拉形工艺方法综述-航空航天钣金冲压件制造技术

1.拉形工艺分类

（1）纵向拉形 纵向拉形是指板料纵向两端头夹紧，在拉形模向上顶力和两夹钳反向纵拉力的双重加载作用下，迫使板料与拉形模贴合的成形方法。

纵向拉形一般用于成形纵向曲率较小，即纵向曲率半径较大的狭长形蒙皮零件。

纵向拉形成形示意图如图3-1所示。

（2）横向拉形 横向拉形是指板料横向两端头夹紧，在拉形模向上顶力和两夹钳横向拉力的双重加载作用下，迫使板料与拉形模贴合的成形方法。

横向拉形一般用于成形横向曲率较大，即横向曲率半径较小的蒙皮零件。

纵向拉形成形示意图如图3-2所示。

图3-1 纵向拉形成形

图3-2 横向拉形成形

2.拉形的成形过程

就一般情况来说，纵向拉形过程分为五个阶段，横向拉形过程分为三个阶段。

（1）纵向拉形过程

1）将蒙皮坯料纵向两端装入夹钳位置，夹紧坯料；调整各夹钳组合的角度，使其坯料在钳口夹持位置弯曲形成适当的弧度，此时材料开始横向受弯，如图3-3所示。

2）夹钳加载拉伸坯料，使其材料屈服，产生较均匀的塑性变形，初步形成双曲度蒙皮的外形，如图3-4所示。

图3-3 蒙皮横向受弯

图3-4 双曲度外形初成

3）工作台驱动上升，拉形模型面顶靠坯料，纵向受拉弯曲，双曲度外形逐渐精确；坯料边缘失稳起皱，形成波纹，如图3-5所示。

4）继续拉形坯料，促使纵向边缘的压应力向拉应力转变，皱纹拉平，如图3-6所示。

图3-5 双曲度外形形成

图3-6 双曲度蒙皮贴模

5）坯料完全贴模后，再适当加载补拉，以最大程度消除材料的内应力，减小回弹。旨在减少后续工序（如开制口盖孔、热处理、表面处理及化学铣切）引起的零件变形。

（2）横向拉形过程

1）将蒙皮坯料长边两端装入夹钳位置，夹紧坯料；工作台驱动拉形模上升与坯料接触，材料开始受弯曲，如图3-7所示。

图3-7 蒙皮纵向受弯

2）工作台驱动拉形模继续上升，坯料从接触点开始产生不均匀拉形变形，直至与拉形模贴合，如图3-8所示。

3）坯料和拉形模完全贴合后，工作台再上升，使坯料曲面上各点均匀变形约0.5%，可减少零件回弹，俗称“补拉阶段”，如图3-9所示。

图3-8 双曲度外形形成

图3-9 蒙皮补拉

3.拉形方法

（1）一次拉形成形 先将零件坯料（O状态、M状态等）进行固溶处理，在W状态下立即进行一次拉形成形，如图3-10所示。零件坯料（O状态、M状态等）先淬火后拉形，可避免软料拉形半成品淬火后的热处理变形，省去了补拉工序。

一次拉形成形的限制条件如下：

1）零件坯料经固溶处理成W状态，必须在45min内完成拉形成形。

2）其零件拉形系数K_L应小于极限拉形系数K_max，即KL＜_Kmax。

图3-10 单模（一次拉形）

①拉形系数K_L是指板料拉形后，变形最大剖面处长度L_max与其原长度L₀之比。即

L_max与变形最小剖面处长度L_min决定于零件的构形特征，可以从拉形模上直接量取。

②极限拉形系数K_max是指在拉形时，当板料濒于出现不允许的缺陷时（破裂、滑移线、粗晶或“橘皮”等）的拉形系数。即

式中 A_L——单向拉形出现不允许的缺陷时的伸长率（%）；

μ——摩擦系数，一般取0.1～0.15；

n——材料的应变强化指数，铝合金一般取0.12～0.21；

e——自然对数底，e≈2.718；

α——坯料在模具上的包角。

（2）单模（两模）两次拉形成形 零件坯料局部拉形变形量较大，已接近极限拉形量，即K_L＞0.8K_max。可采用单模两次拉形或两模两次拉形的方法，另外穿插中间退火，以改善零件材料的变形趋势，从而完成拉形过程，如图3-11所示。

两次拉形成形的限制条件为：必须穿插中间退火。

图3-11 单模（两模）两次拉形(www.xing528.com)

（3）成组拉形 若干个外形相近的零件组合为一个曲面，用一个拉形模拉形成形，省工省料，如图3-12所示。

成组拉形的限制条件为：这些零件的材料规格相同，且曲面外形相近。

（4）重叠拉形 对于料厚＜1mm且需多次拉形的零件，首次拉形时，将若干张坯料重叠在一起拉形，可防止材料失稳起皱，如图3-13所示。

重叠拉形的限制条件为：零件材料料厚＜1mm。

图3-12 成组拉形

图3-13 重叠拉形

（5）预成形后拉形 复杂曲面零件，先用其他方法预成形初形（如落压成形、滚弯成形、滚轮成形或手工成形等），再拉形，如图3-14所示。

预成形后拉形的限制条件如下：

1）必须增加中间退火。

2）在多次成形过程中，要注意保护零件外表面，以防外表面质量恶化。

图3-14 预成形后拉形

a）平板坯料 b）预滚弯成形 c）横向拉形

（6）加上压盖拉形 在拉形过程中，与模具顶力方向相反的局部上模加压，可成形零件曲面上的局部凸包或凹陷部位，如图3-15所示。

加上压盖拉形的限制条件为：上压盖型面光滑，成形表面涂油，避免零件外表面擦划伤及压印。

4.拉形成形工艺要点及对策

（1）双曲度蒙皮拉形力 前期工艺设计中，要计算零件成形的拉形力，它是零件是否贴合拉形模，以及零件拉形后能否具有准确双曲度理论外形的关键。

纵向拉形时，拉形夹头的拉力（一侧夹头的组合拉力）为

P_L=0.9SR_m

横向拉形时，工作台顶力为

P_D=1.8SR_msin（α/2）

式中 P_L——拉形夹头的拉力（N）；

P_D——工作台顶力（N）；

R_m——板料的抗拉强度（MPa）；

S——板料的原始剖面面积（mm²）；

α——板料在模具上的包角（°）。

图3-15 加上压盖拉形

零件成形的拉形力应小于蒙皮拉形机的安全额定拉力。

（2）超宽超长双曲度蒙皮 该零件坯料长度应小于蒙皮拉形机两夹钳组极限位置的最大距离。坯料宽度应小于夹钳组的最大宽度。

（3）锥形蒙皮 锥形蒙皮拉形成形，坯料可选为梯形。两端宽度差不能太大，以避免小端撕裂。梯形坯料设计时应使悬空段等宽，如图3-16所示。

（4）马鞍形蒙皮 马鞍形蒙皮坯料在横向拉形时为防止两端发生侧滑，必须加大坯料两侧余量使其包覆在拉形模圆角上，如图3-17所示。坯料外形为矩形或梯形。

5.蒙皮拉形极限

在蒙皮拉形过程中，当板料濒于出现不允许的缺陷时（破裂、滑移线、粗晶及“橘皮”等），意味着板料变形已接近拉形极限。工艺上用极限拉形系数来表示。各种零件拉形前，要计算拉形系数不得大于零件的极限拉形系数。

6.表面滑移线

金属板材拉形时都会出现滑移线（吕德斯线）。在外界拉应力作用下，由于金属晶格各向异性变形和晶界错位，表面上会出现视觉可辨的滑移线群。滑移线群源头与移动方向呈45°夹角，从一端飘向另一端，然后返回，周而复始。一层层滑移线的叠加、密集及覆盖，布满整个板材表面。板材卸载后滑移线依然存在，但一般目视不易发现。若在镜面板材上可以看到，但无触感。

图3-16 锥形蒙皮坯料设计

图3-17 马鞍形蒙皮横向拉形防侧滑对策

从微观角度来说，滑移线是金属板材外表面的极细微波纹，其深度以微米（_μm）来计，对蒙皮零件的使用性能毫无影响，仅对飞机镜面蒙皮外观的商用价值产生影响。

7.表面“橘皮”或粗晶

板材拉形量过大，会产生“橘皮”现象。工序中的高温退火容易产生粗晶，对于蒙皮零件都是不允许的。

控制表面“橘皮”或粗晶的方法如下：

1）变形量小于临界值80%。成形后尽量不要退火，若需要，控制退火温度低于再结晶温度，缩短保温时间。

2）使用细晶粒度板材。

8.镜面蒙皮成形

镜面蒙皮又称抛光蒙皮，具有耐疲劳，耐腐蚀，气动表面光滑、美观等特点，在近代大型民用飞机上被广泛采用。一般的蒙皮加工方法适用于成形镜面蒙皮，问题是如何减少滑移线产生，以及进行外表面保护及修复。

（1）减少滑移线产生方法

1）在镜面板材拉形过程中，变形量尽可能控制在1.5%～2.0%范围内，最大变形量不得超过4.0%，否则会出现严重“滑移线”。

2）拉形过程速度均匀（速度随蒙皮厚度而不同，一般为2.5～8.0mm/s），不间断，有利于减少滑移线的产生，提高零件表面质量。

3）超低温拉形，也可有效减少滑移线的产生。

（2）外表面保护及修复方法

1）在拉形、搬运和工序交接过程中，涂覆AC-850可剥塑料涂层加以保护。

2）镜面蒙皮表面局部有轻微损伤可以修复，具体方法按修复文件执行。