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数控拉弯机在飞机框缘类型材成形中的应用


第 39 卷 第 8 期 Vol. 39 No. 8

FORGING & STAMPING TECHNOLOGY 檪殏

2014 年 8 月 Aug. 2014

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( 1. 西北工业大学 陕西省数字化制造工程技术研究中

心,陕西 西安 710072 ; 2. 中航飞机西安飞机分公司,陕西 西安 710089 ) 摘要: 在飞机零件生产中,普遍采用拉弯成形工艺制造型材弯曲件来减小回弹,以提高制造精度,尤其是框缘类零件。 详细 介绍了 A - 7B 数控转臂式拉弯机的主要结构组成 、拉弯成形操作过程及工艺流程 、 工艺参数设置和拉弯成形能力分析方法 。 以客机变截面变曲率 Y 型常规铝合金和 T 型新型铝锂合金框缘零件拉弯成形技术为实例,阐述了数控拉弯机在飞机框缘类型 材成形中的应用现状,并展望了型材拉弯成形技术的发展趋势 。 关键词: 数控拉弯机; 拉弯成形; 飞机框缘类型材 DOI: 10. 13330 / j. issn. 10003940. 2014. 08. 010 中图分类号: V262. 3 ; TG386. 4 文献标识码: A 3940 ( 2014 ) 08004707 文章编号: 1000-

Abstract : In the production of aircraft parts,the stretch bending forming is widely used for the manufacture of bending profile in order to reduce the springback and improve the quality of components,especially for aircraft frames and strips. The main structure of machine, stretch bending operating and forming process,process parameter setting and stretch bending ability of A - 7B CNC stretch bending forming machine were introduced. The example of CNC stretch bending forming machine application to common Y - shaped Al alloy with various section and curvature and new T - shaped Al - Li alloy frames were introduced,and the development trend of stretch bending forming technology was forecasted. Key words: CNC stretch bending forming machine; stretch bending; aircraft frames and strips

第二次世界大战中, 各国致力于提高飞机的性 能和产量,因而产生了不少新的工艺方法和机床设 备,转台拉弯机就是这一时期的产物 。20 世纪 50 年代,拉弯机得到很大的发展, 结构和性能日趋完 善。美国发动朝鲜战争后, 美国各主要飞机、 直升 机、导弹、 发 动 机 制 造 厂 纷 纷 购 置 拉 弯 机。60 年 代,拉弯机的液压装置和控制系统得到改进, 使产 品质量更加稳定, 操作更加方便。 目前拉弯机己推 广至汽车、火车、 高铁、 电梯、 升降机、 建筑、 冰
收稿日期: 2013 - 11 - 05 ; 修订日期: 2014 - 03 - 16 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 51275420 ) ; 航空科学 基金资助项目 ( 2008ZE53037 ) 作者简介: 刘天骄 ( 1988 - ) ,男,博士研究生 Email: liutj430@ mail. nwpu. edu. cn 通信作者: 王永军 ( 1968 - ) ,男,博士,副教授 Email: wyongjun@ nwpu. edu. cn

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装备与成套技术

数控拉弯机在飞机框缘类型材成形中的应用
1 1 1 刘天骄 ,王永军 ,夏晓娇 ,王 2 2 2 伟 ,王顺红 ,李善良

Application of CNC stretch bending forming machine on profile forming of aircraft frames and strips
Liu Tianjiao1 ,Wang Yongjun1 ,Xia Xiaojiao1 ,Wang Wei2 ,Wang Shunhong2 ,Li Shanliang2
( 1. Shanxi Province Engineering Research Center for Digital Manufacturing Technology,Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072 ,China; 2. AVIC Xi'an Aircraft Industry ( group) Company Ltd. ,Xi'an 710089 ,China)

箱和桥梁等民用工业中

[1 ]



拉弯是指工件在弯曲压入模具型槽的同时加以 切向拉力、以改变工件截面内的应力状态的一种弯 。拉弯与普通弯曲的区别在于: 普通弯 曲时中性层基本不变, 而拉弯时中性层内移, 甚至 曲工艺 内移至内侧或移出内侧表面。 当最内层截面上的应 力达到或超过材料的屈服应力时, 回弹明显减小, 从而提高了零件的成形精度。 飞机上的框缘、 机身 前后段和发动机短舱的长桁等零件是尺寸大 、 相对 弯曲半径大的挤压型材和板弯型材弯曲件 。 它们组 成飞机骨架的受力零件, 直接影响到飞机的气动力 外形,因而形状精度要求很高, 生产中普遍采用拉 弯成形的方法制造这类零件。 典型的型材拉弯成形控制方法有力控制、 应变 控制 和位移控制。 型材拉弯成形过程中常见的问
[5 ] [2 - 4 ]

题有回弹、 破裂、 起皱和截面畸变等, 分析解决以

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[6 - 7 ] 、 理论解析[8 - 10] 和数 上问题的方法有试验研究 [11 ] [12 - 13 ] 值模拟 等。 拉弯机与拉弯模具 是生产拉弯

A - 7B 转臂式拉弯机工作台固定不动, 在台面 两侧的转轴上各装一转臂, 左右转臂上通过托架组 件各装了一拉伸缸, 拉伸缸在转臂上的位置可以调 节,以适应不同的毛料长度。 在拉伸缸的端头, 装 有液压夹钳以夹紧毛料。 转臂由装在床身上的转臂 缸带动转动。2 个转臂既能分别转动, 又可同时转 动。模具装在工作台上, 应使模具的对称轴线与机 床的纵轴线重合。 托架装置装有手动横向滑块, 每 个托架都可手动控制, 并可独立沿垂直于转臂方向 横向滑动,从而实现拉伸缸的横向移动。 拉伸缸安 装在托架上, 可沿转臂运动。 此外, 在机床每一个 拉伸缸拖架上安装了控制箱, 以控制夹头开闭和拉 伸缸的伸缩运动。液压动力单元由一套集成的泵 / 马 达组成,用来提供必要的动力, 包含一个油箱、 换 气装置、位视测量仪和油位开关。 在成形前,4 个缸体 ( 左右转臂缸和左右拉伸 缸) 协调运动,实现模具轮廓记录, 用于生成数控 程序。工作时先将转臂向前展开, 毛料的两端用液 压夹头夹紧; 然后开动拉伸缸使毛料拉伸。2 个拉 伸缸的拉力相同, 以免发生窜动。 当拉伸力达到规 定的数值后,2 个转臂向后转动, 使毛料沿模具型 面进行拉弯。待毛料全部贴模后, 增大拉伸缸的压 力,对毛料进行补拉, 从而减小零件回弹, 拉弯成 形结构简图
[14 ]

产品的关键装备, 按照设备工作方式, 拉弯机分为 转台式拉弯机和转臂式拉弯机两类。由于数控拉弯机 的精确和可重复运动控制,保证了成形零件的一致 性,目前在航空工业中数控转臂式拉弯机被广泛采 用。法国 ACB、美国 Cyril Bath 和 L&F Industries 公司 生产的转臂式数控拉弯机最大拉伸力可达到 300 kN。 本文针对 L & F Industries 公司的 A - 7B 位移控 制转臂式数控拉弯机,从拉弯机床结构、成形过程、 工艺参数设定和成形能力方面介绍数控型材拉弯机 , 并以典型实例阐述国内飞机框缘类型材数控拉弯成 形技术现状。

1

转臂式数控拉弯机床结构

L & F Industries 公司的 A - 7B 数控拉弯机, 是 30 kN 通用拉弯成形设备, 装配图如图 1 所示[12], 主要技术参数如表 1 所示。

如图 2 所示。

图1 Fig. 1

A - 7B 数控拉弯机床装配图 forming machine

Assembly drawing of A - 7B CNC stretch bending

表1 Table 1

A - 7B 数控拉弯机的主要技术参数 bending forming machine

Main technical parameters of A - 7B CNC stretch
图2 Fig. 2 A - 7B 数控拉弯机的结构简图 forming machine

最大拉力 / kN 30 拉伸缸行 程 / mm 762

转臂速度 / 0. 5 ~ 3 拉伸缸摆 角 /( °) ± 28

工作台尺寸 / 1829 × 1270 夹头中心线 到平台距离 / mm 203. 2

最大弯角 / ( °) 200 180° 弯曲满 吨位模具 长度 / mm 203 ~ 1702

夹头旋转 / ( °) ± 90 最大毛料 长度 / mm 8382

( ( ° ) ·s - 1 ) mm

Schematic diagram of A - 7B CNC stretch bending

中央操作控制面板安装在机床前面, 包括操作 按钮、开关、指示灯、 电位计和急停。 自由放置的 控制器上装有一个电源和警示面板、 操作按键和机 床各种系统的操作监控。

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刘天骄等: 数控拉弯机在飞机框缘类型材成形中的应用

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2. 2

数控程序模具采集

2

数控型材拉弯成形过程
数控型材拉弯成形的典型步骤如下 。 成形准备

数控程序主要指拉伸缸随着摆臂转动中的位置 。 A - 7B 转臂式数控拉弯机, 采用位移控制方式, 与 力控制不同,它在模具型面特征位置采集的同时已 经确定了型材拉弯的应变中性层位置, 过程为: 传 感器记录臂向前转动, 将拉线连接到模具上, 启用 传感器记录模式, 控制转臂向后转至采集前根据模 具弯曲角度而人工设定的弯曲极限 。拉线保持绷紧, 带动拉伸缸伸长或缩短, 与此同时, 机床传感器记 录了夹钳轨迹控制参数, 即转臂位置角及对应的拉 伸缸位置, 如图 5 和图 6 所示。 数控程序生成后, 机床便能自动完成零件拉弯成形 。

2. 1

成形准备主要是指模具安装和夹头嵌块安装, 如图 3 所示。模具采用平台上的活动立柱来安装定 位,必要时可在模具底部放置垫块, 以保证合适的 高度。

图3 Fig. 3

模具安装立柱及嵌块位置

Location of mold installation pillar and embedded block 图5 Fig. 5 数控代码采集 NC code acquisition

模具应正确安装在设备上, 以便分布成形零件 [12 ] 时的载荷,这是非常重要的。 图 4 为不规则形状 模具的安装方法示意图。具体安装方法的步骤如下:

图4 Fig. 4

不规则形状模具的安装方法示意图 Installation method of irregular shape mold 图6 Fig. 6 数控代码显示及编辑页面 NC code display and edit page

( 1 ) 画出模具俯视图以便安装规划, 如图 4 所 示; ( 2 ) 画出一条与模具前端相切、 且与模具后端 平行的直线。将这条直线定义为参考线, 转臂的销 轴中心位于该直线上; ( 3 ) 画出与模具的两端相切 ( 切点为 A 和 B ) 、 且通过参考线的直线, 这两条直线与参考线的交点 为 C 和 D; ( 4 ) 等分线段 CD, 线段 CD 的中点 定 义 为 E 点; ( 5 ) 画一条通过 E 点、 且与参考线垂 直 的 直 线,这是模具成形的中心线, 应与设备的中心线吻 合。 2. 3

数控拉弯成形 数控拉弯成形时的具体操作如下 。 ( 1 ) 在零件设置页面填写拉弯工艺参数, 并保

存程序文件,设备归零。 ( 2 ) 把零件放入夹头,使零件恰好与模具边线 接触。 ( 3 ) 夹 紧 零 件。 在 主 操 作 台 面 按 下 “紧 贴 ” 键,以适配零件夹紧力。 按钮指示灯不停闪烁, 直 到恰好符合适配吨位才保持高亮, 示意操作员适配 完成。 ( 4 ) 移动零件。夹紧完成后, 根据需要可以移

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动零件,实现重新排布。 ( 5 ) 预拉伸。在主操作台界面点 “预拉伸 ” 按 钮,可以对零件进行预拉伸。 预拉伸按钮指示灯不 停闪烁直到预拉伸完成才保持高亮, 示意操作员机 械已经处于预拉伸结束状态。 ( 6 ) 循 环 运 行。 在 主 操 作 台 界 面 点 “循 环 运 ,则开始弯曲。 摆动机械臂开始向正常弯曲极 行” 限位置运动。当摆动机械臂到达正常的弯曲极限位 置时,将停止运动, 循环按钮指示灯将保持高亮, 示意操作员弯曲成形已完成。 ( 7 ) 补拉 伸。 在 主 操 作 界 面 点 “补 拉 伸 ” 按 钮,实现零件补拉伸。 ( 8 ) 松弛。在主操作界面点 “松弛 ” 按钮, 以 释放零件。松弛指示灯不停地闪烁, 直至施加在零 件上的力接近 0 才保持高亮, 示意操作员机械处于 放松状态。 ( 9 ) 在主操作面板上点 “卸载 ” 按钮, 夹头会 延迟 2 s 向外松开, 释放零件。 从夹头移开加工后 的零件。 如果需要对零件程序进行修改, 可以在零件设 置页面或者零件编辑页面对预拉伸、 补拉伸进行修 改。总结数控拉弯成形流程,如图 7 所示。

韧度值; ( 5 ) 材料是在初始成形之后进行热处理还 是在再成形的时候进行热处理。 对于铝合金挤压型材可采用如下工艺参数进行 拉弯,设置结果如图 8 所示。 ( 1 ) 转臂速度 ( ( °) ·s - 1 ) 即拉弯过程中转臂 -1 的速度,选取 1 或 1. 5 为宜; 拉伸缸速度 ( cm ·s ) 即拉弯过程中拉伸缸的速度,此速度应配合转臂速度 选取,所以宜选取 0. 76 或 1. 1。 ( 2 ) 紧缩力。紧缩力、张紧力的作用主要是消 除型材原材料在储存、 搬运中产生的变形, 并确保 拉伸量控制的精确程度。 零件的适配设置吨位建议 使用 2 ~ 3 t。 ( 3 ) 预拉伸量,拉弯成形预拉伸过程中材料被 拉长的 量。 理 论 上 预 拉 伸 应 该 在 材 料 的 ( 0. 8 ~ 1. 2 ) 倍屈服之间选取, 为防止内侧起皱, 按照屈 服应变的应变量选取。 ( 4 ) 补拉伸量即拉弯后补拉伸量。 一般按材料 的 1% ~ 2% 选取。 ( 5 ) 弯曲角度。根据数模测量值加 2° ~ 3° 。 ( 6 ) 弯曲速度。低速选取 1 或者 1. 5 ( °) ·s - 1 。

图8 Fig. 8

拉弯工艺参数主页面

Stretch bending process parameters in main page

4
图7 Fig. 7 零件拉弯成形过程流程图 Flow chart of stretch bending forming process for parts

设备成形能力分析

3

主要成形工艺参数设定

众所周知,成形零件时拉伸缸的拉力值不能超 过最大拉力值 30 t。 这可通过成形材料的横截面面 积乘以其屈服强度得到。 此外, 设备成形能力还与 成形零件时转臂的最大弯矩有关 。 中示意了安装在工作台上的狭小模具 , 需要注意的是,代表材料拉伸线的直线在转臂枢轴 [12 ] 中心的内侧,且与枢轴中心有一段距离 G 。 图 10 图9 中示意了安装在工作台上的较宽模具, 需要注意的 是,代表材料拉伸线的直线在转臂枢轴中心的外侧 , 且与枢轴中心有一段距离 F 。 对于介于二者之间的
[12 ]

由于零件之间的差异很大, 因此在刚开始加工 一个特定零件时, 没有完整的、 按部就班的方法去 设置机床参数。 成形速度、 预拉伸量、 最终补拉伸 量直接取决于以下因素: ( 1 ) 用于成形的零件材料 ( 2 ) 型 材 的 横 截 面 形 状; 是板料还是挤压型材; ( 3 ) 成形零件的轮廓形状; ( 4 ) 成形零件的硬度 /

第8 期

刘天骄等: 数控拉弯机在飞机框缘类型材成形中的应用 表2 Table 2
转臂旋转角度 / ( ° ) - 10 ( 转臂向前) 0 ( 转臂平直) 10 ( 转臂向后) 20 ( 转臂向后) 30 ( 转臂向后) 40 ( 转臂向后) 50 ( 转臂向后) 60 ( 转臂向后) 70 ( 转臂向后) 80 ( 转臂向后) 90 ( 转臂向后)

51 转臂最大弯矩

模具,会有两种情况。 在成形操作开始时, 材料的 拉伸线在转臂枢轴中心的内侧。 随着材料沿着模具 弯曲,F 值逐渐减小, 当材料的拉伸线越过转臂枢 轴中心点时,F 值为 0 。随着材料的进一步弯曲, F 转换为 G ,随后 G 值逐渐增大到最大值。

Maximum swing arm moment
G 值 / ( N · m) 71539. 85 84343. 85 95747. 77 105571 113361. 8 118894. 3 121265. 5 120362. 2 115168. 3 104667. 7 88408. 62 F 值 / ( N · m) 95409. 04 112571. 4 127814. 2 140798. 9 151073. 7 158751. 6 161687. 3 160332. 4 153557. 8 153557. 8 117878. 2

图9 Fig. 9

窄模具布局图 Narrow mold layout

图 11 Fig. 11

模具与零件示意图

Schematic diagram of mold and part

( 2 ) 画出与参考线垂直的、 模具成形 的 中 心 线; ( 3 ) 在参考线 上 画 出 一 个 点 , 该 点 与 模 具 成 形的中 心 线 相 距 457. 2 mm , 此 点 为 转 臂 的 枢 轴 中心 ; ( 4 ) 画出一条与模具相切的线, 并给出最大距 离 G 与 F ,这条直线为材料拉伸线; ( 5 ) 绘制 出 一 个 圆, 其 圆 心 为 转 臂 枢 轴 的 中 心,原材料长度 L0 的 1 /2 加上 1397 mm 为该圆的半 径。该圆与材料拉伸线的交点近似于液压传动缸的 枢轴点,并将该点定义为 O 点; 因此零件可以成形的条件为: 液压传动缸的拉 力 × 最大距离 ( 外侧) < 表 2 所列最接近的转臂旋 转度数所对应的 G 值; 液压传动缸的拉力 × 最大距 离 ( 内侧) < 表 2 所列最接近的转臂旋转度数所对 应的 F 值。 为了计算 G 与 F 值,绘出一个简单的草图, 如 [12 ] 图 11 所示,且绘制步骤如下: ( 1 ) 画出一条与模具的前端相切、 且与模具后 端平行的直线,并将这条直线定义为参考线; ( 6 ) 再绘出一个圆,其圆心为 O 点, 转臂的中 心线与液压传动缸轴线之间距离的值为该圆的半径 。 半径值介于 203 ~ 355 mm 之间, 取决于托 架 的 位 置; ( 7 ) 绘制出一条直线,该直线通过参考线上转 臂枢轴的中心, 且与第 6 步中绘制的圆相切。 该直 线代表转臂的中心线, 转臂的旋转角度为转臂中心 线与参考线之间的夹角; ( 8 ) 测量该角度,然后在草图中标注出来。

图 10 Fig. 10

宽模具布局图 Wide mold layout

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第 39 卷

5
5. 1

实例分析
框类型材数控拉弯技术 飞机主框缘条为 Y 型材, 作为球面框的主承力

件,主要用于球皮固定、 平衡和传递由球皮张力产 生的纵向 ( 航向) 分力, 同时还肩负着机身长桁的 对接以及机身扭矩的传递功能。 主框缘条外表面与 机身理论外形配合, 立筋面与球皮外形配合, 单个 零件需要同时保证两个复杂双曲率外形 , 且角度、 外形流线度要求高。数控型材拉弯技术克服了 Y 型 材零件生产时的诸多技术难题, 如: 变曲率变截面 Y 型材容易截面畸变; 角度和主框缘条面的平度达 不到要求; 腹板面起皱, 需要较大的拉伸量, 致使 型材截面变窄加剧; 淬火后型材严重扭曲变形, 需 要反 复 手 工 校 形; 冷 作 硬 化 现 象 严 重; 回 弹 较 大 [13 ] 等 。该技术也推动了国内 Y 型材零件由转包到自 主批量制造的转变。7075 铝合金淬火后型材二次拉 弯成形过 程 及 成 形 零 件 如 图 12 、 图 13 和 图 14 所 示。零件平度良好,精度达到制造要求。
图 14 Fig. 14 Y 型材二次拉弯成形

Twice stretch bending for Y - shaped profile

因室温塑性差、 屈强比高、 各向异性明显的特点使 其冷加工易开裂、 成形困难。 数控拉弯成形技术能 成形屈强比大的弯曲零件,且弯曲精度高、回弹小, 解决了铝锂合金型材的拉弯成形难题 。2196 - T8511
[14 - 15 ] 和 2099 - T83 铝锂合金 T 型材的拉弯成形 过程 及成形零件如图 15 、图 16 和图 17 所示。 零件成形

一致性良好,平度达到制造要求。 实现了国内首次 铝锂合金型材的拉弯成形, 推动铝锂合金在未来航 空制造中的使用。

图 12 Fig. 12

Y 型材数控拉弯成形 Fig. 15

图 15

铝锂合金型材拉弯成形

NC stretch bending for Y - shaped profile

Stretch bending for Al - Li alloy profile

图 13 Fig. 13

Y 型材一次拉弯成形 图 16 Fig. 16 铝锂合金型材拉弯成形零件

Once stretch bending for Y - shaped profile

5. 2

铝锂合金缘条型材数控拉弯技术

Al - Li alloy extrusion parts after stretch bending

铝锂合金作为一种先进轻量化结构材料, 以其 密度低、弹性模量高、 比强度和比刚度高、 疲劳性 能好、耐腐蚀及焊接性能好等优异的综合性能被用 于航空零件的制造, 如框缘类零件。 然而铝锂合金

6

型材拉弯成形技术发展趋势
( 1 ) 拉弯成形性评估系统。 随着并行工程的应

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刘天骄等: 数控拉弯机在飞机框缘类型材成形中的应用
[ 3]

53

El - Domiaty A,Shabaik A H. Bending of workhardening metals under the influence of axial load [J]. Journal of Mechanical Working Technology, 1984 ,10 ( 1 ) : 57 - 66.

[ 4]

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图 17 Fig. 17

铝锂合金型材拉弯成形零件检测 stretch bending

[ 5]

Vollertsen F,Sprenger A,Kraus J. Extrusion,channel,and profile bending: A review [J]. Journal of Materials Processing Technology,1997 ,87 : 1 - 27.

Detection of Al - Li alloy extrusion parts after [ 6]

用,为缩短零件的研制周期,提高设计的可制造性, 制造部门提前介入到产品的设计阶段。 这就需要拉 弯成形性评估系统,以确保能够制造出设计的零件。 ( 2 ) 模具 回 弹 补 偿 修 正。 随 着 民 用 飞 机 的 发 展,在提高制造精度的同时, 应尽量减少手工敲修 量,以提高使用寿命。 在过去, 由于手动控制拉弯 机控制精度低, 零件重复性差, 工艺人员一般不修 模,而是按产品外形设计拉弯模具型面。 现在, 由 于数控拉弯机控制精度高, 零件一致性好, 给拉弯 成形模具回弹修正带来了契机。 为提高拉弯零件的 生产效率,未来的航空企业将和汽车企业一样, 对 拉弯模具回弹补偿修正, 使模具调试后生产的零件 符合检验要求,而不需要人工修校。 ( 3 ) 数字化拉弯成形。为实现高精度的拉弯成 形,数字化拉弯成形技术成为主要的发展方向 。 通 过拉弯工艺数模数字化设计、成形性能数字化评估、 拉弯过程数值模拟、 拉弯成形回弹计算、 拉弯模具 回弹补偿修正、拉弯成形工艺参数计算以及相关经 验知识有效存储和检索等数字化拉弯成形技术的应 用,拉弯工艺设计人员、 拉弯工装设计人员和拉弯 现场操作人员紧密联系起来, 实现知识的共享和重 复利用,不断提高技术水平, 降低开发成本, 缩短 拉弯零件的研制周期。 ( 4 ) 另外, 新 的 拉 弯 成 形 工 艺 方 法 也 不 断 涌 现,为降低模具开发成本而出现了离散模拉弯成形 技术,为降低高强度材料的拉弯成形力、 减少回弹 而出现了电塑性拉弯成形和加热拉弯成形 。
参考文献:
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