某型機進氣道蒙皮爆炸脹形工藝研究

李清泉

（江西洪都精工機械有限公司， 江西 南昌330024）

0 引言

某型機是一款新研制的雙發(fā)雙座噴氣式高級教練機，它采用大邊條、翼身融合設計；進氣道外形由機翼處進氣口近似長方形截面向機身內發(fā)動機進氣口圓形截面過渡，縱向呈雙向曲度，蒙皮形狀較為復雜， 成形難度很大； 進氣道蒙皮與機身整體油箱融合，要求保證與油箱體密封裝配，同時要求保證與10道橫向加強型材及3 道縱向加強型材滾焊連接，裝配協(xié)調要求很高。 進氣道蒙皮制造成為高教機試造的重大技術關鍵之一。

1 進氣道蒙皮制造工藝方案

某型機進氣道蒙皮材料為LF6-M-δ1.5， 形狀較為復雜，曲率變化大；試造時在縱向分成三塊，由焊接組合成工藝組合件。 具體見圖1。 為了保證進氣道蒙皮的氣動外形的正確性及與橫向、 縱向加強角材滾焊裝配的協(xié)調性， 進氣道蒙皮工藝組合件必須采用整體脹形。 鑒于公司沒有大型液壓脹形設備，如新投入，投資大、周期長，該工藝同樣存在許多技術難點。 經反復論證，決定采用爆炸脹形工藝方案。

1.1 進氣道蒙皮爆炸脹形工藝可行性分析

爆炸脹形工藝是利用炸藥在爆炸瞬間所釋放的能量，通過介質（水）傳遞給毛坯，迫使毛坯產生徑向拉伸變形直至貼模的一種工藝方法。 此工藝比較簡單，只需單一凹模，將筒形毛坯放進凹模中，并沿軸線放置炸藥，毛坯與模具型腔之間抽真空，在水井中成形。 其通過藥形、藥量、藥位、水頭高度、真空度等工藝參數(shù)的合理調整，就能成形出符合要求的零件。蒙皮毛坯在爆炸脹形時， 兩端處于自由狀態(tài)， 脹形時，毛坯在徑向脹大的同時，兩端的材料軸向縮短，可以給予補充，這對零件的成形是十分有利的。

圖1 進氣道蒙皮工藝組合件示意圖

1.2 進氣道蒙皮工藝組合件毛坯的確定

某型機進氣道蒙皮工藝組合件型面比較復雜，型面中心是一條空間曲線，橫截面又是變截面的，因此蒙皮工藝組合件毛坯不能是一個簡單的筒體，必須預成形。 通過經驗估算，認為蒙皮的毛坯外形比數(shù)模外形單邊小3 mm，比較合適。這樣蒙皮毛坯在爆炸脹形時，其延伸率在材料的許用延伸率范圍之內，不會拉裂；同時材料有一定的拉伸變形，對減少回彈，提高貼模度， 減少模具吸收過多的剩余爆炸載荷都有較大的幫助。

2 進氣道蒙皮爆炸脹形模的結構設計

2.1 進氣道蒙皮爆炸脹形模的結構型式方案的確定

某型機進氣道蒙皮工藝組合件型面中心是條空間曲線，不是一條直線，因此爆炸脹形模必須采用分體式組合模具，否則零件無法脫模。 又因型面中心是條雙曲度曲線，不在一個平面內，采用一個分模面，無論怎樣分，總是有部分最大型面在模具內，形成模具閉角狀態(tài)，零件脫模時會產生拉傷及變形，影響零件質量。 用曲面作分模面，工藝性太差，不可取，所以模具采用兩個分模面。 這也是爆炸脹形模在公司里首次采用三開模結構，是爆炸脹形技術的一次創(chuàng)新。進氣道蒙皮工藝組合件長度尺寸較大， 為了保證成形時操作的安全可靠，采用臥式模體。 這樣不但穩(wěn)定性好，而且操作方便。 啟模時，上?？芍苯佑玫踯嚻鸬?，前后模可用液壓缸拉開。

2.2 進氣道蒙皮爆炸脹形模的結構設計

爆炸脹形模具在設計時， 在保證模體承受脹形時零件貼模產生的最大載荷所需的強度、 剛度要求的前提下， 定出模體的最小壁厚， 四周采用筋板加強，盡量減輕重量；設計時還需要考慮模具的加工的工藝性：定位、裝夾、裝配；還需要考慮運輸時的起吊方便、平衡；還需要考慮使用時的操作方便、開敞性等等因素。

模具采用兩個分模面，把模具分成三塊，模塊之間采用銷釘定位，用螺栓連接，兩塊模體之間采用海綿橡膠軸密封，密封槽的設置按Q/5A1950~1969《爆炸成形典型結構》標準制作。 在模體的兩端采用環(huán)形海綿橡膠軸來保證蒙皮毛坯與模具型腔的密封，使模腔與毛坯之間能抽真空， 否則里面的空氣在爆炸脹形時，由于毛坯高速成形擠壓形成高壓氣泡，這些氣泡不但會妨礙零件的貼模， 還會引起零件產生鼓包及燒傷；如密封不好，真空度達不到，下井時，水會吸入模腔，成形時，零件上會產生水跡，影響零件質量。 進氣道蒙皮工藝組合件外形復雜，零件毛坯不規(guī)則，模具分模面多，要保證模腔與毛坯的密封，達到一定的真空度，是有一定的難度的。 為提高模具設計質量，進氣道蒙皮爆炸脹形模采用了UG 三維模型、二維圖樣的數(shù)字化設計，模具型面直接依據(jù)進氣道焊接組合件的UG 三維模型設計。 模具結構如圖2 所示。

2.3 進氣道蒙皮爆炸脹形模的地面結構形式

進氣道蒙皮工藝組合件爆炸脹形模模具材料為ZG35，整體重量約8.5 t。目前爆炸成形廠房配備的吊車為5 t 吊車，無法起吊，需要進行設備改造，但在試造周期比較緊的情況下，無法安排改造，因此考慮采用在地面上進行爆炸脹形， 即采取在模具兩端分別安裝一個球面封蓋，用螺栓固緊，用于模腔內儲水，模擬水下爆炸。 此方法存在一定的缺點，不但操作起來比較繁瑣，而且由于水頭高度的不夠，零件兩端的成形效果也要差些；再則模腔內水壓的卸荷狀況、球面封蓋的強度、連接螺栓的固緊力等，都沒有經驗，安全性也要差一些， 此是解決試驗件生產的權宜之計。 地面爆炸脹形模具結構見圖3。

由于進氣道蒙皮型面最高點在中部，灌水時，型面中部有部分空氣無法排出，爆炸成形時，此部分空氣快速壓縮，形成高壓高溫氣泡，會燒傷零件，因此要求輔助平臺傾斜2°，這樣才能把水灌滿，保證脹形順利進行。 進氣道蒙皮在正式批生產時，可直接將模具吊入5 m 水井中，下水時，將模具傾斜2°，就能將零件內部的空氣全部排出，然后下到井底，完成爆炸脹形。 不需要安裝兩端的封蓋，操作要簡便多了。 爆炸完成后，將模具吊起，零件內的水可以自動排除干凈，然后將模具置于輔助平臺，平臺內裝有導向銷及定位斜鐵， 可以準確定位。 在卸去模體的連接螺母后，即能用吊車吊起上模塊，再用輔助平臺上的液壓作動筒拉開前模塊，這樣就可以取出零件。

圖2 進氣道蒙皮工藝組合件爆炸脹形模示意圖

圖3 進氣道蒙皮工藝組合件地面成形爆炸脹形模示意圖

3 進氣道蒙皮爆炸脹形工藝參數(shù)的確定

爆炸脹形工藝參數(shù)，其主要包括藥形、藥位、藥量、真空度和水頭高度。

3.1 藥形

進氣道蒙皮工藝組合件呈長筒形， 故藥形應采用條形藥包，即可直接采用多股導爆索彎曲成形。

3.2 藥位

進氣道蒙皮工藝組合件型面縱向呈雙曲度，即型面中心線為一條雙向曲線， 因此布藥時采用拉線方法，使藥形盡量沿型面中心的走向，保證爆炸脹形力盡量均勻。

3.3 藥量

爆炸脹形所需的炸藥量根據(jù)零件成形中總的應變能進行估算：

3.3.1 零件毛坯脹形所需的總應變能UT：

式中：

UT——零件毛坯脹形所需的總應變能； （N·m）

k—— 塑性變形硬化系數(shù)，LF6-M 取k=327.2；（MPa）

n——塑性變形硬化系數(shù)，LF6-M 取n=0.24；

L——零件毛坯的長度，L=1600； （mm）

Dr——零件毛坯的外徑，Dr=590； （mm）

t——毛坯的厚度，t=1.5； （mm）

Dd——模具的內徑，Dd=596； （mm）

經計算， 零件毛坯脹形所需的總應變能為UT=3 932（N·m）；

3.3.2 零件毛坯脹形所吸收的炸藥爆炸能ET：

式中：

ET——毛坯脹形所吸收的炸藥爆炸能； （N·m）

C——炸藥常數(shù)，TNT 取C=9906； （m）

L——毛坯的長度，L=1600； （mm）

λ——條形炸藥的長度，λ=1 600； （mm）

W——毛坯脹形所需炸藥的重量； （kg）

D——脹形毛坯的內徑，D=587； （mm）

經計算，零件毛坯脹形所吸收的炸藥爆炸能為

3.3.3 所用炸藥量的計算

零件毛坯脹形所需總的變形應變能應等于零件毛坯所吸收的炸藥爆炸能，即：

即： 3 932=47 068 W

經計算，毛坯脹形所需炸藥（TNT）的重量W =0.083（kg），扣除雷管藥量，取整為80 g。 按每米導爆索為12 gTNT 當量計算，80 gTNT 折算為6.7 m 導爆索。 布藥時分為4 股，一端頭留100 mm 左右單股用于綁雷管引爆。

3.4 真空度

爆炸脹形時真空系統(tǒng)的真空度達到667 Pa以上，就可以獲得滿意的產品。 否則留在模腔內的壓縮空氣層會引起零件脹形不均勻，影響零件貼模，嚴重時零件會產生鼓包及燒傷。

3.5 水頭高度

水頭高度是指藥包中心到水面的距離，成形時必須有足夠的水深，這個深度一般取模口直徑1/3～1/2。

4 進氣道蒙皮爆炸脹形工藝研究

4.1 進氣道蒙皮試驗件爆炸脹形試制

第一件試驗件， 采用在地面上進行爆炸脹形方案，藥形、藥位都按預定要求，藥量因考慮安全因素，采用三股共5 m 導爆索（60 gTNT 當量）。 由于模具制造存在一些問題， 使得蒙皮毛坯與模具型腔采用環(huán)形海綿橡膠軸密封存在一定困難， 于是采取了泥膩子輔助密封，基本還能密封；模具兩端安裝的球面封蓋，因模體端面不平，無法完全密封，產生漏水；其固緊螺栓的孔位與模體不協(xié)調， 使球面封蓋的導水管傾斜，水無法灌滿，零件內腔存有空氣，爆炸時，空氣壓縮，形成高溫高壓氣團，燒傷零件；另外，封蓋固緊螺栓由于未能按圖紙要求配制，結果短了，只能壓住三四牙，在爆炸時拉脫，引起壓力卸荷，零件未貼模。

根據(jù)試驗情況，作了一些改進：即封蓋加強、螺栓加長、封蓋密封橡皮加厚、導水管加高、試件燒傷處去除后補焊、模具型面上的氣孔挖去后補焊打光；毛坯與模具型腔的密封改用石膏膩子輔助密封，消除了泥膩子中的沙粒吸入型腔影響零件質量； 同時把模具托架墊斜2°～3°，有利于零件內腔空氣在灌水時排出。 改善了第一次脹形存在的問題，此試件進行第二次脹形。 由于是校形，藥量采用二股共3.4 m 導爆索（40 gTNT 當量）。 脹形后,由于球面封蓋密封橡皮沖出,卸荷太快，零件貼模仍不理想。

綜合分析兩次地面試驗的情況， 認為零件貼模不理想， 主要是水頭高度及真空度兩項工藝參數(shù)不理想。 為了保證足夠的水頭高度，于是采取了用吊車與鏟車協(xié)同起吊的方法，解決了模具下5 m 爆炸水井的難題，解決了傳壓介質（水）界面的穩(wěn)定性；為了保證毛坯與模具型腔的真空度， 我們又采取了打真空帶密封的工藝方法， 雖然比較繁瑣， 但密封效果較好，抽真空時，真空度基本達到667 Pa 以上。 此試驗件在爆炸水井中進行第三次脹形，藥量采用三股共5 m 導爆索（60 gTNT 當量），脹形比較成功。此方法不但零件成形效果較好，而且操作簡便，安全性也較好。 零件因多炮成形，冷作硬化，試件局部貼模稍差些。

4.2 進氣道蒙皮零件爆炸脹形試生產

經過試驗件研制，摸索出較為理想的工藝方法，即進行正式零件試生產。 工藝方法為：藥量采用預定的四股共6.7 m 導爆索（80 gTNT當量）；采用吊車與鏟車協(xié)同起吊下水井爆炸； 毛坯與模具型腔密封采取了打真空帶方法； 模具下水井時傾斜3°排出零件內腔的空氣，抽真空后真空度達到667 Pa 以上，引爆導爆索。 出水后，仔細檢查，若零件內壁無鼓包現(xiàn)象，外表面也無燒傷痕跡，則顯示零件貼模較好。

由于爆炸脹形貼模校形力較大， 組合模具分模面連接螺栓存在彈性變形， 使模具三條分模面存在微量錯位，成形后零件分模面處有下陷痕跡，影響橫向加強型材滾焊連接后整體油箱的密封。 于是我們又采取了增強模具的連接和定位剛性的多套方案：如模具分模面處增加六個橫銷； 前后模體分模端面增加連板，上下模體分模端面增加限位板，并用銷釘栓緊； 前后模體中部增加一個定位銷及一個連接螺栓等。 改善了模具在爆炸脹形時的連接剛性，使零件分模面處下陷痕跡減少，再由手工校正，基本上解決了焊接密封問題。

由于LF6M 材料成形及焊接性能稍差，脹形后發(fā)現(xiàn)零件焊縫熱影響區(qū)存在微裂縫，雖然經X 光檢查此裂縫沒有穿透，容易排除，但對零件質量存在一定影響。 為了確保焊縫在脹形時不會被脹裂，焊接前，我們在三塊分蒙皮切割時每邊分別放大2 mm， 減少脹形量；同時在焊縫打磨時，要求嚴格不傷及基體。 解決了焊縫脹形后產生微裂縫的故障。

此后又試生產了四件進氣道蒙皮，均貼模較好，滿足了設計要求。

5 結語

通過對某型機進氣道蒙皮工藝組合件爆炸脹形工藝研究， 證明采用爆炸脹形工藝方案整體成形進氣道蒙皮是成功的， 但毛坯與模具型腔的密封方案還需進一步改進。 該工藝可以應用于類似零件的中小批量生產。

[1]《高能成形》編寫小組編.高能成形.北京：國防工業(yè)出版社.1969.

[2][美]A.A.埃拉茲著.張鐵生、梁宜強、譚渤譯. 金屬爆炸加工的原理與實踐. 北京： 國防工業(yè)出版社.1981.