混合器殼體充液成形研究

□ 何立萍 □ 李又春 □ 陳 偉

中國南方航空工業(yè)（集團）有限公司 工程技術(shù)部 湖南株洲 412002

充液成形技術(shù)在國外早已成熟應(yīng)用，尤其適合于薄壁錐形件、大圓角筒形件的拉伸成形。為了適應(yīng)航空發(fā)動機研制技術(shù)的需要，以火焰筒混合器殼體新材料應(yīng)用為契機，開展了在普通液壓機上進行穩(wěn)定、快速充液成形技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 零件結(jié)構(gòu)簡要介紹

混合器殼體示意圖如圖1所示，沿周邊有多處沖孔、局部成形結(jié)構(gòu)。該零件為薄壁拉伸成形件，料厚0．8mm，形狀為鼓形，中間大兩頭小，只能采用拉伸成形后收口或脹形的工藝。本文主要研究該零件充液拉伸成形工藝。

2 混合器殼體充液成形現(xiàn)狀

混合器殼體拉伸毛坯如圖2所示。毛坯為大小圓角連接的復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)，板厚僅為0．8mm。如采用硬模一次拉伸成形，則型面容易出現(xiàn)起皺；如加大壓邊力，則可能產(chǎn)生破裂。因此適宜采用充液成形工藝進行拉伸成形，成形設(shè)備為三動液壓成形機，零件采用充液拉伸一次成形。圖3為混合器殼體成形模具示意圖。

▲圖1 混合器殼體示意圖

▲圖2 充液成形毛坯示意圖

▲圖3 混合器殼體充液拉伸模示意圖

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)該成形模具存在如下問題。

（1）液壓室壓力通過溢流閥手動調(diào)節(jié)，因旋軸開啟位置不明確，不能快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)所需液壓室壓力，在液壓室壓力調(diào)節(jié)過程中每批要報廢1～2件；

（2）模具密封圈置于毛坯下表面靠凹?？诓浚芊馊ν鈧?cè)毛坯不能得到液體強制潤滑，且毛坯材料易向密封圈一側(cè)突出，不利于材料流動及表面質(zhì)量提高，密封圈也容易被損壞。

3 充液成形模具改進

隨著發(fā)動機性能要求的提高及材料技術(shù)的發(fā)展，混合器殼體擬應(yīng)用國內(nèi)首次研制的新材料。由于其拉伸性能尚不清楚，采用新材料的混合器殼體擬參照原有工藝及模具在普通液壓機上采用充液拉伸成形。

為確保新材料的應(yīng)用并一次拉伸成功，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，必須對原有模具存在的問題進行相應(yīng)的改進。

3.1 模具結(jié)構(gòu)、工作原理及設(shè)計要點

改進后的混合器殼體拉伸模具如圖4所示，模具工作原理：首先，頂桿、頂塊退下，在液壓缸內(nèi)注滿油并與凹模上表面齊平，將毛坯置于凹模上；然后，壓邊滑塊帶動上模板及壓邊圈下行，將毛坯壓緊；最后，主滑塊帶動沖頭下壓，完成拉伸過程。拉伸過程中通過調(diào)節(jié)溢流閥，確定合適的液壓參數(shù)。

▲圖4 充液拉伸模示意圖

模具設(shè)計主要要點如下。

（1）拉伸過程中，毛坯、壓邊圈、凹模、液壓缸、溢流閥、頂桿形成一個封閉的腔，在沖頭下壓過程中，建立高壓液壓室，在高壓作用下將材料貼向沖頭，從而代替普通剛性凹模。

（2）由于底部圓角只有R0.8mm，所需液壓力很大，為保證該尺寸要求，設(shè)置頂塊與沖頭最后剛性接觸成形。

（3）密封腔各結(jié)合面通過密封圈密封，壓邊圈與凹模間的密封圈置于毛坯外圈，在拉伸過程中毛坯與凹模表面能得到強制潤滑，從而避免零件表面拉溝及減少凹模磨損，提高模具使用壽命。

（4）液壓室中的液壓油通過人工加入，液壓室壓力大小通過溢流閥調(diào)節(jié)，溢流閥前端裝壓力表，從而可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)壓力大小，因而該結(jié)構(gòu)模具可在普通雙動或三動液壓機上進行充液拉伸。

（5）法蘭部位采用限位壓邊，限位高度為0.9+00.1mm，在壓邊力調(diào)節(jié)時，可以采用最大壓邊力，確?？煽繅哼?。

3.2 模具創(chuàng)新點

與原成形模具相比，主要增加了溢流閥調(diào)節(jié)刻度盤（詳見圖5），并加裝100MPa的液壓室壓力表，同時將密封圈從毛坯下表面移至外圈及采用限位壓邊。

采用激光刻線加工一個刻度盤固定在閥門上，旋軸上裝一指針，記錄調(diào)整到位后的指針位置，后續(xù)加工時，液壓室壓力基本可一次調(diào)整到位，克服了液壓室壓力調(diào)節(jié)的盲目性。

▲圖5 液壓室壓力調(diào)節(jié)裝置原理圖

▲圖6 調(diào)節(jié)裝置實物圖片

模具密封圈改在毛坯外側(cè)，依靠材料的增厚達到充液成形的密封要求，避免了拉伸過程中凸緣材料向一側(cè)突出的情況，且在成形后期液壓室內(nèi)的高壓液體從法蘭流出，毛坯在凹模圓角及法蘭部分處于流體潤滑狀態(tài)，減小了不利摩擦，有利于提高成形極限。

4 數(shù)值模擬

為確定合適的拉伸成形參數(shù)，用Eta/Dynaform軟件對成形過程進行了模擬分析，以對成形工藝及模具參數(shù)進行優(yōu)化。

根據(jù)公司800t雙動壓力機及模具結(jié)構(gòu)尺寸計算，液壓室壓力最大約為23MPa，因此數(shù)值模擬最初設(shè)定的液壓室壓力為23MPa，并設(shè)定摩擦因數(shù)條件：沖頭與板料為0．15，凹模與板料及壓邊圈與板料均為0．05。模擬結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，零件圓角部位有輕微波紋，材料變薄率不到9%。

為消除波紋，將液壓室壓力加大到40MPa，模擬結(jié)果如圖8所示。零件圓角部位仍有輕微波紋，材料變薄率約23%。

由圖7、圖8可以看出，液壓室壓力23MPa與液壓室壓力40MPa相比，零件表面起皺沒有明顯差別（波紋稍嚴(yán)重），但材料變薄量小得多。

從模擬結(jié)果來看，液壓室壓力23MPa已基本能滿足零件質(zhì)量要求，該液壓成形工藝方案應(yīng)基本可行。

5 拉伸試驗

首次試驗所用設(shè)備為450t雙動液壓機，壓邊力最大1800kN。毛坯直徑為450mm，零件外徑305 mm。因此液壓室可建立最大壓力為：

P=1800×103/[π（4502-3052）/4]≈21MPa

試驗設(shè)備壓邊力不能直接顯示，只顯示壓邊缸壓力表讀數(shù)。根據(jù)油缸直徑為180mm，將壓邊缸壓力調(diào)為18MPa時，壓邊力為1832kN。

▲圖7 液室壓力23MPa模擬成形效果圖

▲圖8 液室壓力40MPa模擬成形效果圖

首次試驗情況見表1。由于液壓室壓力無法一次準(zhǔn)確調(diào)節(jié)到位，在首次拉伸時液壓室壓力沒有顯示，零件在R68．8mm處出現(xiàn)起皺，加大液壓室壓力到約20MPa，則在直壁部位出現(xiàn)破裂 （R68．8mm處仍有輕微起皺）。在進行液壓室壓力調(diào)節(jié)過程中，先后連續(xù)出現(xiàn)9件廢品 （起皺或破裂），為此，用WZ8混合器殼體成形材料GH188進行了對比試驗，在液室壓力約20MPa的條件下，用GH188材料可一次拉伸成功，這說明新材料的成形性能比GH188的成形性能要差。

表1 首次試驗情況統(tǒng)計

6 改進試驗

由于加大液壓室壓力后直壁部位出現(xiàn)了破裂，說明法蘭部位材料流動阻力很大。為此將凹模圓角尺寸R4mm改為R6mm，以增強材料流動性；同時將壓邊間隙 0．9+00．1mm 改為 0．9±0．02mm （比料厚 0．8mm 稍大），減小法蘭邊在最初拉伸時的起皺程度，同時零件成形改在三動液壓機上進行，液壓室壓力可以增加到23MPa，有利于減小起皺。修改參數(shù)后的試驗情況見表2，通過這些措施基本實現(xiàn)了零件的一次拉伸成形。

圖9為車削加工后混合器殼體拉伸實物圖片。

▲圖9 車削加工后混合器殼體拉伸實物圖片

表2 修改模具參數(shù)后試驗情況統(tǒng)計

7 結(jié)論

從表2可以看出，確定好成形參數(shù)后，零件拉伸成形合格率達到了100%，廢品是在壓力調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生。該混合器殼體目前已生產(chǎn)交付多批，合格率100%。

［1］ 羅益旋.最新沖壓新工藝新技術(shù)及模具設(shè)計實用手冊［M］.長春：吉林出版發(fā)行集團，2004.

［2］ 湖南省機械工程學(xué)會鍛壓分會主編.沖壓工藝［M］.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

［3］ 顏鳴皋主編，中國航空材料手冊［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.