火處理，也會使得零件內(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性能及與成形板的摩擦效應(yīng)對成形板施加的約束，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性能，在不銹鋼板與坯料界面摩擦系數(shù)較大的條件下實現(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，針對航空復(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)，使材料流動更加均勻，進一步提高材料成形極限。同時，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，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。覆板成形不需要對模具結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，只要在坯料表面覆上強度較高、塑性較好的板料即可，具有工藝簡單、操作方便的優(yōu)點，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

通過鋁合金半球形件不同成形方案及結(jié)果對比，進一步加深了學生對新技術(shù)、新工藝的認識，同時也培養(yǎng)了學生分析與解決問題的能力，激發(fā)了學生的創(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)用越來越多，薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈑金件高質(zhì)量成形越來越重要。如何在課程中針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈑金件成形工藝難點，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的專業(yè)知識，還要具有廣闊的專業(yè)視野。