1、1 西安航空职业学院 毕业论文 大曲率高翻边钣金零件橡皮成形起皱控制研究 姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师 : 2 【 摘要 】 起皱是橡皮液压成形三大缺陷之一，多发生在大曲率高翻边的钣金零件上。现消除方法多以工人手工成形为主，继而进行橡皮液压校形，零件表面 质量差，工人劳动强度大。大飞机固定前缘安装着一系列鱼头状钣金隔板件，曲率大、翻边高，成形困难，易起皱。借助于 PAMSTAMP 模拟软件建立有限元模型，对大曲率高翻边钣金件橡皮成形褶皱等缺陷进行数值分析，探讨侧压块模具结构与压边圈模具结构对橡皮成形消皱技术的影响效果，摸索和确定展开毛坯、模具结构、橡皮硬度等的最
2、佳数值，并以实验加以验证，最终形成了一种可直接采用无余量展开毛坯完整机械加工凸弯边零件的橡皮成形技术，实现了大曲率、高翻边零件的无皱橡皮精确成形。 关键词 ： 橡皮成形；铝合金 ；凸弯边；数值模拟；起皱 近些年，国内航空领域钣金成形机械化程度越来越高，液压橡皮囊成形工艺作为一种先进的柔性板料成形技术，以它操作便捷、工装成本低、表面质量高等诸多优势越来越受青睐，特别适合多品种小批量的产品生 产 1-2。 1 钣金零件“凸”弯边特征又称压缩弯边 3，是飞机制造中常见结构，该类零件在成形过程中弯边区毛料会因收缩变形过大而起皱。通常凸形弧度越大、翻边越高，成形中弯边区毛料收缩变形越剧烈、越容易出现褶皱
3、、甚至死皱。在航空企业，通常将凸型曲率半径小于200mm、翻边高度大于 25mm 的钣弯零件界定为“大曲率、高翻 边”类零件，现加工方法多以工人手工成形为主，而手工成形钣金零件不得不依赖于榔头的频繁敲击来实现，零件表面锤痕明显、工人劳动强度大、成形精度低、材料出现冷作硬化趋势，内部残余应力对飞机安全可靠性造成一定威胁。 目前控制凸弯边起皱的方法很多，应用比较广泛的是侧压块方 法 3，此方法考虑的因素较多：侧压块的角度、侧压块与模具主体间距、侧压块模具转角半径、零件凸曲线弧度、翻边高度、初始坯料大小、材料厚度、成形压力、橡皮特性等都会影响最终成形结果，每一项零件的研究成果不具备代表性，为此一直没
4、有一个定性结论。 数值 模拟是预测板料成形缺陷非常有效的手 段 4， 本文以 PAMSTAMP 软件为基础，对大飞机系列大曲率高翻边隔板零件的橡皮液压成形过程进行模拟，探讨侧压块模具结构与压边圈模具结构对橡皮成形消皱技术的影响效果，并以实验验证。 1 零件分析 图 1 为一系列大曲率、高翻边钣金结构件，该类型隔板件在大飞机固定前缘部位普遍存在，沿翼展方向分布、曲率渐进增大、结构类似“鱼头状”。 图 1 隔板零件示意及装配 Fig.1 Photo of diaphragm and assemble 3 任选其中一项隔板件，拟合“鱼头状”外廓最大曲率约为 R88mm，通过计算凸弯边成形系数可以判断
5、弯边橡皮成形不产生皱褶的最大变形程度。 图 2 隔板零件外廓拟合曲率示意 Fig.2 The curvature of the outer edge of diaphragm K=H/(R+H) (1) 式中 K 弯边系数 H 弯边高度， 25mm R 外廓曲率， 88mm 经计算 K=22.1%，近乎凸弯边极限弯边系数 Ke5的 2 倍，查表得， H 约为无褶皱最大弯边高度的 2.5 倍。 2 数值模拟 2.1 材料参数 材料为 2A12-O- 1.2mm，参数如表 1所示。 表 1 2A12-O- 1.2mm 材料参数 杨氏 模量 泊松比 屈服强度 硬化 指数 材料加工硬化 系数 E(GP
6、a) s (MPa) n K(GPa) 73 0.33 72 0.233 0.326 2.2 数值模拟模型 借助 PAM-STAMP 有限元分析软件分析鱼头类零件凸弯边橡皮成形缺陷。有限元模型按工艺实际设计，包含成形模具、初始毛坯、覆盖橡皮、设备平台，如图 3 所示。初始毛坯利用 INVERS 模块的坯料反算功能模拟得到。模型中成形模具、设备平台作为刚体，展开板料作为变形体，橡皮则假设为超弹性变形材料；整个橡皮成形过程中，施加压力为 30MPa。 图 3 模拟模型 Fig.3 FEM model 2.3 首次橡皮成形模拟结果与分析 一般对于高翻边零件的橡皮成形仿真计算，模拟时间会相对较长，在设
7、计模具时应注意外形光滑流线，非工作区的过渡转角半径尽量 5mm，避免橡皮长时间受压出现单元网格畸变破裂，导致计算失败。 4 模拟结束，从隔板零件材料厚度变化云图显示，平面区域材料厚度几乎没有改变 ，转角区域在曲率最大处及下陷突起处材料出现少许变薄，最大变薄量不超过原材料厚度的 11%，而弯边区域材料显示出五个不同层次的增厚，弯边边缘出现波浪式褶皱，材料最大增厚区发生在“鱼头状”头部 1/2 弯边处，最大增厚量为 0.41mm，约占原材料厚度的 33.3%，远远超出了文献中规定材料厚度不大于 20%的变化范 围 6。 图 4 数值模拟的材料厚度变化云图 Fig.4 Simulation thic
8、kness distribution 模拟结论，隔板零件直接进行橡皮成形会出现无法修复的褶 皱，必须从研究模具结构入手，改变弯边材料各向受压状态，使此部分材料在橡皮液压过程中始终受到支撑，不再起皱。 2.4 橡皮成形消皱技术 侧压块消皱应用广泛 ,但它存在一定的弊端，即就是初始毛坯必须留有足够的工艺余量，才能实现材料拉伸变形，这就带来了后续大量的手工切割、榔头修整工作，为此我们以橡皮精确成形为目标，探讨隔板件橡皮成形消皱技术。 2.4.1 侧压块模具消皱 带侧压块的模具结构可以较好的控制凸弯边起 皱 7， 其工作原理主要是利用板料与侧压块之间存在摩擦力来改变弯边材料的受力状态，使原来 只受压应
9、力的凸弯边，在受到侧压块的附加拉应力作用，削弱了压应力量值，从而起到减少皱褶出现的可能。 图 5 测压块模具消皱原理图 Fig.5 The principle of the side pressure block mold 影响侧压块的因素很多，如图 5 中侧压块的角度 a、侧压块与模具主体间距 d、侧压块转角半径 R、以及与零件相关的初始搭接余量 L、凸形弧度、翻边高度、材料特性等诸多 因素 8，由于不定因素较多、规律难寻，导致文献中侧压块消皱技术不能量化，研究成果不具备代表性。 依据图 5 中重要因素制定了三套侧压块模具设计方案，如表 2 所示，借助仿真技术预测消皱效果，从而判定各项工艺参
10、数的准确度和实验方案的可行性。 表 2 侧压块防皱试验设计方案 序号 转角半径 /R (mm) 底部间距 /d （ mm） 搭接余量 /L (mm) 倾斜角度 /a （度） a 5 35 20 55 b 8 35 10 55 c 5 25 10 60 在侧压块消皱成形模拟中，初始板料搭接在侧压块上，侧压块、型胎、覆盖橡皮三者间5 形成一个封闭楔型空腔，随着橡皮加压，搭边部分的材料被夹紧在侧压块上，发生变形的橡皮 使楔型空腔中的悬空材料承受较大拉应力，伴随着楔型空间的减小，板料渐进成形出型胎形状。 模拟显示，方案 a 搭边余量为 20mm 时，板料所 受摩擦力过大，限制了弯边材料向内的补给，导致
11、板料几乎被模具较小的工作转角切断。方案 b 当模具楔型空腔底部间距设定为35mm 时，模拟动画显示有更多的材料参与变形，等同于增大了材料的悬空区域，材料抗失稳能力变差，更易起皱。综合考虑，方案 c 模拟效果较好，侧压块对材料的拉伸作用明显。 （ a） （ b） （ c） 图 6 不同方案厚度变化云图 Fig.6 Simulation results with different methods 2.4.2 压边模具消皱 为了解决侧压块消皱方法无法利用展开毛坯成形的缺陷，以及对成形大曲率翻边件的结构限制，减少手工操作，借鉴拉深成形压边圈的工作原理探讨一种带压边圈的防皱模具结构。 防皱压边模具如图
12、 7 所示，由容框、成型模、压板、压边圈和橡皮垫块组成，容框为一长方体框架，包围着成型模，成型模的工作面与容框内壁之间围成一个“马鞍形”成型腔，压板和压边圈外形轮廓与成型腔匹配；在容框的成型空腔底部放置有可压缩的锯齿 状橡皮垫块。压板与压边圈夹持着板料放置于橡皮垫块 之上 9。 6 （ a） （ b） 图 7 防皱压边模具结构示意 （ a）上部（ b）下部 Fig.7 The blank holder die structure (a)The upper part (b)The lower part 采用消皱模具结构使板料翻边部分材料在橡皮液压过程中始终受到支撑，使原来只受压应力的弯边材料被较
13、多地拉应力取代，从而不再起皱。成形过程中模具容框内橡皮被挤压，产生压缩变形，固定在其上的压板和压边圈随之下移，夹持在压板和压 边圈之间的弯边材料受到刚性拉深，避免起皱和 回弹。 防皱压边模具在设计结构上需要注意三点：橡皮垫块总高 H 不得低于零件翻边高度的两倍；橡皮垫块锯齿间距 DH/2，一般不得小于 30mm，这样阻止压板、压边圈下行力会减小；锯齿的形状应能始终保持压边圈的的平稳下行。 3 试验 3.1 模具制造 依据前期防皱理论研究成果，制造完成侧压块成形模具和压边消皱组合模，如图 8 所示。 （ a） （ b） 图 8 两种防皱模具结构实照 （ a） 侧压块防皱模具 （ b）压边圈防皱模
14、具 Fig.8 Two kinds of anti-wrinkle die structure (a)Side pressure block mold (b)Blank holder die 3.2 成形 试验 7 为了 验证前期研究成果，依据模拟环境，制定了两组防皱试验方案，如表 3 所示。 表 3 隔板零件橡皮成形防皱试验方案 序号 防皱方式 成形压力（ MPa） 校形压力（ MPa） 工艺参数 1 防皱压边 模具 35 30 55 邵氏硬度橡皮 35 30 37 邵氏硬度橡皮 2 侧压块 模具 30 20mm 搭边余量 30 15mm 搭边余量 30 10mm 搭边余量 30 5mm 搭
15、边余量 3.2.1 压边防皱试验 锯齿型橡皮垫块制作工艺繁琐，为此简化为多个橡皮条取代其成形。首先在容框底部均匀填放长短不一的橡皮条，保证间距 30mm。如图 9 所示。其次安放压边圈，压边圈需与型胎平齐，压边圈上表面刷涂润滑油，减小摩擦；然后放置板料，销钉固定。如图 10 所示。 图 9 填放橡皮条的容框 Fig.9 Strip of filling in the rubber 图 10 压边圈与板料放置位置示意 Fig.10 The location of blank holde and sheet matal 试验发现，邵氏硬度 55 的橡皮垫块抗压缩能力强，零件最大成形高度仅为 10m
16、m，如图11 所示，即使增大液压机成形压力，也无法改变压边圈下降高度，因而橡皮硬度以及是否有开敞流动空间对此种消皱方法至关重要。 8 图 11 邵氏硬度 55的橡皮防皱压边成形效果 Fig.11 Forming effect of shore hardness 55 邵氏硬 度 37 的橡皮垫块柔软度明显提高，首次成形压力 35MPa，成形后弯边边缘受压板和压边圈间的切向拉应力而出现反弯，再次利用型胎液压校形，校形压力 30MPa，缺陷消除，零件最终成形高度为 30mm，弯边光滑无褶皱，经检测，外形尺寸合格，如图 12 所示。 图 12 邵氏硬度 37的橡皮防皱压边成形效果 Fig.12 Fo
17、rming effect of shore hardness 37 3.2.2 压边圈防皱试验 首次试验，板料搭边余量为 20mm，实验失败，较宽的搭边余量被橡皮牢牢地压实在侧压块上没有移动，板料被 模具较小的工作转角切断，一分为二，与模拟方案 a 类似，如图 13所示。 图 13 搭边余量 20mm 侧压块防皱试验效果 Fig.13 Test results of 20mm allowance 二次试验，展开毛料搭边余量约为 15mm，压边圈表面刷涂润滑油，此次侧压块作用明显，余量部分按预期成形步骤沿侧压块一步步弯折，使直立边直接靠实模具主体，不足之处余量局部较大，对于弧度较缓处弯边光滑无皱
18、，而对于弧度较急处富裕的材料来不及充分收缩而形成大小不一的褶皱，如图 14 所示。 图 14 搭 边余量 15mm 侧压块防皱试验效果 Fig.14 Test results of 15mm allowance 再次试验，展开毛料边缘恰好放置于侧压块的转角交线处，搭边余量为 5mm，侧压块起到了一定的作用，但由于压边量较小，起初按侧压块下滑的毛料失去依托，径直收缩变形压靠于模具，弯边底部出现修复不了的褶皱，如图 15 所示。 9 图 15 搭边余量 5mm 侧压块防皱试验效果 Fig.15 Test results of 5mm allowance 最终试验，搭边余量约为 10mm，此次试验比
19、较成功，弯边工 作部分尺寸流线，底部有一圈需要去除的裙边褶皱，由于覆盖橡皮无法进入楔形空腔，弯边贴胎效果不好，零件经切割后，手工修整后，贴胎度 0.5mm，如图 16 所示。 图 16 搭边余量 10mm 侧压块防皱试验效果 Fig.16 Test results of 10mm allowance 4 结论 （ 1） 通过对凸曲率、大翻边零件橡皮消皱技术的模拟分析和探索试验， 提出了 一种防皱压边模具结构和橡皮成形方法，可以使用净边的展开毛坯成形，实现消皱回弹同时保证，从经济性、工艺性上优于侧压块消皱方法。 （ 2） 借 助数值模拟技术，较好的掌握了凸形、高翻边零件侧压块模具结构设计，固化了
20、隔板件侧压块模具关键尺寸，并开展试验鉴证了毛料的最佳搭边余量为 10mm，有效地解决了高翻边零件起皱问题，避免了材料反复敲打出现冷作硬化现象。 （ 3） 对橡皮消皱技术有了深刻认识，橡皮柔韧性大，但超过 40%的压缩量有损橡皮回复，实施防皱压边的辅助橡皮垫块邵氏硬度不得高于 40,这样才能产生较大的下降空间，且锯齿型橡皮压缩量能达到相应矩形块状橡皮的一倍以上。 参考文献 1 中国锻压协会 航空航天钣金冲压件制造技术 M 北京：机械工业出版社 ， 2013: 81-92 2 付云方，高霖，王辉 橡皮囊成形的研究进展 J 中国制造业信息化， 2009, 38(7): 59-63,66 Fu Yun
21、fang, Gao Lin, Wang Hui. A review of research on rubber bladder forming J. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2009, 38(7): 59-63,66 3 唐荣锡 飞机钣金工艺 M 北京 : 国 防工业出版社， 1983: 54-58 4 李泷杲主编 金属板料成形 有限元模拟基础 M 北京 : 北京航空航天大学出版社， 2008: 4-10 5航空制造工程手册总编委会 航空制造工程手册飞机钣金工艺 M 北京 :航空工业出版社， 1992: 442-444 6 胡
22、正寰，夏巨谌 金属塑性成形手册 M 北京 : 化学工业出版社 , 2009:11-25 7 陈磊，邱晞，李善良，等 橡皮液压凸弯边成形试验与分析研究 J 锻压技术， 2007, 32(6): 58-60 Chen Lei, Qiu Xi, Li Shanliang, et al. Experrmental study and analysis on shrink flanging in rubber fluid forming J. Forging & Stamping Technology, 2007, 32(6): 58-60 8 贾敏，白颖，许海燕，等 钛合金板料橡皮高压冷成形起皱数值模
23、拟与控制研究 J 锻压技术， 2014, 39(6): 132-136 Jia Min, Bai Ying, Xu Haiyan, et al. Numerical simulation and control method of wrinkling in rubber high pressure cold forming of Ti alloy sheet metal J. Forging & Stamping Technology, 2014, 39(6): 132-136 9 白颖 , 李世峰 , 雷颖洁 一种大曲率高翻边钣金零件的橡皮成形方法及成形模具 P 中国专利，201710178
24、329.0, 2017-06-13 Bai Ying, Li Shifeng, Lei Yingjie. A method in rubber forming and modeling for stamping parts 10 with high curvature and flange P. Chinese patent, 201710178329.0, 2017-06-13 致 谢 论文的写作过程确实是个艰苦的历程，但是自己还是尽力地投入到这项工作中 去，不断地搜集资料，修改与整理论文，其中的艰辛可想而知。 幸运的是，在论文的撰写过程中，我得到了导师的帮助，在此向他表示深深的感谢。导师总是及时、耐心地引导我该怎么样去写好论文并对论文提出了许多宝贵的意见，从导师那里学会的一种“严谨、认真、耐心”的学术态度让我终生受益。 还有我的一些同学和朋友，帮忙提供了一些宝贵的资料，可以说，正是这些良师益友的帮助，才使我克服了论文写作过程中的种种困难，使我有信心完成。 最后，我要衷心地对曾经给予我帮助的老师和所有朋友以及我的家人致以崇高的敬 意和深深的感谢。
