单元2飞机钣金零件材料种类、钣金成形极限与成形质量

长沙航空职业技术学院教案单元2飞机钣金零件材料种类、钣金成形极限与成形质量一、飞机钣金零件所用材料种类在近代飞机结构中，用镀金工艺方法制造的零件，采用了下列金属材料：铝合金、镁合金、碳钢、铜合金、不锈钢、钛合金等。表1-1常用材料的种类和机械性能金属种类材料牌号状态抗拉强度屈服强度延伸率收缩率备注热处理（公斤/毫米2）（公斤/毫米2）防锈铝LF21退火10〜15520〜22淬火不能强化LF2退火17〜231016〜18〃LF3退火231015〃硬铝LY11退火23〜241112〃可以淬火强化LY12退火23〜241012〜14〃LY16退火<2415〃超硬铝LC4退火<25111050〃铜合金H62退火30114066〃淬火不能强化H68退火3094070〃变形镁合金MB8退火22〜2311〜1210〜1225〜30〃淬火不能强化钛及钛合金TA2退火45〜6025〜30淬火不能强化TA3退火55〜7020〜25〃TC1退火60〜8020〜25〃优质碳钢、结构钢10软化30〜42213055一般淬火不能强化15软化30〜46232755〃20软化36〜50252655〃不锈钢1Cr18Ni9Ti软化三54三40%〃淬火不能强化长沙航空职业技术学院教案材料供应状态用一定的符合表示，例如：M一表示材料处于退火状态；CZ一淬火后自然时效；CS—淬火后人工时效；MO—优质表面退火；CO一优质表面淬火自然时效；Y—冷作硬化；YZ一半冷作硬化；XC一表示型材;G一表示管材。状态符号置于材料牌号的后面如：LY12-MO-61.5为表面优质、退火状态的12号硬铝板材，板厚为1.5mm。LC4-CS-61.2为4号超硬铝、淬火后人工时效板材，板厚为1.2mm。二、钣金成形极限与成形质量(一)成形极限成形极限是指板材在一定的变形方式和变形条件下，成形在无法进行下去的限度，也就是达到了这种变形方式和变形条件的极限变形能力。若从板料的变形性质来看，镀金零件的成形方法虽然很多，但无非是“收”和“放”两种。所谓的“收”就是依靠板料的收缩变形来成型零件。“收”的特点主要表现为板料纤维的缩短和厚度的增加。以压缩(收缩)变形为主的变形方式是拉深和凸弯边成形。所谓“放”就是依靠板料的拉伸变形来成形零件。“放”的特点表现为板材纤维的伸长和厚度减薄.以拉伸变形为主的变形方式是翻边、局部成形、胀形和凹弯边成形等。“收”的主要问题是起皱，“放”的主要问题是拉裂。1.成形的起皱极限(1)起皱的原因镀金成形中，当成形的压缩变形力大于板料的抗压稳定性时，即成形的压缩量变大，而板料的相对厚度小，受压区材料四周的支持情况差，就会产生皱纹。(2)影响失稳起皱的因素从书中公式中可以看出：材料的E、D值越大，抵抗失稳起皱的能力越强；板料的塑性变形越大，抵抗失稳起皱的能力越弱；板料抵抗失稳起皱的能力，与材料相对厚度的平方成正比。应当注意的是，在拉一压复合应力状态下，拉应力的大小对起皱有显著影响。镀金零件上常设计一些加强埂或加强窝，其目的除增加零件刚度之外，还用以消除成形中的起皱和局部松弛引起的鼓动现象。长沙航空职业技术学院教案综上所述，防止起皱的措施是采用刚性支持和减少变形区的压应力（3）皱纹的种类按毛料型式分有板材皱、型材皱和管材皱。按起皱的部位分有内皱和边皱。按起皱的时机分有成形中形成的成形皱，以及卸载回弹时受压引起的卸载皱。按起皱的先后次序分有首次皱、二次皱和多次皱。按起皱的原因分有压缩皱（如拉深件突缘上的边皱）、剪切皱（如盒形件拉深时出现在4个圆角与直线段交界处的壁部）和由非均布拉应力引起的拉力皱和富料皱等。2.成形的拉裂极限（1）拉伸的成形极限在以拉为主的变形方式中，板料往往过渡变薄甚至断裂。板料在拉力作用下，一方面承载面积缩减，另一方面材料的应变刚效应增加。一般而言，板料的拉伸失稳具有两个不同的发展阶段，即所谓分散性失稳与集中性失稳。如果单是从板料拉伸变形的稳定性着眼，可以用分散性失稳作为判断标准；但从板料破裂前极限变形程度的估计着眼，就应以集中性失稳作为标准。（2）影响拉伸成形极限的因素变形方式即变形区材料的应力应变状态。应变分散效应尺寸效应变形条件如温度、速度、模具几何参数、摩擦、润滑和加载方式等，它们的影响是很明显的。总之，防止拉裂的基本措施是尽量避免材料的局部应力集中和减少材料的流动阻力。（3）破裂的型式1）最大拉伸变形区的拉裂（包括单向和双向拉伸状态）2）最大剪切变形区的拉裂例如，方盒中出现在角部的破裂。3）拉弯状态的拉裂钣金成形中，有较多零件的破裂出现在拉弯状态。4）高硬化区的脆裂5）板件表面的发裂例如，经过变薄拉深、变薄旋压，冷挤和过度喷丸的零件表面，出现细而短的微裂纹，这是由板材表层的局部拉应力或残余拉应力造成的。长沙航空职业技术学院教案6)时效开裂(4)成形极限图(FLD)成形极限图是材料在不同状态下的变形临界线，它是用来判断材料成形性的一种最为直观和简便的方法。失稳理论应是计算建立成形极限图的基础，但是由于失稳理论还不完善，计算曲线与试验曲线之间有相当大的差距，故目前大都通过试验建立成形极限图。成形极限图可以用来解决钣金零件生产中的技术问题。因此，成形极限图对工艺人员改进工艺过程，检验人员控制产品质量和工人交接生产等都有作用。(二)成形质量钣金成形的任务，不仅要克服拉裂和起皱，制出完整的零件，还要保证零件的质量，符合飞机设计的要求。钣金件的重量控制，从钣金工艺的角度考虑，实质上也就是变薄率和尺寸精度控制的问题。.厚度变薄率为了减小零件的变薄量，可以采取下列措施：第一，在一次成形中保证最有利的变形条件，主要是减少材料的流动阻力和防止应力集中；第二，分阶段变形，增加过渡工序，同时注意错开各道工序的变薄区，不使相互重叠；第三，改变变形方式，不用拉伸变形而用其他方式提供零件成形所需的材料。.几何尺寸和形状的准确度在生产中，影响钣金零件几何尺寸和形状准确度的因素很多，但从钣金成形工艺看，主要原因是回弹、畸变和残余应力。.回弹塑性变形中存在弹性变形的分量，这是钣金成形中一条很重要的规律，所以，成形后卸载时零件必然产生回弹，而且回弹的方向总是与材料原有的变形方向相反，受拉的会缩短，受压的要伸长。.畸变妨碍钣金零件获得准确尺寸和形状的另一个障碍是翘曲或畸变。零件畸变，可以说是零件上各个部分回弹不均的结果。消除畸变的根本方法是尽量使成形中的变形均匀。或者成形中可采用刚性限制和补偿方法长沙航空职业技术学院教案予以补救，以及在模具上修出相反的畸变量等。.残余应力弹性恢复是把成形好的零件切开(几个零件用一块料制造)或切除余边时零件发生变形，或者零件存放一段时间或在热、表处理中零件发生变形。钣金成形中各部分的变形往往是不均匀的，除去外力后，变形大的部分会阻碍相邻变形小的部分的弹性恢复。一对残留在金属内部的应力叫残余应力。残余应力的基本规律：第一，变形程度越不均匀，残余应力越大；第二，在任何方向上残余应力的总和等于零；第三，残余应力绕任意轴的力矩总和等于零。.表面质量和边缘状态严格控制钣金零件的表面质量，特别是涉及气动外形零件的表面质量是非常重要的。表面质量不好，将影响到飞机机体的外观、疲劳破坏、腐蚀和应力腐蚀等问题。边缘状态不好也是引起应力集中、造成疲劳破坏的重要原因。(1)刘德尔(Luders)线(又称滑移线)消除刘德尔线的关键在于降低成形过程中的变形速度。(2)粗晶现象和桔皮组织铝合金板料出现的粗晶有两种类型：一种是表面包铝层粗晶，俗称“大雪花”，直径大者可达10mm以上；一种是基体材料粗晶。桔皮组织形成的原因是晶内变形比晶界变形容易，造成晶体凸出而晶界凹陷，故呈桔皮状。形成桔皮组织的条件是：其一，板料具有粗大的晶粒；其二，金属的变形程度很大。“晶花”不仅影响零件的外观，对抗腐蚀性还有一定的不良影响。基体材料的粗晶和桔皮组织将显著地降低基体材料的塑性、断裂任性和强度，对板弯疲劳寿命也有不良影响。因此，生产中应尽量避免上述缺陷。(3)冲击线避免冲击线的方法有：1)降低冲压速度；2)加大凹模圆角半径：3)减小摩擦系数和降低压边力；4)压弯时，凹模圆角以外的板料不宜过大。长沙航空职业技术学院教案(4)偏移线(5)皱痕线(6)滑痕和划伤(7)粗糙度和光亮度(8)其他表面缺陷(9)边缘状态.零件材料的物理机械性能一般来说，钣金零件成形后材料性能的变化为：OS、。b、HB等强度硬度值升高，6、中等塑性韧性指标下降，电阻率增加和抗腐蚀性能降低等。变形程度愈大，这些指标的变化量也愈大。塑性变形的另一个后果是残余应力对零件性能的影响。三、飞机镀金零件的协调方法飞机必须具有光滑流线的、符合气动力学要求的几何形状。其大量零件具有与气动力外形有关曲线或曲面的外形，且要求互相协调。同时飞机零件大部分用钣材制造，尺寸较大，刚度差，不便用通用量具来度量其外形尺寸。因此在飞机制造中必须采用一种与一般机器制造业不同的技术一模线样板技术，以保证制造出的各种工艺装备和零件互相协调，顺利进行装配，制造出符合设计要求的飞机。1.传统协调路线模线样板技术包括模线和样板两部分内容。模线是由模线设计员根据设计所发出的图纸绘制的图样；样板则是按照模线或数据加工成的专用量具。模线通常又分成理论模线和结构模线两大类。理论模线按飞机理论图绘制。它表示飞机部件的理论外形(气动力外形)和各种轴线(坐标基准线和各种结构轴线)，主要供绘制结构模线时确定理论外形和各种轴线用，也供加工样板用。它是飞机外形的原始依据。结构模线根据设计所发出的结构图绘制，主要供加工各种样板用。结构模线的绘制过程也是对飞机结构协调的验证过程。模线样板是飞机从设计到制造之间的桥梁，是飞机几何尺寸的原始依据，是飞机制造过程中保证各类零、组、部件尺寸协调的重要手段。模线样板的质量直接影响到飞机制造的质量和新机试制工作的顺利进行。长沙航空职业技术学院教案同时由于模线样板生产是飞机制造的第一步，飞机的大部分零件和工艺装备都需要按模线样板制造，模线样板的生产进度直接影响到新飞机的试制进度，所以，提高模线样板质量和生产效率有很重要的意义。我国的模线样板技术是随航空工业的建立而发展起来的，至今已有50余年的历史，其间大致经历了四个发展阶段：第一阶段1952—1958年，各厂刚组建模线样板车间，开始用手工计算和几何作图绘制模线，采用喷漆的钢板为图板，用钢针画线，手工移形。第二阶段1959—1963年，开始应用二次曲线等解析计算法来计算飞机理论外形；应用画线钻孔台来钻制图板和样板上的基准孔、画基准线，提高了理论模线的绘制精度和外形检验样板、样件样板、夹具样板等的制造及定位精度。第三阶段1964—1970年，开始应用聚酯薄膜绘制模线，并应用接触晒相法复制模线和移形，提高了模线和样板的移形精度及样板的生产效率。第四阶段从70年代初开始，随着计算机技术发展起来的CAD/CAM技术的引入，对传统的模线样板技术产生了、并将继续产生重大影响。理论模线是按1:1尺寸将飞机部件的外形准确地画在专门图板上的部件理论图，在飞机制造中作为飞机外形的唯一原始依据。结构模线是按1:1尺寸将飞机部件各切面的结构准确地画在专门图板上的部件结构图。样板是部件切面或零件外形的二维刚性量具，作为加工有关模具、夹具或型架等工艺装备的依据。标准样件是具有部件、组合件或零件外形和对接接头的三维刚性量具，作为制造有关具有复杂曲面外形工艺装备的依据。其中具有部件某部分曲面外形用于制造模具的标准样件称为表面标准样件；具有部件或组合件局部外形和对接接头用于安装型架的标准样件称为安装标准样件。传统协调方法的特点模线的绘制周期长，工作条件差手工绘制的模线难以保证重复精度模拟量的传递，移形环节多、协调路线长标准工装数量多，不便组织厂际协作难以推广整体结构

长沙航空职业技术学院教案辅助工人多，生产管理复杂土CAD/CAM法H基准孔一切面模型法I土CAD/CAM法H基准孔一切面模型法I按两个制造依据协调L按蒙皮模胎协调法L模线样板法 工标一准实样法工镶块式表面样件法I整体式表面样件法—组合模型法I组合表面样件法I组合式标准样件法I表面样件一标准样件-4模线样板-标准样件2.现代协调路线通过几十年来的研究和开发，CAD/CAM技术在飞机制造中得到迅速发展和广泛应用具体表现在：(1)在计算机内建立飞机的外形数学模型(2)在计算机图形终端或工作站用二维绘图软件绘制结构模线 绘制的结构模线可通过绘图机以1:1比例绘制在透明胶版上，当需要加工样板或制造工艺装备时，可将结构模线直接复制在样板毛坯或工艺装备的底版上，直接按结构模线上线条加工或安装定位件。还可以通过计算机提取结构模线图形，以交互方式检取所需零件的轮廓线，直接在图形显示屏上进行数控加工编程。(3)标准样件用数控加工飞机上协调关系比较复杂的部位，如机头罩、坐舱罩、风挡、机翼尖等部件，为确保有配合关系的零件和组合件之间的协调。有时也采用标准样件。(4)模具和型架卡