7050鋁合金Z形型材雙曲度彎曲成形的研究

文／黎春江·航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司

本文介紹了7050鋁合金Z形截面型材彎曲成形的工藝方法，從材料的力學性能、截面特點、模具的設計以及成形工藝參數等方面進行分析，針對成形過程中遇到的問題和難點，提出解決辦法，提高成形質量。

在現代飛機零件制造中，很多框緣類和長桁類零件大都采用擠壓型材制造，根據結構設計的需要，此類零件多選取L形與Z形截面的型材。而該類零件由于在裝配時直接與蒙皮鉚接，難免會出現單曲度、雙曲度甚至多曲度這樣復雜的理論外形，這就需要對型材進行彎曲成形，用以貼合蒙皮外形，保證整個飛機結構外形輪廓的流線，并增加結構強度。因此，型材零件的彎曲成形技術是鈑金零件的一種通用的制造技術，而彎曲成形的質量也直接決定了產品質量和飛機的制造水平。

彎曲成形工藝方法包括拉彎成形、滾彎成形和壓彎成形。其中，對于彎曲半徑較小，曲率變化較集中的零件，多采用壓彎成形。本文主要以7050鋁合金為例，介紹Z形截面型材的雙曲度壓彎成形工藝。

成形工藝難點

7050屬于高強度可熱處理合金，具有極高的強度及抗剝落腐蝕和抗應力腐蝕斷裂的性能，以T76511狀態為例，其抗拉強度達到552MPa，厚度為1.6mm時延伸率僅為5%，材料在室溫下真實應力-應變曲線如圖1所示。材料屈強比較大，硬化趨勢偏小，成形過程中變形區的應變不易向鄰區傳播，容易出現斷裂或因成形不充分導致嚴重的回彈，此外由于Z形截面的結構特點，邊會對變形產生抵抗，造成型材截面產生畸變。

圖1 7050-T76511鋁合金型材材料真實應力-應變示意圖

圖3 零件外形

以國產某型機機身長桁零件為例，采用7050-T 76511鋁合金，型材截面如圖2所示，厚度為2mm，長度為1400mm。該零件理論外形（圖3）為多曲度帶折彎和下陷，零件沿Y軸和Z軸有不同曲度。成形時主要有以下難點：一是7050的材料性能決定了在T狀態時應變小，延伸率低，成形容易造成零件產生斷裂或回彈；二是零件彎曲半徑較小，成形時應力比較集中，也會增大回彈量；三是Z形帶彎鉤的截面結構會對變形產生很大的抵抗，且工人難以手工成形和校正。

成形工藝措施

材料成形狀態的選擇

設計選用的7050鋁合金在T76511狀態時塑性較差，而通過固溶熱處理，得到的新淬火狀態（AQ），在該狀態下的材料屈服強度降低，延伸率大幅增大，塑性增強，從而使成形難度降低，再從生產成本以及生產效率等多方面考慮，決定采用在AQ狀態下成形的工藝方法。

工裝設計方案

根據工藝特點和工廠的生產條件，模具設計分為上模與下模，上模為凸模，下模為凹模。使用時下模固定在模座上，將淬火后的零件和上模放置在下模凹槽內，通過液壓機對上模施加壓力，使零件產生彎曲變形。在研究工裝結構方案時提出了兩套方案，方案一是將零件沿長桁軸線旋轉一定角度使彎曲方向與水平面垂直，放入模具進行一次性液壓成形，但該方案會使受力點較集中，容易導致硌傷零件甚至斷裂。方案二是制造兩套彎曲模Ⅰ和Ⅱ，用彎曲模Ⅰ（圖4）先成形出一個單曲度，再放入彎曲模Ⅱ（圖5）中成形出雙曲度，這樣零件的受力會比較分散，最后選取方案二作為最終方案。根據成形力和模具結構，選用100t液壓機進行成形。

圖4 彎曲模Ⅰ結構示意圖

圖5 彎曲模Ⅱ結構示意圖

需要注意的問題

由于7050鋁合金在固溶態時的不穩定性，時效后需檢測其電導率和洛氏硬度值以驗證熱處理是否合格，受淬火溫度以及淬火時間等綜合因素的影響較大，較容易出現實測值超出技術文件規定的驗收值范圍，導致出現不合格品。對于電導率不符合要求的產品，可進行重復熱處理以確保實測值符合要求；對于硬度檢測不符合要求的產品，可抽取隨爐試樣進行機械性能測試，測試結果可代替硬度檢測。

存在的問題及解決措施

成形部位兩端的變形

在試模過程中發現，由于模具初期設計為上模和下模長度尺寸一致，在使用彎曲模Ⅰ成形時，下模兩端作為支撐邊，液壓機加壓后，零件在隨上模向下位移的過程中，受到來自上模所施加的壓力T和來自下模兩邊的支撐力F1和F2，處于模具外部分零件不受力。隨著上模繼續向下移動，壓力T逐漸向兩端分散，到達底部時，由于增加了一個材料厚度，造成分散的壓力T1和T2缺少足夠的支撐力，在T1和T2的共同作用下，零件彎曲部位兩端發生變形。

圖6 成形過程示意圖

通過分析變形產生原因，改進模具結構，將上模兩端尺寸各縮短20mm，使上模到達底部時兩端的壓力T1和T2得到支撐，同時，由于零件除彎曲部位外，兩端近似于平面，曲度可忽略不計，因此制造了一套校形用的壓塊，在壓彎成形后將模具換成壓塊直接對兩端進行校形，觀察成形效果，截面變形已基本消除，零件表面質量良好。

成形后的回彈問題

在鋁合金零件的各類成形方法中，回彈是一個不可避免的問題，回彈問題的存在造成彎曲型材的形狀及尺寸與設計要求不符，直接影響著彎曲型材的品質，包括外觀質量、裝配性能和使用可靠性等。現代工藝加工方法通過有限元數值分析、修模等方法，克服回彈，獲得精度較高的彎曲型材。

型材彎曲回彈過程可以通過ANSYS或LS-DYNA等軟件來進行模擬分析，但分析過程較復雜，需要耗費大量的時間才能獲得回彈結果，而且模擬過程中工藝參數的一點點改變就會引起回彈結果的誤差，在此我們采用更加直觀的修模法來消除回彈。我們選取了一組樣件，對成形后的零件回彈量進行數據采集。在零件的成形區域每隔20mm截取一點與檢驗工裝進行對比，記錄回彈距離（圖7）。

圖7 回彈距離示意圖

表1所示為彎曲模Ⅰ的回彈距離數值，表2所示為彎曲模Ⅱ的回彈距離數值。根據表中的數據，對模具型面進行優化，根據經驗適當修整上下模型面相應尺寸，對回彈量進行補償，以此獲得更高的成形精度。經過修整模具后重新試壓觀察測量，回彈量已基本消除，符合所要求的公差范圍，且零件外形、表面質量均達到技術文件要求。

結束語

7050鋁合金在T料狀態下屈強比高，延伸率小，不適合在室溫下直接成形，而對于尺寸較長的零件，退火后變形較大，需要工人進行大量的手工校形，故本文提出了一種在新淬火（AQ）狀態下，選擇合理的模具結構和適當的工藝參數，利用修模法減小或消除變形和回彈，從成形質量、生產效率、成本節約等多方面考慮，提出了一種雙曲度Z形截面型材成形的方法。當然，這種方法只是為今后相似零件的生產制造提供了一種思路，還有一些需要改進的地方，比如在消除回彈方面，采用軟件進行模擬分析，計算回彈量，這樣可以避免反復地修改數據，修整模具，且結果也更為精確。另外，今后也可對雙曲度一次液壓成形的方法進行驗證，這就需要對材料性能和模具結構進行更為深入的研究。本文只探討了鋁合金雙曲度彎曲成形方法的其中一種，對于其他方法，還需要進行大量的試驗論證。

表1 彎曲模Ⅰ的回彈距離數值

表2 彎曲模Ⅱ的回彈距離數值