一種雙向曲率曲面零件的成型工藝

曹顯嶸　蒲瑾

摘 要：雙向曲率曲面零件結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜、成型困難。在工程樣車試制中，若采用整體模具沖壓成型，模具制造費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，工程樣車的生產(chǎn)成本大幅上升，試制周期延長(zhǎng)。本文對(duì)曲面成型現(xiàn)有主流工藝進(jìn)行了分析，提出了一種針對(duì)雙向曲率曲面零件的分段成型工藝，實(shí)現(xiàn)了雙向曲率曲面零件的合格交付，滿足試制需求。

關(guān)鍵詞：雙向曲率曲面；成型；分段

1.引言

三維曲面零件的曲面按形狀可分為三類：柱面，單向曲率曲面以及雙向曲率曲面。其中曲面上任意一點(diǎn)的法線都與一軸垂直的曲面為柱面；曲面上任意一點(diǎn)的法線都是朝向一側(cè)的曲面為單向曲率曲面；曲面上任意一點(diǎn)的法線朝向不同側(cè)的曲面為雙向曲率曲面。圓柱面就是典型的柱面，橢圓拋物面是典型的單向曲率曲面，馬鞍面是典型的雙向曲率曲面。

公司某新型動(dòng)車組項(xiàng)目中，司機(jī)室左、右蒙皮3屬于雙向曲率曲面零件。由于試制周期短，兩項(xiàng)零件需選擇除了整體模具沖壓成型以外的成型工藝。而在其他常用的曲面成型工藝中，采用滾板機(jī)的滾弧成型，零件成型方向與滾板機(jī)輥軸垂直，因此只適用于加工柱面零件；采用薄板成型機(jī)的曲面成型，零件成型方向朝向一側(cè)，因此只適用于加工單向曲率曲面零件。所以在項(xiàng)目試制中，雙向曲率曲面零件需要一種新的成型工藝。

2. 零件工藝分析

司機(jī)室左、右蒙皮3屬于左右對(duì)稱零件，因此本文只針對(duì)左蒙皮3展開(kāi)工藝分析。左蒙皮3零件材料為2mm厚08AL板，橫向和縱向的曲率相反，屬于典型的雙向曲率曲面零件。

采用滾板機(jī)的滾弧加工工藝以及采用薄板成型機(jī)的曲面成型工藝，都無(wú)法滿足左蒙皮3的生產(chǎn)需求。因此本文考慮在左蒙皮3的生產(chǎn)中混合應(yīng)用兩種成型工藝。混合應(yīng)用存在兩種方式：①先薄板成型機(jī)曲面成型，然后滾板機(jī)滾弧；②先滾板機(jī)滾弧，然后薄板成型機(jī)曲面成型。對(duì)方式①進(jìn)行驗(yàn)證（圖5），發(fā)現(xiàn)薄板成型機(jī)曲面成型后，零件的已成型位置在滾弧中有部分被壓平，且在反復(fù)滾弧后出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，零件無(wú)法成型。對(duì)方式②進(jìn)行驗(yàn)證（圖6），發(fā)現(xiàn)滾弧后，零件在薄板成型機(jī)上曲面成型困難，零件成型質(zhì)量差。

綜上驗(yàn)證結(jié)果，方式①容易出現(xiàn)開(kāi)裂，無(wú)法用于生產(chǎn)，方式②成型困難，但有改良空間。因此，本文在方式②的基礎(chǔ)上提出對(duì)零件進(jìn)行分段成型的工藝方案，將雙向曲率曲面拆分成近似單向曲率曲面，降低成型難度。

3零件分段成型工藝

整個(gè)分段成型工藝的流程可編制為：分段下料、曲面成型、調(diào)整拼焊。具體內(nèi)容如下：

3.1分段下料

零件分段的目的是將雙向曲率曲面拆分成近似單向曲率曲面，因此在零件分段時(shí)，應(yīng)選擇彎曲變形小的方向進(jìn)行分段，且分段方向的曲面曲率無(wú)變化或變化較小時(shí)，應(yīng)采用均勻分段，曲率變化較大時(shí)，則應(yīng)采用非均勻分段。

分段數(shù)量越多，每個(gè)分段越接近單向曲率曲面，成型質(zhì)量越高。但是分段數(shù)量的增加，意味著后續(xù)焊縫增加，裝配定位也越復(fù)雜。因此，需綜合考慮以上因素，選擇適宜的分段數(shù)量。

零件橫向的彎曲變形較小而縱向的彎曲變形較大，因此選擇在橫向上進(jìn)行分段。零件從右至左曲率半徑逐漸變大，因此零件采用非均勻分段，分段的寬度從右至左逐漸變大。

左蒙皮3為三維曲面，下料前需繪制左蒙皮3的二維展開(kāi)圖，通過(guò)UG軟件中的“織物展平圖樣”功能，將零件的三維圖展開(kāi)成二維圖。為了便于裝夾、減少應(yīng)力集中、提高成型質(zhì)量，左蒙皮3在實(shí)際下料時(shí)在周邊預(yù)留了至少20mm的余量。

在考慮分段后的拼焊工作量以及滿足每段板料近似單向曲率曲面的基礎(chǔ)上，將左蒙皮3放量圖分五段，按1至5進(jìn)行編碼，并分段進(jìn)行激光下料。板材下料前的平面度越高，零件加工成型速度越快、成型質(zhì)量越好，因此下料前板材需進(jìn)行調(diào)平。

3.2曲面成型

每段板料曲面成型時(shí)，先使用滾弧工藝對(duì)縱向弧度進(jìn)行成型加工。滾弧半徑根據(jù)零件最小曲率半徑164.9mm選擇165mm。然后通過(guò)薄板成型機(jī)KF665，使用球面模PFW 100T對(duì)每段板料進(jìn)行整體曲面成型加工。在整體加工過(guò)程中，模具先以300沖程/分鐘的速度沖壓板料，使板料整體初步成型，再以600沖程/分鐘的速度進(jìn)行光滑曲面加工，以提高零件表面光潔度。模具沖壓板料的位置按近似螺旋形的路線循環(huán)變化，由外圈向中心移動(dòng)，再由中心向外圈移動(dòng)，如此反復(fù)直至最終成型。

3.3調(diào)整拼焊

零件曲面成型后，需檢驗(yàn)其外形尺寸是否合格，并對(duì)不合格的地方進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)三維曲面零件復(fù)雜外形難以檢驗(yàn)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了專用于檢驗(yàn)左蒙皮3的工裝。工裝在設(shè)計(jì)時(shí)，上表面與零件三維模型貼合，因此可通過(guò)觀察測(cè)量工裝與零件的間隙大小、工裝與零件的邊緣對(duì)齊程度，來(lái)判斷該零件尺寸是否合格。

所有分段成型后，按分段編碼的順序放置于檢驗(yàn)工裝的上表面進(jìn)行檢驗(yàn)，并通過(guò)木錘敲打的方式，縮小零件與工裝的間隙。調(diào)整的時(shí)候按照從零件中心到四周的順序逐步進(jìn)行。

每個(gè)分段調(diào)整合格后，根據(jù)檢驗(yàn)工裝的邊緣進(jìn)行劃線，割除下料前預(yù)留的余量，再進(jìn)行分段間的拼焊。拼焊時(shí)，焊接變形控制是影響成型質(zhì)量的重要因素。為了減少焊接變形，需采取剛性固定的辦法：將每段蒙皮通過(guò)點(diǎn)焊的方式固定在司機(jī)室骨架上，完成左蒙皮3的組焊。

本文在已有設(shè)備和常用工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種雙向曲率曲面零件的分段成型工藝。應(yīng)用該工藝進(jìn)行司機(jī)室左、右蒙皮3的試制生產(chǎn)，設(shè)備成本低，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)零件質(zhì)量合格，確保了試制項(xiàng)目的順利完成。