薄壁铝合金整流罩成形工艺

Forming process of thin-walled aluminum alloy fairing

摘要

为解决铝合金钣金件常温成形过程易出现的开裂、起皱、精度低等问题，实现整流罩零件低成本、高精度成形，通过对低塑性、低强度2A11薄壁铝合金复杂结构零件常温深拉伸及压型工艺研究，采用现场试验结合钣金零件成形原理的方式，对壁厚1.0~2.0 mm、拉伸比0.62的铝合金整流罩进行橡皮囊成形工艺及钢模压型成形分析。通过分段成形、参数迭代优化，研究了拉伸速率、升压速率、润滑条件等对拉伸成形质量的影响；通过热处理试验，研究淬火工艺对铝合金压型成形工艺的影响。通过上述研究，成功实现了壁厚1.0~2.0 mm的铝合金整流罩深拉伸成形，有效抑制了起皱与开裂问题；通过对固溶热处理参数（温度495~500 ℃、时间35~40 min）优化后，解决了加强筋压型裂纹问题。橡皮囊成形结合分段参数优化可显著提升薄壁铝合金零件成形质量，淬火工艺精准调控是完成整流罩加强筋型面无损压型的关键。

Abstract

To solve the problems of cracking， wrinkling， and low precision in aluminum alloy sheet metal parts formed at room temperature， and to achieve low-cost， high-precision forming of fairing components， a study was conducted on deep stretching and pressing forming processes of thin-walled， complex structural components made of low-plasticity， low-strength 2A11 aluminum alloy at room temperature. By combining field experiments and sheet metal forming principles， an analysis of the rubber pad forming process and steel die pressing forming for an aluminum alloy fairing with a wall thickness of 1.0—2.0 mm and a stretching ratio of 0.62 was performed. Through segmented forming and iterative parameter optimization， the influence of parameters such as stretching speed， pressurization rate， and lubrication conditions on the quality of the stretching process was investigated. The impact of the quenching process on the aluminum alloy pressing forming process was studied through heat treatment experiments. This research successfully achieved deep stretching forming of the aluminum alloy fairing with a wall thickness of 1.0—2.0 mm at room temperature， effectively suppressing wrinkling and cracking. Furthermore， the problem of cracking in the stiffeners during pressing was resolved by optimizing the solution heat treatment parameters （temperature： 495—500 °C， time： 35—40 min）. The results indicate that rubber pad forming combined with segmented parameter optimization significantly improves the forming quality of thin-walled aluminum alloy components， and precise control of the quenching process is key to achieving defect-free pressing of the fairing’s stiffener surfaces.

Graphical abstract

关键词

薄壁铝合金 / 整流罩 / 起皱 / 开裂 / 淬火工艺

Key words

thin-walled aluminum alloy / fairing / wrinkling / cracking / quenching process

飞机发动机整流罩位于发动机最前端，其作用是减小飞机飞行过程中的气流阻力。整流罩的各型面需要达到较高的精度要求，以优化飞机的气动性能，整流罩一般由多层零件组合加工而成，子零件需达到较高的尺寸精度。为考虑减重，某大型发动机选用材质为密度较低的铝合金，该型整流罩主要由三层薄壁铝合金钣金零件、轮缘等经铆接、机加工而成。

整流罩含外壳、导流板等零件，形状如图1所示，呈近似球锥形。为防止零件服役过程中产生变形，设计有型面渐变的加强筋。外壳、导流板零件壁厚分别为1、2 mm，材料为2A11的包铝板料，原材料供应状态为退火（O）态^［1］。退火态下材料的室温力学性能为：Rm≤225， 断后伸长率≥12%^［2］。从力学性能数据可以看出，材料室温强度较低，塑性较差，冷成形易开裂^［3］。国内外研究资料对同类材料、结构的零件在室温下拉伸成形较少，类似零件一般采用温、热成形拉伸预成形^［4］，再对加强筋进行压型。

预成形若采用常规钢模拉伸成形，需要多套模具才能完成拉伸，成本高，同时低强度薄壁板对模具工作面粗糙度等敏感性高^［3］，冷成形过程中易产生开裂等缺陷，无法实现零件的深拉伸成形。而采用旋压成形的零件壁厚不均匀、回弹大^［5-6］、精度差，橡皮囊等柔性成形具有贴膜精度高^［7］、成形后的零件精度高，易实现深拉伸等优势。根据零件尺寸、结构、材料特点，尝试采用橡皮囊拉伸预成形。

橡皮囊成形是利用橡皮囊作为弹性凹模，在液压油的压力下，随着主缸推动凸模上升，凸模与内腔充压的凹模逐渐靠近，将预置在凸凹模之间的金属板料逐渐包覆到刚性模胎上的一种软模成形方法^［8］，一般不会对零件表面产生损伤，通常只需要采用一套模具完成成形、校形，加工出的零件外观质量和尺寸精度等均较高^［9］。本文先通过开展铝合金整流罩拉伸成形试验，实现铝合金整流罩室温深拉伸预成形，再通过开展热处理参数优化及压型试验、提升材料的成形性能，完成加强筋型面的无缺陷压型。

采用橡皮囊拉伸预成形铝合金整流罩需解决：1）整流罩属于大拉伸比零件，材料延展性差、强度低，成形过程中易出现开裂等问题^［10］；2）大拉伸比零件需要根据零件结构、材料特性确定成形过程参数，分段成形时，分段位置、参数确定难度大^［11］；3）通过计算获取的成形参数，与实际试验之间对比存在差异，需根据试验效果进行分析、研究、迭代，以获取实际成形参数^［12］；4）2A11铝合金薄板塑性差，成形工艺窗口窄，对摩擦力和压力敏感性高，成形压力、摩擦力及润滑条件匹配难度大^［13］；5）成形初期坯料尺寸大，坯料边缘易形成褶皱，需对参数进行优化、调整，对较轻微、均匀的褶皱进行消除或避免其产生。

在常温下，采用刚性模具对零件的加强筋型面成形，需通过热处理参数、模具优化，在提升预成形件塑性的同时，提升成形模具工作表面光洁度，以防止加强筋型面压型成形时型面突变处出现开裂的问题发生。

1 试验

为防止橡皮囊铝合金整流罩深拉伸成形中出现起皱、开裂等问题，借助仿真技术结合现场试验的方式，对成形参数分析、研究、优化、迭代，完成深拉伸成形工艺研究。针对加强筋型面成形易开裂等问题，通过开展热处理参数优化、压型工艺试验，完成加强筋型面压形技术研究。

1.1 橡皮囊拉伸成形试验

橡皮囊成形时零件被软模包裹，型面各部位单位成形压力较为均匀。整流罩为回转体结构，是轴对称零件，理论上较容易实现拉伸成形。分别对2个不同尺寸、形状、壁厚的2A11整流罩零件进行深拉伸成形研究。

为使试验顺利进行，计划依次开展单段、多段拉伸成形试验。根据试验效果分析、优化成形参数、润滑条件等，以获得高精度、高表面质量的试验件，并将拉伸成形工艺应用于零件的批量加工。

1.1.1 整流罩外壳拉伸成形试验

整流罩外壳示意图如图1所示。该零件材料为2A11板材，壁厚为2.0 mm，大端直径为501 mm，高度为249 mm。沿周向轴对称分布共28处不同型面、尺寸的加强筋，考虑到拉伸成形后壁厚尺寸会减薄，选用壁厚为2.5 mm和2.0 mm两种规格板料开展试验。

如图1所示，零件高度达到249 mm，属于深拉伸成形选择带凸缘成形，在选取料坯尺寸时，根据表面积相等的原则^［14］，毛坯直径计算公式为

D=（d{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}+4d₁h）{}^{{}^{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}}（1）

式中：d₂为凸缘直径，单位：mm；d₁为理论筒体直径，单位：mm；h为零件高度，单位：mm。

通过计算后，坯料尺寸D为800 mm。

为了保证成形后的零件去余量后高度尺寸满足要求，将试验件拉伸高度增加至280 mm，分5段成形。坯料与模具装配示意图如图2所示。在8 000 T的橡皮囊成形机上开展深拉伸成形试验。首次试验成形参数按表1进行设置，为方便观察拉伸试验效果，采用单段拉伸，对试验件每一段拉伸成形后的状态进行记录，第一轮试验件实物如图3所示。

从表1及图3可以看出，第1、2段拉伸成形时正常，在进行第3段拉伸时， 高度达到200 mm时产生了褶皱，采用的成形压力为8.0 MPa，拉伸速度为1.0 mm/s。

对该现象进行分析，发现造成起皱的原因是在第3段成形时，随着压边面积的减小，材料流动速度增快，摩擦力不足，坯料失稳形成褶皱^［15］，需减小拉伸速率、增大摩擦力，通过增大囊内成形压力增大摩擦力。

然后将第4、5段拉伸速度从1.0 mm/s调整为0.5 mm/s，同时将第3段的成形压力从8.0 MPa增加到10.0 MPa，并采用单段拉伸，整流罩外壳成形参数如表2所示。参数调整后，试验件状态基本恢复正常。

从表2可以看出，参数调整后，第2轮试验件在第3段成形时仅在压边位置出现了起皱现象，但在第4段成形压力加大到25.0 MPa后，起皱位置被校平，随后第5段顺利成形，试验成功。

基于前两次试验件采用2.5 mm厚的包铝板料均未出现较明显减薄的情况，从减重考虑，对试验件的壁厚进行了调整，选取壁厚为2.0 mm、直径为800 mm的坯料开展第3轮的试验。

为提高成形效率，第3轮试验选用多段成形程序，将拉深速度相同的前3段成形放在了程序的第1阶段，后两段放在程序的第2阶段，润滑条件及状态与第2轮的试验保持一致，具体试验参数及试验件状态见表3所示。采用多段连续成形，成形试验后发现零件已拉裂、起皱，经对拉裂位置及零件状态进行观察、分析，发现零件的起皱应出现在拉裂后。对模具、模座进行检查，发现模座和平板坯料上有较浅划痕，对模座和坯料划痕采用1 000目砂纸进行抛光处理。在零件表面均匀涂润滑油后，继续采用表3的参数开展第4轮试验。选用多段分两次成形，第3段成形后发现零件压边处仍出现微皱，但起皱位置属于压边外沿，不影响零件状态，试验成功，完成拉伸成形的整流罩外壳拉伸试验件如图4所示。

对比表2、3可知，壁厚从2.5 mm改为2.0 mm，试验件虽然在第4段拉伸成形时在压边处出现了微皱，但在第5段拉伸时零件在较大的压力下起皱位置被校平，试验基本成功。

1.1.2 整流罩导流板拉伸成形工艺试验

整流罩导流板示意图如图5所示（单位：mm），材料为2A11板料，壁厚为1.0 mm，大端直径为332 mm，高度为83.5 mm，零件沿周向均匀分布6处截面渐变的加强筋。壁厚较前一试验件更薄，成形过程对摩擦力、压力等参数更为敏感。通过计算后，分别选用坯料直径为530、520 mm的料坯，分3~4段开展预拉伸成形试验。

本次试验共开展5轮，试验过程参数及成形后试验件状态如表4所示。每一轮试验都是在前一轮试验的基础上对试验件状态进行检查、分析、研究后，对试验参数进行了调整、优化、匹配。

从表4可以看出，前3轮试验时，试验件均出现了开裂现象，说明2A11材料壁厚越小，对摩擦力、压力越敏感，产生开裂现象的趋势愈明显，成形难度越大。坯料尺寸略减小后，成形时压边力减小（压边力与压料面积成正比），开裂现象有所减缓。

对于壁厚为1.0 mm的零件拉伸过程中较前一试验件更易出现开裂、起皱的问题，继续通过调整拉伸成形速率、压边力来进行改善。从表2、3可以看出，适当减小拉伸速度，增大压边力，可以消除成形起皱问题，但这一改进措施对壁厚1.0 mm的试验件效果并不明显。从减小升压速率入手，开展第4、5轮试验。从第4、5轮试验效果可以看出，针对壁厚尺寸越小的铝合金试验件成形，当升压速率降低到与拉伸速度较为接近时，出现开裂现象的概率越小。第4、5次拉伸时的升压速率由1.0 mm/s分别降至0.1、0.2 mm/s时，采用单段成形，试验件每段成形后其尺寸及外观状态均良好。同时，增加拉伸成形段数后，整流罩导流板拉伸试验件状态如图6所示，仅在压边处起皱，对试验件无影响，试验成功。但是，当采用试验成功的参数进行多段成形时，试验件依然出现了开裂现象。

通过开展拉伸成形试验，记录试验过程，分析、优化试验参数。完成了壁厚为1.0、2.0 mm不同形状、尺寸的铝合金试验件橡皮囊深拉伸成形工艺研究试验，实现了薄壁铝合金试验件室温深拉伸成形。

1.2 压型成形工艺试验

从图1、5可以看出，铝合金整流罩外壳、导流板等试验件型面存在截面渐变的加强筋，加强筋型面与回转体转接半径仅为R4，高度为10 mm。对试验件采用刚性模具进行压型成形，试验件需在固溶和时效态交付使用。通常利用2A11在淬火处理后较短时间内塑性提升的特性，完成压型，之后常温下放置96 h完成时效。前期在对零件淬火处理后2 h内压型时，在加强筋型面聚变处频繁出现开裂，零件大批量报废，检查压型成形模具尺寸及表面状态等均正常，于是开展试验对这一现象进行研究。

本次试验选择导流板作为试验对象。对前期出现开裂的零件，硬度值HB≥115，设计要求硬度值HB≥85。淬火热处理温度为500~505 ℃，时间为40~50 min。对数据进行分析后发现，压型时出现开裂的原因可能与前期的固溶处理参数有关，如热处理的温度偏高、时间偏长，内部组织可能已经产生粗化，强度降低，即时塑性未得到提高，不利于零件压型成形。所以，尝试从优化热处理制度进行改进，开展热处理、压形试验。

随机抽取2个完成拉伸成形的试验件开展热处理、压型试验。将淬火热处理温度由500~505 ℃调整到495~500 ℃，温度持续时间由40~50 min调整到35~40 min，常温水冷，2个试验件完成淬火处理后30 min内，在500T液压机上采用钢模对加强筋进行压型成形。成形后，采用10倍放大镜观察试验件加强筋位置，未发现开裂。之后，将热处理随炉试片常温放置96 h后检测其显微硬度，两组试片共选取了8个测点，硬度值90<HB<97，满足图纸要求。

之后采用热处理试验参数对12件试验件进行淬火处理， 1 h内完成所有试验件加强筋型面的压型成形，均未发现开裂现象，压型成功，硬度值合格。

2 结果与讨论

通过橡皮囊拉伸成形及室温压型成形试验，获取了低强度铝合金薄壁零件拉伸、压型成形特性及规律，解决了铝合金零件拉伸成形过程中易开裂、起皱、尺寸精度低的问题，获得了满意的试验效果。

2.1 橡皮囊拉伸试验结果与讨论

2.1.1 成形参数选用

壁厚为1.0~2.0 mm的2A11包铝板料在室温下采用柔性成形方式拉伸成形时，成形参数选用不当，易产生起皱或开裂缺陷。这是因为铝合金材料室温塑性差，延伸率仅为12%。当成形速度过快、单次变形量超过材料变形极限、压边力偏大时，便会产生开裂；而当成形速度偏快，压边力不足时，凸缘区材料产生堆积，形成褶皱。随着拉伸成形的继续，零件产生起皱，如图3所示。为了防止开裂和起皱缺陷的产生，需要根据试验效果选择合适的参数。针对裂纹问题，可以通过减小压边力、选用较低的拉伸速度、减缓材料变形速率、减小单段成形量的方式，改善成形时产生裂纹的概率；针对起皱问题，可以通过减小成形速率、增大坯料尺寸或采用增大橡皮囊内压力，增大压边力的方式，防止材料流动过快产生褶皱。

2.1.2 单段成形与多段成形的差异

试验发现，采用同样的成形参数，多段成形较单段成形效率更高，但多段成形更容易出现开裂缺陷。这是因为采用多段成形时，各段成形连续完成，前段成形应力在成形后未得到释放，继续进行后段成形时，加剧了开裂产生的概率。而单段成形时，每完成一段成形，设备会卸压，移出工作平台，与下次成形约间隔10 min，前段成形应力得到了一定释放，较多段成形更不容易产生开裂。针对低塑性裂纹敏感材料，应在各段成形过程中适当增加消除成形应力步骤，可以采用热处理消除的方式消除成形应力，优先选用单段成形代替多段成形。

2.1.3 升压速率对成形的影响

根据试验结果，升压速率对低塑性零件拉伸成形影响较大。当升压速率偏高时，零件成形时也容易产生开裂现象。这是因为当囊内压力快速升高后，橡皮囊会快速将坯料包裹到凸模上。当拉伸速率远低于升压速率时，坯料在橡皮囊的压力下产生反向变形，之后再次产生正向变形，两次变形使坯料产生了较严重的硬化，塑性降低，成形后期便极易出现开裂。当升压速率接近拉伸速率时，则会减小成形初期的反变形，减小开裂的产生概率，同时拉伸成形的特点需要初期坯料产生较快的流动，成形后期则需要较缓慢的流动。实际生产中，在确保成形效率的基础上，可以通过适当减小升压速率，使拉伸速率与升压速率匹配，防止零件产生开裂等缺陷。

2.1.4 壁厚尺寸对成形的影响

根据试验结果，壁厚越小的零件，对摩擦力、成形参数越敏感，料坯尺寸及表面状态对零件的成形影响越大。这是因为板料的强度与壁厚的平方成正比，壁厚越薄，坯料的抗拉强度越低，成形过程中坯料越容易失稳。由于材料壁厚越薄，压边处越容易产生堆积，进而形成裂纹和褶皱。为了防止裂纹和褶皱的形成，成形过程中尽量减小成形速率，精准调整成形压力与压边力、料坯尺寸；其次，当坯料表面出现划痕等缺陷时，在缺陷位置容易形成应力集中，成形过程中该位置易出现开裂缺陷，为了确保成形前坯料表面完整性，成形前坯料表面可以采用聚四氟乙烯薄膜包覆，或在表面涂抹润拉伸油做好润滑，保持坯料及模具工作表面良好的完整性，才能够实现壁厚尺寸不大于1.0 mm铝合金零件的室温无缺陷深拉伸成形。

2.2 压型试验结果与讨论

在导流板压型成形的试验中，将淬火热处理温度由500~505 ℃调整到495~500 ℃，温度持续时间由40~50 min调整到35~40 min，常温水冷后30 min内完成加强筋型面压型，消除零件压型成形裂纹，硬度值满足图纸要求。这是因为铝合金在固溶处理后具有塑性瞬时提升的特性，此时利于成形。但是，随着固溶时间的延长，合金元素充分溶解于基体中，形成了过饱和固溶体，硬度提升，同时晶粒增大，延伸率下降，加强筋型面压型成形时易出现开裂现象。2A11预成形后的固溶处理时，需要随着零件壁厚的变化，淬火温度、时间应在热处理标准范围内随零件壁厚尺寸适当调整，壁厚越小，保温时间应适当缩短，才能获得包铝合金2A11较高的塑性。在固溶处理后的1 h内，在工作表面光洁度较高的模具上完成压型，可以实现零件加强筋型面无缺陷成形。试验结果说明，通过固溶热处理参数优化与固溶处理与成形之间的间隔时间控制及对模具工作表面粗糙度进行改善，试验件及批量生产零件均能够实现无缺陷成形。

3 结论

通过橡皮囊拉伸成形及室温压型工艺研究，解决了低强度薄壁整流罩室温深拉伸及压型成形易产生裂纹等缺陷的问题，降低了零件加工成本，缩短了加工周期，疏通了零件交付瓶颈，同时为发动机整流罩高效、稳定的批量生产奠定了坚实的基础。

1）采用分段成形、不同的参数设置及程序设计，可以用橡皮囊成形拉伸出表面状态良好、尺寸精度高的薄壁大拉伸比铝合金零件。

2）包铝合金零件拉伸成形时，壁厚越薄，对成形参数、润滑条件等越敏感，通过优化成形参数、成形模具等能够有效避免缺陷产生。

3）对不同结构、壁厚的铝合金钣金零件，适当调整淬火热处理制度，可以提升复杂型面压型、成形能力。

参考文献

[1] 中国航空材料手册编委会. 中国航空材料手册 第3卷 铝合金 镁合金［M］.北京：中国标准出版社，2002.

[2] 唐登毅，游江海，卢永红，等. GJB 2053A—2015 航空航天用铝合金薄板规范 ［S］.北京：总装备部军标出版发行部出版，2015.

[3] 吴新星，范家春，邢阳，等.铝合金板温成形和热成形技术应用研究［J］.轻合金加工技术，2021，49（1）：25-31.

[4] 仇建桐，邓沛然，邵威，等.6061铝合金热拉伸成形研究［J］.塑性工程学报，2020（9）：130-137.

[5] 黑爱卿，李钰，邓全得，等.大尺寸薄壁LF6铝合金筒体旋压成形技术［J］.精密成形工程，2020，12（2）：48-52.

[6] 朱明华.面向精准装配的钣金零件成形关键技术研究［D］.南京：南京航空航天大学，2016.

[7] 涂集林.铝合金薄板橡皮囊液压成形屈服机理与控制［D］.西安：西北工业大学，2016.

[8] 宋冠华，王辉，王瑞，等.铝合金橡皮囊拉伸胀形成形分析［J］.锻压技术，2025，50（5）：104-112.

[9] 谷立萍.橡皮囊成形有限元建模模块开发与工艺参数研究［D］.沈阳：沈阳航空航天大学，2020.

[10] 李晓东，徐雪峰，华如雨，等. 5052铝合金T型三通管内高压成形规律研究［J］.塑性工程学报，2021，28（3）：41-49.

[11] 谢邵辉.橡皮囊液压成形模拟算法的开发及应用［J］.塑性工程学报，2011，18（4）：63-68.

[12] Chen L， Chen H Y， Wang Q Y， et al. Experimental and simulation studies of springback in rubber forming process［J］.Material and Design，2014，54：354-360.

[13] Chen L， Chen H， Wang Q，et al. Studies on wrinkling and control method in rubber forming using aluminium sheet shrink flanging process［J］.Materials and Design，2015，65（9）：505-510.

[14] 韩志仁.钣金成形毛坯展开方法研究进展［J］.塑性工程学报，2009，16（1）：6-11.

[15] 许宁，王鹏，夏建生，等.塑性成形中摩擦特性的研究进展［J］.热加工工艺，2018，47（23）：13-19.

基金资助

国家重大专项(2020-06-002)