基于复杂截面的长桁类零件闸压成形技术研究与应用

长桁类零件是飞机结构承力件，一般与飞机外蒙皮、地板梁装配连接。一般长桁类零件长度尺寸大，以某型客改货飞机零件为例，最长达4.6m，零件外形尺寸要求精度高、截面复杂，是影响飞机装配的开铆件，因此长桁类零件质量、交付进度直接决定了整个项目的成败。闸压成形广泛用于钣金零件成形，如单曲度蒙皮零件（机翼前缘蒙皮、尾翼前缘蒙皮），板料折弯成形的零件（V形、U形、Z形等简单截面），这些零件截面简单。当成形复杂零件时，如“几”形截面零件，由于在展开材料计算、成形工艺方法、回弹参数补偿、模具间隙、闸压模具结构等方面并没有积累相关经验和深入研究，导致零件报废、工装多次返修、交付周期延长、零件表面质量差等情况时有发生。“几”形截面零件特征“几”形零件截面复杂，装配要求高，零件成形需借用闸压模具闸压成形。零件长度长达1～4.6m，闸压成形时容易出现展开材料计算问题、零件定位困难、成形后取件困难、成形后高度超差、淬火变形量大、校正量大等一系列问题，直接导致工装多次返修、零件报废率高、零件带故障交付、零件延迟交付客户等一系列问题。“几”形闸压件成形工艺方法设计“几”形零件成形工艺方法分为“一步成形法”和“二步成形法”，一步成形法工艺流程为：热处理-滚平-成形，二步成形法工艺流程为：预成形-热处理-成形-校正，相较于二步成形法，一步成形法校正量小。由于热处理（淬火）时零件越长，其变形量越大，由此带来的校正难度和校正时间就越长。“几”形零件淬火变形量与零件热处理时长度、入槽方式及操作方式均有关系，无法通过Pamstamp、Dynaform等仿真软件模拟分析变形量及校正时间。“几”形零件热处理试验件共19件，长度从500mm依次递增100mm到2300mm。热处理试验时，以下试验条件均相同：⑴均采用盐炉淬火，保证零件入水方式、操作方式均相同；⑵同一个人校正，19件试验件校正工具、校正方法相同；⑶试验件逐项从冰箱取出，保证在零件校正时塑性相同；⑷零件验收依据相同。通过试验，绘制了“几”形零件长度与校正时间关系曲线图，如图1所示。图1“几”形零件长度与校正时间关系图经统计，各试验件校正时间见表1。表1各试验件校正时间通过验证试验找出了不同长度零件成形主要工艺方法的分界点，当零件长度L≥1800mm时，采用“一步成形法”；当零长度L＜1800mm时，采用常规二步成形法，此时淬火变形量小，易于校正。零件成形销钉孔设计及展开尺寸计算销钉孔设计“几”形零件闸压成形时一度面临无法定位的问题，在研制初期，通过下料、零件成形时自由定位、闸压成形后，再通过普通铣床铣切外形，其工艺流程如图2所示。图2工艺流程采用自由定位，毛坯宽度尺寸较大，成形时阻挡了材料流动，成形效果差。同时，采用自由定位方式在闸压成形后需增加普通铣床铣切，由于零件截面较复杂，装夹不稳定，易划伤零件表面。创新定位方法，采用“一端圆孔、一端长圆孔”定位方法，如图3所示，保证闸压成形时零件不会侧翻，在保证一端定位的情况下，另一端只需保证板料不会横向移动即可。图3一端圆孔、一端长圆孔”定位方法为减少成形后零件的外形加工强度、提升零件成形及加工质量，需对原工艺流程进行优化，如图4所示。图4改进后的工艺流程展开尺寸计算“几”形闸压件展开尺寸计算采用理论计算法和两段计算法，零件截面尺寸如图5所示。图5零件截面尺寸图⑴理论计算法。零件弯边按外形展开时，修正值m按下式计算：m=m1+m2式中m1=[2tan-0.01745(90°-M)]Rm2=[2tan-0.01745R(90°-M)]δ其中M——弯边斜角值（°）；R——弯曲内半径（mm）；δ——零件材料厚度（mm）；经计算，得出m=3.387mm。⑵两段计算法。将图形分为两部分分别计算展开尺寸，如图6所示。图6两段式图形L=L1+L2=[（H/cosM）-m]×2=[(21.5-3.387)×2+26.06]+[16.693×2]=62.286+33.386=95.672mm在CATIA中钣金设计模块建模并展开，如图7所示，展开尺寸为94.922mm，较计算出的展开尺寸小0.75mm。图7建模并展开下料图形验证比对结果显示，展开图形的计算结果基本正确，需在实际生产中进行验证。选用零件365-53-00-92374-203闸压模成形，并用其外形样板进行最终外形检查，结果显示，按计算得出的下料图形进行下料并成形，可满足零件的最终尺寸要求。工装模具结构及具体设计模具结构设计由于零件长度最长达4.6m，故考虑用工作台长达5m的闸压机PPEB250/50成形零件。又因为“几”形零件长度L≥1800mm时要求用“一步成形法”，所以零件成形时应该采用弯曲模结构，并用顶件器把零件平稳顶出模具。但闸压机PPEB250/50没有卸料装置，所以只有靠模具自行卸料来代替顶件器的功能。闸压模具具体设计因为需要自行卸料，所以要算出顶件力的大小。以零件长度L=1000mm为例计算，经查《飞机钣金模具设计手册》，弯曲力计算公式为：F=(0.7KWt2Rm)/(r+t)其中F——弯曲力（N）；K——安全系数，一般取1.3；W——弯曲件的宽度（弯曲线长度）（mm）；t——弯曲件的厚度（mm）；r——弯曲件的内弯曲半径（mm）；Rm——材料的抗拉强度（MPa）。经计算，弯曲力F=100197N；顶件力=0.3F=30059N。综合各项数据后选择扁线螺旋弹簧中极重载荷用弹簧，每根弹簧外径35mm，自由长度150mm，压缩量为30mm时产生4802N载荷，长度1000mm的零件只需布7个弹簧就能满足卸料要求。零件成形精度高，弯曲间隙直接选为料厚尺寸t，但是考虑零件取出方便，凸模与凹模之间间隙修正为（t+0.1）mm。实际生产过程中，除了最长4.6m零件外，其余零件均成功生产出合格零件。经分析发现，生产最长4.6m零件的模具，凸模和凹模均产生变形，变形量约2mm，造成凸模和凹模不能正常工作。为了解决变形问题，决定改变工装结构和加工所用机床。机床改为YJK98S-2000-5025，该机床台面尺寸5000mm×2500mm，机床有顶杆，直径50mm，行程400mm，能满足模具成形要求。凸模采用了整体铸件