薄壁深腔件部分阴模充液成形技术研究.pdf

第２１卷第６期２０１３年１２月材料科学与工艺ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶ０１．２ｌＮｏ．６Ｄｅｅ．２０１３薄壁深腔件部分阴模充液成形技术研究郎利辉１，许诺１，王永铭１，袁超１，徐应强２，杨志恒２（１．北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京１００１９１；２．中国商飞一上海飞机制造有限公司钣金厂，上海２００４３６）摘要：充液成形技术能有效解决复杂零件的成形问题．针对某飞机薄壁深腔蒙皮常规拉深成形需要多道次成形、成形质量差的问题，通过分析充液成形过程中易出现的失稳，设计了带部分阴模的一模两件充液成形的技术方案．结合数值模拟，对薄壁深腔件充液成形过程中出现的悬空区失稳形式进行了研究，优化了液室压力加载曲线、压边间隙、初始反胀压力等工艺参数．结果表明，薄壁深腔件在带部分阴模的一模两件的工艺方案下，能有效避免悬空区的起皱，同时改善了一模一件补充段的破裂问题，提高了零件成形极限和壁厚分布的均匀性．关键词：薄壁深腔件；充液成形；一模两件；部分阴模；数值模拟中图分类号：ＴＧ３９４文献标志码：Ａ———文章编号：１００５０２９９（２０１３）０６０００１０６Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆａｉｌｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇｆｏｒｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄａｎｄｄｅｅｐｃａｖｉｔｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓＬＡＮＧ—Ｌｉｈｕｉ１，ＸＵＮｕ０１，ＷＡＮＧＹｏｎｇ．ｍｉｎ９１，ＹＵＡＮＣｈａ０１，ＸＵＹｉｎｇ．ｑｉａｎ９２，ＹＡＮＧＺｈｉ．ｈｅｎ９２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈｅｅｔＭｅｔａｌＦａｃｔｏｒｙ，ＳｈａｎｇｈａｉＡｉｒｃｒａｆｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４３６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｏｖｌｅｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｏｎｅ－－ｓｔａｇｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍａｎｄｐｏｏｒｆｏｒｍｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｆｏｒｃｏｍｍｏｎｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｏｆａｎａｒｉｐｌａｎｅｔｈｉｎ・－ｗａｌｌｅｄａｎｄｄｅｅｐｃａｖｉｔｙｃｏａｔｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇｏｆｄｏｕｂｌｅ－ｃａｖｉｔｙｗｉｔｈ—ｐａｒｔｉａｌｄｉｅｐｒｏｐｏｓａｌｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙａｎａｌｙｓｉｓｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｄｅｆｅｃｔｓｏｆｎｏｎｃｏｎｔａｃｔｒｅｇｉｏｎｄｕｒｉｎｇｃｏａｔｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆｏｒｍｉｎｇａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｃａｖｉｔｙｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈ，ｂｌａｎｋｈｏｌｄｅｒｇａｐ，ｐｒｅｂｕｌｇｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｒｅｂｕｌｇｅｈｅｉｇｈｔａｒｅａｌｓｏｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｓｃｈｅｍｏｆｄｏｕｂｌｅ－ｃａｖｉｔｙｗｉｔｈｐａｒｔｉａｌ－ｄｉｅ，ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔｒｅｇｉｏｎｗｒｉｎｋｌｅａｎｄｓｕｐｐｌｙｍｅｎｔｓｅｇｍｅｎｔｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｏｎｅ－ｃａｖｉｔｙｐｒｏｃｅｓｓｓｅｈｅｍｃａｎｂｅａｖｏｉｄｅｄ，ｗｈｉｌｅｆｏｒｍｉｎｇｌｉｍｉｔａｎｄｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔｈｉｃｋｎｅｓｓｃａｎｂｅｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｋｅｙ—ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｎｗａｌｌｅｄａｎｄｄｅｅｐｃａｖｉｔｙ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ；ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ；ｐａｒｔｉａｌｄｉｅ；ｄｏｕｂｌｅ－ｃａｖｉｔｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ飞机结构件中有许多复杂的零件，尤其是薄壁深腔、曲面变化大的蒙皮件，目前这类零件多采用传统拉深的方法成形，存在着需要多道次成形、…成形质量差的问题．近些年，液压机械拉深、周‘向液压充液拉深２。、充液拉深卜６『、热态介质充液——收稿日期：２０１２０９０５．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７５０２４）；科技部国际合作项目（￥２０１２ＧＲ０６１５）．作者简介：郎利辉（１９７０一），男，教授，博士生导师．通信作者：郎利辉，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌａｎｇ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ．’’拉深＂ｏ和液体凸模主动拉深８１叫等技术得到了迅速发展．因此，将充液拉深这一工艺技术引入到飞机复杂钣金件成形制造中，掌握薄壁深腔件充液拉深过程的变形规律与失稳形式，解决其成形质量问题，是航空零件制造中的一个新方向．——２０２４铝合金属ＡｌＣｕＭｇ系铝合金，是一种高强度硬铝，可进行热处理强化．在淬火和新淬火状态下塑性中等，点焊焊接良好，用气焊时有形成晶间裂纹的倾向，合金在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好．退火后可切削性低抗腐蚀性不万方数据・２・材料科学与工艺第２１卷高，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力．用途主要用于制作℃１５０以下的工作零件．本文根据２０２４尖端蒙皮传统拉深需要多道次工序、成形质量不高的问题，提出带部分阴模的一模两件充液成形方案．针对充液成形过程中两端悬空段易起皱以及一模一件补充段易破裂的特点，采用数值模拟方法对其成形过程进行分析，提出提高零件质量及控制失稳的措施，分析关键的工艺参数的影响，为复杂薄壁件的成形奠定了基础．１工艺分析与方案设计１．１零件形状分析本文对某大型飞机上的尖端蒙皮进行研究，如图１所示．该零件为薄壁深腔件，两端尖角收口．试件开口长度方向的尺寸为２０５．２ｌｍｍ，宽度方向上最大尺寸为７４．７９ｍｍ，高度方向最大尺寸为７９．２５ｍｍ．７４．７９———————————Ｐ１图１零件形状尺寸（单位＿＂ｎｌｌｎ）１．２．实验材料所使用的材料为２０２４铝合金，板料厚度为１．０１６ｍｍ，状态为退火态．通过单拉试验及数据非线性拟合得到力学性能，如表１所示．表１材料力学性能１．３充液成形件模型的建立大多数零件在采用板材充液成形时都需要对其形状进行一定的补充，如填充其表面上的孑Ｌ、在零件端头增加工艺补充面等．该零件选择一模两件工艺方案，如图２所示．选择最大平面逆时针旋转５。后的平面为分模面，黄色部分为工艺补充面，灰色部分即为尖端蒙皮零件图２充液成形件模型示意图１．４ＦＬＤ成形失稳研究本文着重研究液室压力、压边间隙对充液拉深过程中发生起皱、破裂的影响规律，从而为提高和改善类似复杂零件充液成形性能提供理论指导．通过数值模拟ＦＬＤ图，预测一般发生起皱的位置位于零件悬空区和法兰部位．法兰区起皱通过压边间隙控制，悬空区起皱通过部分阴模的“”刚性约束作用，结合传统拉深的优势减少坯料在悬空区的堆积．图３为零件成形ＦＬＤ曲线图．图３零件成形ＦＬＤ极限图１．５坯料优化板料外形和尺寸通过有限元反算下料功能进行计算，并根据模拟结果及工艺优化得到，如图４所示．图４坯料优化形状（单位：ｍｉｌｌ）２有限元模拟２．１有限元模型的建立—选用基于ＬＳＤＹＮＡ求解器的Ｄｙｎａｆｏｒｍ软件，对零件的工艺成形过程进行有限元模拟．有限元模型如图５所示．将凸凹模及压边圈定义为刚性体，坯料与凹模之间的摩擦因数为０．０５，坯料和压边圈之间的摩擦因数为０．０５，坯料与凸模之万方数据第６期郎利辉，等：薄壁深腔件部分阴模充液成形技术研究间的摩擦因数为０．５；压边间隙为１．１４ｍｍ；坯料—网格划分采甩ＢｅｌｙｔｓｃｈｋｏＴｓａｙ壳单元，凸模速度为４０００ｍｍ／ｓ【１１］．叫眦１＼ｂｉｎｄｅｒ图５有限元模型２．２最优液室压力的确定液室压力随行程的加载曲线影响着零件的成形质量．如图６所示，分别设计液室压力从０增加至５、１０、１１、１５、２０、２５、３０ＭＰａ共７种液压加载路径．图６液室压力加载曲线最大液室压力不能太大，否则会使压边圈和坯料之间的摩擦力增大，阻碍法兰部分向凹模圆角补料，使得凹模圆角部分以及直壁区厚度减薄严重．最大液室压力不能太小，太小会导致坯料不能紧贴凸模底部，不能在成形后期形成有效的“”摩擦保持作用，坯料拉应力会增加，造成传统拉深中的凸模底部的减薄严重．如图７所示，随液室压力的增大，壁厚分布为先增大后减小的趋势．最合适液室压力为１１ＭＰａ时，最小壁厚最大，为０．９３１１ｍｍ．２．３最优压边间隙的确定合理的压边间隙一方面能控制坯料在法兰部分起皱，同时也能有利于坯料的流动．如图８所示，在最优的液室压力加载路径下，分别设计１．１、１．１２、１．１４、１．１６、１．１７、１．１８、１．２ｍｍ共７种压边间隙．随着压边间隙的增大，壁厚分布为先增大后减小的趋势．压边间隙为１．１４ｍｍ时，最小壁厚值最大，为０．９３１１ｍｍ．压边间隙不能太大，否则会使法兰部分起皱趋势增加，阻碍坯料向侧壁补料，从而造成板料减薄严重．压边间隙不能太小，否则会使板料与压边圈凹模之间的摩擦阻力增大，使板料不能顺利流入凹模，造成传力区拉应力增大，从而板料减薄严重．Ｅ￡蛩剖图７不同液室压力下的板料最小壁厚曲线图８不同压边间隙下的坯料最小壁厚曲线２．４初始反胀的确定有初始反胀的拉深可以有效减少板料在成形过程中的减薄量，成形初期可以在压边圈入口圆角处形成凸起，有类似于传统拉深工艺拉深筋的效果，显著改变了变形区的应力状态，使板料周向压应力明显降低，起皱趋势大大减小，从而压边力可大幅度降低，使承载区的拉力也相应降低，从而提高了材料的成形极限．对于薄壁深腔件，初始反胀过大可能会带来悬空区坯料在初期向上弯曲，后期在凸模作用下反弯曲，极易造成坯料堆积引起悬空区起皱．为了研究初始反胀对悬空区起皱的影响．如图９所示，分别设计初始反胀压力分别为０、０．５、１、２、３、４、５ＭＰａ共８种液压加载路径（最大液室压力为１１ＭＰａ）．随初始反胀压力的增大，壁厚分布为先增大后减小的趋势．初始反胀压力为万方数据材料科学与工艺第２１卷１ＭＰａ时，最小壁厚值最大，为０．９３６０ｍｍ．初始反胀高度与初始反胀压力共同决定了对反胀效果的情况．如图１０所示，分别设计初始反胀高度分别为０、１、２、４、６、８、１０ｍｍ共７种液压加载路径（保持压边间隙为１．１４ｍｍ，最大液室压力为１ｌＭＰａ，初始反胀压力分别为１ＭＰａ）．随着初始反胀高度的增大，壁厚分布为逐渐减小的趋势．初始反胀高度为０ｍｍ时，最小壁厚值最大，为０．９３６０ｍｍ．因此最大液室压力１１ＭＰａ、压边间隙１．１４ｍｍ、预胀压力１ＭＰａ、初始反胀高度０ｍｍ为最优的工艺参数，如图１Ｉ为最优工艺参数下的壁厚分布图．图９不同预胀压力下的坯料最小壁厚曲线图１０不同预胀高度的坯料最小壁厚曲线图１ｌ最优工艺参数下壁厚分布薹囊墓拳羞薹ｉ２．５一模两件工艺方案研究若工艺方案选择为一模一件，由于工艺补充段的转角半径较小，拉深深度较大，导致拉深系数较小，因此极易造成工艺补充段侧壁的破裂，如图１２所示，红色区域的侧壁区的最大减薄量达到６６．２０％，为破裂危险区．雾饕图１２一模一件方案补充段破裂示意图若选择一模两件工艺方案，增加中间工艺补充段，可以使中间坯料避免小转角半径弯曲，大大降低其减薄量，并可以将悬空区容易出现的起皱转移到机加工部分．同时让凸模底面近似于平面，能明显改善初始反胀，同时增加成形后期凸模底“”部的摩擦保持效果，避免传统拉深在凸模底部的过度减薄引起的破裂．如图１３所示，在一模两件工艺方案下，坯料最大减薄率降低到８．０７％，能顺利成形．图１３一模两件方案板料减薄率示意图２．６部分阴模工艺方案研究对于薄壁深腔零件，传统拉深由于凹模内表面与凸模相匹配，可以有效约束悬空区坯料堆积，防止悬空区的起皱现象．但是传统拉深由于刚性约束带来的减薄率严重，极容易造成坯料在凸模底部破裂．充液成形工艺方案，由于凹模采用方腔“”液室，利用凸模底部的摩擦保持作用和法兰部“”分的流体润滑作用可以有效地改善坯料流动状态，降低坯料的减薄率，提高材料成形极限．如图１４所示，为部分阴模充液成形工艺方案示意图．凹模为液室的同时，在凹模圆角入口设置万方数据第６期郎利辉，等：薄壁深腔件部分阴模充液成形技术研究了类似于传统拉深中与凸模相匹配的阴模部分．“”这种结构可以结合传统拉深成形刚性约束的“”“”优点和充液成形摩擦保持和流体润滑的优点，有效减少悬空区起皱现象的同时，尽可能降低减薄率，提高材料成形极限．““ｐ。ｈ＼ｂｉｎｄｅｒ，鼍蠹蠢篱鏊鞠ｂｌａｎｋ氅◆１。？穸——’ｄｉｅ零二’。蔓图１４部分阴模工艺方案如图１５所示，为被动充液成形工艺方法，凹模为完全液室．由模拟结果图１６可以看到，两端悬空区处的坯料由于初始反胀的不均匀性，经历了先向上弯曲再向下反弯曲的过程，极易造成坯料的堆积引起起皱现象．因此带部分阴模的一模两件充液成形方案为较为理想的方案．图１５凹模完全液室工艺方案图１６凹模完全液室方案悬空区起皱示意图３充液成形最终壁厚分布及试验图１７为最大液室压力１１．和３０ＭＰａ时（初始反胀压力为１ＭＰａ、初始反胀高度为０ｍｍ、压边间隙为１．１４ｍｍ），沿宽度方向最大截面壁厚分布图．如图１７（ａ）所示，液室压力为３０ＭＰａ时，截面最小壁厚为０．８９２９ｍｍ，坯料减薄严重，这是因为较大的液室压力会增加坯料在法兰处的摩擦力，阻碍坯料向侧壁部分补料，增大了拉应力，使得坯料减薄严重；如图１７（ｂ）所示，液室压力为１ｌＭＰａＢ寸，坯料能向侧壁区顺利补料，同时能保“”证成形后期在凸模底部形成摩擦保持的效果，有效降低坯料的减薄，最小壁厚为０．９３６０ｍｍ．根据数值模拟得到的最优工艺参数，进行充液拉深试验，结果如图１８所示．■“…””“ｎ：１】：＂”∥。㈨……”“…。。。。Ｉ。。。一ｔ！！』¨』纛嚣＿－蛊（：¨，，ｏ．１∥“ｆ㈣１＼呲ｈ、－．，？？７””ｆ俨Ｂ１ｍ－搿曼翼油图１７不同液室压力下（宽度方向最大剖面）测量点的壁厚分布图１８充液成形试验零件图４结论１）薄壁深腔件在带部分阴模的一模两件充液成形工艺方案下，能有效避免悬空区起皱，同时改善了一模一件补充段破裂问题，提高了零件成形极限和壁厚分布的均匀性．影响起皱、破裂的主要因素有压边间隙、液室压力等．万方数据・６・材料科学与工艺第２１卷２）适当的压边间隙除了能抑制法兰起皱，也能防止太小造成侧壁区减薄破裂，优化的压边间隙为１．１４ｍｍ．通过对薄壁深腔件充液成形模拟，得到的最优液室压力为１１ＭＰａ，坯料能够顺利成形且壁厚均匀；最优初始反胀压力为１ＭＰａ，初始反胀高度为０ｍｍ．在数值模拟优化的参数下，进行了充液成形试验，得到了悬空区表面质量高的零件．参考文献：［１］ＢＥＣＫＥＲＨＪ，ＢＥＮＳＭＡＮＧ．Ｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇ［Ｃ３／／ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅＤｒａｗｉｎｇｓｏｆＭｅｔａｌｓｏｎＭｅｔａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＬｏｎｄｏｎ．—［Ｓ．１．］：［Ｓ．ｎ．］，１９８３：２７２２７８．［２］ＮＡＫＡＭＵＲＡＫ，ＮＡＫＡＧＡＷＡＴ．ＳｈｅｅｔｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇｗｉｔｈｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｕｎｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎＪａｐａｎ［Ｊ］．Ａｎｎａｌ—ＣＩＲＰ，１９８７，３６：１９１１９４．［３］ＬＡＮＧ—Ｌｉｈｕｉ，ＺＨＡＮＧ—Ｓｈｕｔｏｎｇ，ＬＩＴａｏ，ｅｔ—ａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｎｔｏｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐａｒｔｓｗｉｔｈｐｏｏｒｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｃｏｌｄ／ｗａｒｍｓｈｅｅｔｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ［Ｊ］．ＴｕｂｅＨｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｅｍａｃｈｉ：—［Ｓ．ｎ．］，２００７：１７１１８０．［４］ＬＡＮＧ—Ｌｉｈｕｉ，ＤＡＮＣＫＥＲＴＪ，ＮＩＥＩＳＥＮＫＢ．Ｓｔｕｄｙｏｎｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｗｉｔｈｕｎｉｆｏｒｍｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｏｔｈｅｂｌａｎｋ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉｎｅ—Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｕｆａｃｔｕｒｅ，２００４，４４：４９５５０２．［５］ＡＭＩＮＯＨ，ＮＡＫＡＭＵＲＡＫ，ＮＡＫＡＧＡＷＡＴ．Ｃｏｕｎｔｅｒ・ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｅｐｄｒｗｉｎｇａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｐａｒｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９０，２３：２４３２６５．［６］ＬＡＲＳＥＮＢ．Ｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆｏｒｍｉｎｇｏｆｓｈｅｅｔｍｅｔａｌ［Ｊ］．ＳｈｅｅｔＭｅｔａｌ—Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，１９９７：１６２１６８．［７］李涛，郎利辉，安冬洋．复杂薄壁零件板多级充液成形及过程数值模拟［Ｊ］．北京航空航天大学学报，—２００７，３３（７）：８３０８３２．［８］郎利辉，王永铭．复杂薄壁微小截面环形件的充液—成形技术研究［Ｊ］．锻压技术，２０１１，３６（２）：３４３８．［９］刘合军，郎利辉．高强度铝合金板材的温热介质充液成形研究［Ｊ］．塑性工程学报，２００９，１６（１）：—３２３６．［１０］杨踊，孙淑铎，刘慧茹．航空发动机复杂型面罩子钣充液成形技术［Ｊ］．航空制造技术，２０１０，１（１）：９ｌ一９９．［１１］项辉宇，冷崇杰，张媛．覆盖件成形缺陷的数值仿真实例分析［Ｊ］．计算机仿真，２００９，２６（１２）：—２２６２２９．（编辑程利冬）万方数据