航空铝合金零件成形工艺浅析

发布时间:2018-12-17 09:23    

作者简介:王晓业,司普斯金属制品(中国)有限公司,工艺和模具工程师,主要负责产品工艺设计和模具成形。从事钣金行业15年,拥有10余年航空钣金行业经历,先后参与 Airbus、Rolls-Royce、Boeing、沈飞、中国商发等客户新产品引入。

随着航空航天技术的发展,航空件质量要求越来越高,铝合金因质量轻,性能好,被广泛应用于航空航天零件中。由于铝合金材料性能的特殊,加工要求比较高,本文将通过结合本公司产品特点对航空铝合金成形工艺做一些简单介绍。

材料流向

材料流向要求通常会在图纸上标识,图1所示为空客对于材料流向的图纸标识方法。飞机零件常常有规定零件的材料流向,铝合金板材的材料流向通常为板材长度方向,这是成形之前首先需要确定的,因为这关系到钣金下料的排版方向,否则做出来的零件外观和尺寸正确。但是材料流向不符合要求,将对零件强度造成严重影响。

图1 材料流向示意图

下料

航空铝合金板材的下料,通常优先选用传统机加工方法,如图2所示为批量排版数控铣床CNC下料。其次可选择模具冲裁下料,但是要注意不同客户,对于零件上的孔是否可以用冲裁方式,具体要求不同。比如,空客零件上的孔是不可以用冲裁的方式,而波音的有一部分是可以的。其他的下料方式,如激光切割、线切割等其他工艺方法不可以随意使用,需要提交相应数据卡参数和试样给客户批准或取得相关审核机构批准资质,才可以在有效期内使用该工艺方法。

图2 批量排版数控铣床CNC下料

热处理及低温存储退火或固溶

航空铝合金材料的成形受形状限制,通常复杂零件的成形都需要用到热处理工艺。以我公司为例,用的比较多的是2系列板材,当材料状态为T4或T6状态一般无法直接成形,需要预先退火或固溶才能成形,否则会出现成形R角开裂,具体看成形R角的尺寸大小,R越小越容易出现开裂情况。

退火的铝合金材料非常容易成形,但也有缺点,那就是退火材料成形之后,需要做固溶和时效处理,从而调整材料状态达到强度要求。因固溶过程中,零件容易再次变形,所以固溶之后还要增加一道校形修整工序。固溶热处理也是调整材料硬度性能利于成形的一种方式,相比退火成形性能稍差一点,优点是成形之后,只需要经过时效处理就能达到材料强度要求,但缺点是固溶的材料在成形前需要低温保存,且在成形过程中或者低温保存都有时间限制,否则在空气中材料状态会慢慢转化变硬不利于成形。

校平

退火或固溶的材料都会有较大变形,需要采用校平设备校平(图3),校平后的展开材料在成形前,应展开再次确认,防止因为校平后变形扭曲,影响成形尺寸。

图3 校平设备

低温存储

退火或退火态(O态)的材料可以在室温自然环境下保存,而固溶热处理(W态)后的材料要保持材料状态必须在低温下保存,通常在热处理后立即转移到零下20度左右冰箱里,当需要校平和成形加工时从冰箱取出,在客户规定的时间内完成所有成形加工。需要特别注意的是,不同客户对冰箱保存时间以及加工过程时间要求不相同,比如空客规定冰箱保存时间不超过150小时。

成形手工成形

常用的工具如图4所示,从左往右依次为直尺、木锤、橡胶锤、铝钣金锤。

图4 手工成形使用工具

折弯成形

主要有折弯机(图5)和折弯模,由于航空件的特点,零件的折弯角度和R角规格较多,折弯模具的结构如图6所示。

图5 折弯机

图6 折弯模具

橡皮成形

橡皮囊成形概念相信很多人并不陌生,而橡皮成形是从橡皮囊成形演变过来一种,可以理解为简化的橡皮囊,也属于模具成形一类,是利用油压机将橡皮施加压力把材料包裹到凸模上成形,图7为模具和对应的航空钣金件,图8为1500t橡皮成形压机,这种柔性钣金成形方法,在航空钣金制造业中使用也比较广泛,特别是一些复杂曲面的拉伸或成形更显得必不可少。

图7 模具和产品

图8 1500t橡皮成形压机

时效处理

时效处理是针对退火或固溶零件的,分为自然时效和人工时效,主要根据客户对于零件材料最终状态要求而选用,当零件或材料经过时效处理后,就不可以再作任何成形加工。如果需要,则需重新退火或固溶。

模具及反变形补偿

橡皮成形模具的加工,需要注意定位孔和反变形补偿的设定。如果是曲面成形,一般需要事先试验多次才能确定弧度补偿量。翻边角度的补偿,则需要根据材料状态。当退火态材料成形时,因为退火材料成形性能很好,补偿量相对可以少些,以90°翻边成形为例,模具成形角度补偿通常为3°;当使用固溶态材料成形时,模具成形角度补偿通常为5°。一些成形区域比较复杂的零件,可以考虑使用盖板,图9为产品和模具角度补偿。

图9 产品和模具角度补偿

校形

校形是航空铝合金复杂成形件不可缺少的工序,成形之后的零件因为各种因素,导致不能完全贴合模具,有些地方因为材料伸缩,需要局部延展材料或收缩材料,通常用冷成形收放料设备,俗称雅高机(图10)进行校形。

图10 雅高机

无损探伤

如果客户或工艺要求有表面裂纹检测,通常使用荧光粉渗透后在紫外灯光下观测。

结束语

航空零件的制造讲究的是过程控制和数据的记录,注重细节,以上工艺过程主要针对一般航空铝合金件的成形,部分复杂的零件成形除了要注意以上各方面外,还需要分多次成形,本文就不展开详述,后续有机会再探讨分享。