1、 年第 期飞机圆筒形零件冲压成形技术分析由博(吉林化工学院 航空工程学院,吉林 吉林 )摘要:以飞机圆筒形零件的冲压成形工艺为研究对象,通过分析圆筒形零件的冲压加工工艺性,确定其冲压加工工艺方案.计算圆筒形零件的毛坯直径,确定毛坯的排样方式,计算材料利用率.计算模具主要零部件关键部位尺寸和圆筒形零件冲压成形所需各项力.圆筒形零件冲压成形工艺分析为实现其冲压加工,提供了理论基础,与此同时,对同类零件的冲压加工也有一定的参考价值.关键词:冲压加工;成形工艺;圆筒形零件中图分类号:V 文献标识码:A文章编号:X()S t a m p i n ga n dF o r m i n gT e c h n
2、i c a lA n a l y s i so fA i r c r a f tC y l i n d r i c a lP a r t sY o uB o(F a c u l t yo fA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g,J i l i nI n s t i t u t eo fC h e m i c a lT e c h n o l o g y,J i l i n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s t a m p i n gp r o c e s so f a i r c r a f t c y l i n d
3、 r i c a l p a r t s i s t a k e na s t h e r e s e a r c ho b j e c t,t h es t a m p i n gp r o c e s s i n gp r o j e c t i s d e t e r m i n e db y a n a l y z i n g t h e s t a m p i n gp r o c e s s p r o p e r t yo f t h e c y l i n d r i c a l p a r t s T h e b l a n kd i a m e t e r o f c y
4、l i n d r i c a lp a r t s i s c a l c u l a t e d T h e l a y o u t o f t h eb l a n k i s d e t e r m i n e d T h em a t e r i a l u t i l i z a t i o n i s c a l c u l a t e d T h e s i z e o f t h ek e y l o c a t i o n so f t h em o u l dm a i np a r t s a n d t h e s t a m p i n g f o r c eo f
5、 c y l i n d r i c a l p a r t s a r e c a l c u l a t e d T h e t h e o r e t i c a l b a s i s i sp r o v i d e db ya n a l y z i n g t h e s t a m p i n gp r o c e s s o f c y l i n d r i c a l p a r t s f o r t h e r e a l i z a t i o no f t h e s t a m p i n gp r o c e s s A t t h e s a m e t i
6、 m e,i t a l s oh a s a c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e f o r t h e s t a m p i n gp r o c e s so f s i m i l a rp a r t s K e yw o r d s:S t a m p i n gp r e s s i n g;F o r m i n gp r o c e s s;C y l i n d r i c a l p a r t s作者简介:由博(),男,吉林吉林人,吉林化工学院讲师,主要从事微小零件精密压装及其自动化方面的研究.引言钣金零件在组成一架飞机的众
7、多零件中数量最多、占比最高,其加工质量对飞机是否能够安全飞行有直接影响.自上世纪初飞机诞生以来,飞机的钣金零件的成形基本上采用手工操作方式实现,手工操作方式存在的主要问题是零件加工质量主要依靠工人的经验,导致产品质量一致性较差,这一点在早期生产的飞机上尤其明显.随着机械制造技术和电气控制技术的进步,为了提高产品质量,最大限度的摆脱对操作工人经验的依赖,从上世纪末开始逐渐向使用半自动冲压设备为主、手工修正为辅的方式实现飞机钣金零件的成形.目前,航空航天领域钣金零件成形所采用的技术有超塑性成形/扩散连接成形、旋压成形、蠕变时效成形、喷丸技术、拉深成形等,这些技术中使用频率较高、技术成熟度较高的是拉
8、深成形,主要用于飞机蒙皮零件的成形.随着信息技术的发展,飞机制造业正在从机械化向信息化过渡,比如,对钣金零件成形进行信息化管理、开发钣金成形工艺快速设计系统等.总体来看,目前钣金件的成形研究主要围绕如何从机械化向信息化过渡,而传统的拉深成形技术应用于飞机小钣金件成型方面的研究则不多见.因此,分析飞机钣金件中圆筒形件的成形工艺,为实现飞机小型钣金件的冲压加工提供有益的借鉴.工艺性分析及冲压工艺方案的确定 圆筒形零件的工艺性分析圆筒形零件的工艺性是指在保证零件完成加工后能够正常使用的前提条件下,其是否适合冲压加工.分析圆筒形零件工艺性及确定工艺方案时,主要从四个方面着手,即零件的结构特征、尺寸精度
9、要求、所用材料的力学性能、加工成本.在结构特性上,主要考量的内容包括零件的结构是否规整、形状是否有狭长的结构(例如悬臂或凹槽)、内部是否有孔(如果有孔则是否为圆形)、结构是否为轴对称且不产生急剧变化、拉深的次数、拉深变形处圆角半径大小等.圆筒形零件的结构和尺寸如图所示.图飞机圆筒形零件圆筒形 零 件 所 选 用 的 材 料 为Q A,零 件 厚 度 为 mm,生产批量为大批量.从结构特征、尺寸精度、材料力学性能三个方面对圆筒形零件的工艺性进行分析.圆筒形零件的结构特征:从图中可以看出圆筒形零件结构简单,圆筒内外形状规则且轴对称,其外形轮廓不存在即窄且长的结构,内部虽有孔,但孔是圆形的且与零件同
10、轴,拉深变形处圆角半径适中.圆筒形零件的尺寸精度:如图所示圆筒形零件内孔的上、下偏差分别为 和,对应的精度等级为I T 级,圆筒形零件底孔的上、下偏差分别为 和,对应的精度等级也为I T 级,精度等级要求不高,冲压加工可以满足要求.圆 筒 形 零 件 的 材 料:锥 体 零 件 选 用 的 材 料 为内燃机与配件w w w n r j p j c nQ A,屈服强度为 MP a左右,具有较好的落料、拉深、弯曲等冲压性能,强度和刚度适中,在拉深过程中,也具有很好的韧性和塑性,能够保证很好的塑性变形.材料厚度的增加会导致其自身屈服强度下降,但圆筒形零件壁厚仅为 mm,影响可以忽略不计.通过上述分析
11、可知,飞机圆筒形零件冲压加工工艺性较好.确定冲压工艺方案圆筒形零件冲压加工的主要工序包括下落料、拉深、冲孔,针对该零件的冲压加工一共设计了四套方案:方案一:下料落料拉深冲孔修边热处理表面处理检验入库;方案二:下料落料、拉深、冲孔依次进行修边热处理表面处理检验入库;方案三:下料落料、拉深同时进行冲孔修边热处理表面处理检验入库;方案四:下料落料、拉深、冲孔同时进行修边热处理表面处理检验入库.对方案一而言,落料、拉深、冲孔三道工序分别用三套模具完成,这种方案的好处在于三套模具的结构都不复杂,其设计、零部件加工、装配相对较为容易.但是,这种方案的弊端在于零件在加工过程中需要更换两次模具,进行三次装夹,
12、如此一来,累积装夹误差过大,零件加工精度明显下降.除此之外,三套模具分别安装在三台压力机上,需要三名操作工人,这不免导致零件加工成本由于人力资本和设备投入增大而大幅度提高,因此该方案不宜采用.对方案二来说,在同一套模具上依次完成落料、拉深、打孔三道工序,这种方案的好处是只用了一套模具,避免了在方案一中出现累计装夹误差过大的现象,提高了工件的加工精度.与方案一相比,加工成本明显降低.但是,该方案在模具的复杂程度方面明显高于方案一中任一套模具,而且模具的闭合高度明显高于其他两个方案对应的模具,这不利于压力机的选择.对于方案三来说,在同一套模具上同时完成落料和拉深两道工序,而冲孔则是用一套单独的模具
13、来完成,这种方案采用的模具在模具设计难度、零件加工和装配成本等方面与前两套方案相比,处于方案一和方案二之间,模具闭合的高度比方案二要小,对操作人员的专业技术水平要求适中,生产效率有所提高.对方案四来说,在一套模具上完成落料、拉深、打孔三道工序,模具设计难度高于方案一和方案三,而低于方案二;经济性优于前三种方案;没有因为多次装夹而造成累计误差的现象发生;不要求工人具备较高的操作技术水平;四种方案中生产效率最高.通过对上述四套方案的分析,最终选用的工艺方案为第四套方案.工艺参数计算 毛坯直径尺寸计算实现圆筒形零件的冲压加工,首要确定的工艺参数是毛坯直径,毛坯直径确定的依据是体积不变原理,即毛坯体积
14、与圆筒形零件的体积是一样的.对于圆筒形零件的拉深成型,拉深前毛坯的厚度和拉深后零件的壁厚是一样的,而毛坯的体积和圆筒形零件的体积是相等的,那么,毛坯和圆筒形零件的表面积也是相等的,而毛坯是圆形的,因此,只要计算出圆筒形零件的表面积,自然就可以算出毛坯的直径.为求出圆筒形零件的表面积,需对其结构进行分解,分解示意图如图所示.冲压成形前后,材料厚度没有变化,根据体积不变原则,毛坯和锥体零件的表面积是相同的.图圆筒形零件分解示意图从图可以看出圆筒形零件 分 成 三 个 部 分,第一个 部 分 是 无 底 空 心 圆筒,第 二 个 部 分 是 过 渡 圆角部分,第 三 个 部 分 为 筒底部分.无底空
15、心圆筒的表面积计算如下:A d(Htr)()mm.式中,A为无底空心圆筒表面积(mm),d为中性层直径(圆筒形零件内径与壁厚之和)(mm),H为圆筒形零件的高度(mm),t为材料的厚度(mm),r为过渡圆角半径(mm).过渡圆角部分的表面积按久里金法则计算如下:A/r(dr)r /()mm.式中,A为过渡圆角部分的表面积(mm),d为中性层直径(圆筒形零件内径与壁厚之和),t为材料的厚度(mm),r为过渡圆角半径(mm).筒底部分的表面积计算如下:A(dr)/()/mm.式中,A为筒底部分的表面积(m m),d为圆筒形零件内径(m m),t为材料的厚度(m m),r为过渡圆角半径(m m).方
16、案四中有一道工序是修边,修边是指对成形后的圆筒形零件进行去除材料加工,使顶部圆环面平整,因此在高度方向应留有加工余量,具体数值根据相对高度H/d 查表得h m m,无底空心圆筒表面积A修正计算如下:A修正 d(Htr)()mm.毛坯的表面积计算如下:AAAA mm.则毛坯直径DA/(/)/mm.确定拉深次数圆筒形零件的拉深次数是由其相对高度和相对厚度共同决定的.圆筒形零件相对厚度为t/D /在 范围内,但其相对高度为 ,所以可以一次拉深成型,不必压边.排样及相关计算圆筒形零件的坯料形状为圆形,为保证相邻两个坯料在冲压过程中不产生相互影响而采用有废料的排样方法,故需确定相邻两个坯料之间的搭边值及
17、坯料与板材的搭边值.坯料与板料边界之间的搭边值a mm,工件之间的搭边值a mm,它们是通过查表确定的.圆筒形零件冲的压加工采用无侧压装置的模具,因此条件宽度计算如下:年第 期B(DaC)mm式中,B为板料宽度(mm),D为毛坯直径(mm),a为坯料与板之界之间的搭边值(mm),C为导料板与板料之间的间隙(mm),为板料宽度偏差(mm).冲压步距为坯料直径和工件之间的搭边值之和,具体数值为 mm.材料利用率为毛坯面积与所在板料面积的比值,具体数值为 .图排样图凸凹模刃口尺寸计算按圆筒形零件冲压工艺流程可知,坯料需经落料获得,其厚度为 mm,通过查表可知,凸凹模的最大间隙Zm a x mm,最
18、小 间 隙Zm i n mm,则 有Zm a xZm i n mm.由公差表可知,mm精度为I T 级时,取磨损系数x为,则落料凸凹模刃口尺寸计算如下:DA(Dm a xx)A()mm,DT(DAZm i n)T()mm.式中,DA为落料凹模直径(mm),DT为落料凸模直径(mm).凸、凹模公差和小于最大间隙与最小间隙之差,满足间隙公差条件,上述计算结果可以使用.落料凸、凹模刃口尺寸及公差确定后,还需确定拉深凸、凹模刃口尺寸及公差,二者单边间隙Z/取材料厚度的 t,即 mm,具体计算过程如下:dT(dm i n )T()mm,dA(dm i n Z)A()mm.式中,dT为拉深凸模直径(mm)
19、,dA为拉深凹模直径(mm).在完成毛坯落料凸、凹模和圆筒拉深凸、凹模刃口尺寸计算后,还需计算冲孔凸、凹模刃口尺寸.孔的基本尺寸为 mm,其厚度为 mm,通过查表可知,凸凹模最大间隙Zm a x mm,最小间隙Zm i n mm,则有Zm a xZm i n mm.由公差表可知,mm的精度级为I T,取磨损系数x为,则冲孔凸、凹模刃口尺寸计算如下:dT(dm i n x)T()mm,dA(dTZm i n)A()mm.式中,dT为冲孔凸模直径(mm),dA为冲孔凹模直径(mm).冲裁压力计算圆筒形零件的冲压加工涉及落料、拉深、冲孔三道冲压工序,因此,需要分别计算三道工序所需力,方可进行压力机的
20、选择.落料力落料力指的是毛坯外圆柱面所受剪切力,其最小值应为外圆柱面积和材料抗剪切强度的乘积,具体计算如下:F落 d t k N式中,F落为落料力(k N),d毛坯直径基本尺寸(mm),t为材料厚度(mm),为抗剪切强度(MP a).冲孔力冲孔力指的是圆筒形零件底部中心孔内圆柱面所受剪切力,其最小值应为内圆柱面积和材料抗剪切强度的乘积,具体计算如下:F冲 d t k N式中,F冲为冲孔力(k N),d圆筒形零件底部中心孔直径(mm),t为材料厚度(mm),为抗剪切强度(MP a).拉深力拉深力指的是毛坯变为圆筒形零件所需的力,具体计算如下:F拉 dt b k N式中,b为材料的抗拉强度,d为中
21、性层直径(mm),t为材料厚度(mm).总变形力应为上述三力之和,即 k N.结语通过对飞机圆筒形零件冲压工艺分析,可知其较为完整的冲压工艺流程中主要包括对零件的结构工艺性进行分析,确定所需冲压工序并提出多种组合对应的冲压工艺方案;对提出的方案进行比较分析,选择其中相对较为合适的;对主要工艺参数、模具主要零件的关键尺寸、所需力进行计算.在实际工作中,本文针对上述内容所做的分析和计算并只针对于飞机圆筒形零件,对其他飞机钣金零件的冲压同样有一定的参考价值.参考文献:谢永鑫,李国栋,马运辉飞机钣金深窝类零件橡皮成形工艺研究J航空精密制造技术,():卢文博,熊然,张珊等钣金成形技术在航空航天中的应用J
22、航天制造技术,():朱永胜,刘洋先进钣金成形技术在航空制造领域应用分析J科技创新与应用,():李光俊,黄庆奕,刘洪等基于知识工程的钣金快速工艺设计系统开发J航空制造技术,():韩志仁钣金成形信息化发展关键技术J航空制造技术,():刘闯,范玉斌,王俊彪飞机钣金成形信息化现状与关键技术解决途径J航空制造技术,():朱丽飞机钣金零件实验研究及成形工艺优化设计C/中共沈阳市委,沈阳市人民政府第十二届沈阳科学学术年会论文集(理工农医)第十二届沈阳科学学术年会论文集(理工农医),:李光俊,袁胜,许旭东等面向对象的钣金成形有限元分析系统开发与应用J航空制造技术,():刘建超,张宝忠冲压模具设计与制造M北京:高等教育出版社,冯炳尧,王南根,王晓晓模具设计与制造简明手册M上海:上海科学技术出版社,
