2024鋁合金難成形高錐盒形件充液成形數(shù)值模擬

丁少行，郎利輝，黃磊

(1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191;2.西安嘉業(yè)精密制造有限公司，西安 710089)

近幾年，我國航空航天、高鐵、汽車等行業(yè)蓬勃發(fā)展，隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)向多功能化、整體化和復(fù)雜化發(fā)展，大量復(fù)雜難成形薄壁板材零件被廣泛應(yīng)用。錐盒形件是一類典型的非軸對稱零件，在其成形過程中，坯料各部分應(yīng)力、應(yīng)變分布很不均勻，以致其成形難度較大，易在成形過程中出現(xiàn)起皺、破裂等缺陷。鋁合金錐盒形件常規(guī)成形工藝是落壓，具有精度低、廢品率高、疲勞性能差、道次多、工作環(huán)境惡劣等缺陷，急需新的制造工藝[1—5]。

鋁合金材料因具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已在國民生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但與一般材料相比(如不銹鋼)，其塑性低、成形性能差，用傳統(tǒng)成形方法成形鋁合金材料零件難度大、效率低[6—9]。

充液成形是利用液體壓力使板材成形的一種塑性加工工藝。近年來，由于新材料和復(fù)雜形狀零件的大量出現(xiàn)，橡皮囊成形、液壓機(jī)械拉深、充液拉深和周向液壓充液拉深等技術(shù)得到了廣泛研究與應(yīng)用。與傳統(tǒng)拉深方法相比，充液拉深方法具有凸模部位的“摩擦保持”效果以及法蘭部位的“流體潤滑”效果，可提高成形極限、零件尺寸和表面精度，抑制起皺、簡化模具、節(jié)省成本和提高生產(chǎn)效率等[10—16]。文中對2024鋁合金難成形高錐盒形件充液成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并對工藝進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了較優(yōu)的成形方案。

1 零件外形尺寸和材料

圖1 零件外形尺寸Fig.1 The shape and size of the part

研究的高錐盒形件外形尺寸如圖1所示，長281 mm，寬217 mm，高95 mm，壁厚2 mm，在長度和寬度方向上帶有不同的錐度，具有深度高、錐度大、壁厚薄等特點(diǎn)，其主要的成形缺陷是懸空區(qū)起皺和底部圓角破裂。所用材料是2024鋁合金，用途較廣，力學(xué)性能參數(shù):屈服強(qiáng)度為75 MPa，抗拉強(qiáng)度為180 MPa，應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù) K為302.5 MPa，應(yīng)變硬化指數(shù) n為0.195，厚向異性指數(shù) r為0.88。

2 充液成形工藝分析

根據(jù)流體作用方式的不同，板材充液成形分為主動(dòng)式充液成形和被動(dòng)式充液成形[16]，2種方式最大的區(qū)別是流體作用位置不同。

將板料放在凹模上表面，合模壓邊并注入流體，液體壓力使坯料貼向凹模而成形，所成形零件尺寸由凹模形狀決定，這是主動(dòng)式充液成形，如圖2a所示。主動(dòng)式充液成形過程比較簡單，采用流體作為凸模來進(jìn)行成形，僅僅有凹模，屬于半模成形方法，成形簡單，成本低。

將板料放在液室上表面，閉合壓邊圈，利用凸模將坯料壓入液室，在反向液壓作用下使坯料貼向凸模而成形，所成形零件尺寸由凸模形狀決定，這是被動(dòng)式充液成形，如圖2b所示。在合適的液室壓力下，液體強(qiáng)行從板料與凹模之間流出，形成“流體潤滑”效果，大大減小流料阻力，提高成形極限;在成形過程中，液室壓力使坯料緊緊貼在凸模上，加大坯料與凸模之間的摩擦力，形成“摩擦保持”效果，有效緩和凸模圓角處徑向拉應(yīng)力，提高傳力區(qū)承載能力;在成形初期抬高凸模，施加液室壓力，使坯料預(yù)反脹，可提前補(bǔ)料，減小成形后期產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷的趨勢。

圖2 板材充液成形方式Fig.2 Types of sheet hydroforming

嘗試用主動(dòng)式充液成形和被動(dòng)式充液成形2種方式分別成形此錐盒形件，比較成形效果。

3 充液成形數(shù)值模擬

采用美國ETA公司開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件Dynaform進(jìn)行有限元模擬。模型中，板材采用4節(jié)點(diǎn)BT殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，凸凹模及壓邊圈視為剛性體，采用剛性4節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分。充液成形模型中，坯料與凹模、壓邊圈的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.05，與凸模的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15。

3.1 傳統(tǒng)拉深

傳統(tǒng)拉深一道次成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示，錐盒形件底部圓角處破裂，斜壁轉(zhuǎn)角處起皺。此錐盒形件較高，在拉深過程中，由于法蘭材料的變形抵抗力、壓邊力產(chǎn)生的摩擦阻力、板料在凹模圓角的摩擦阻力和彎曲抗力等對斜壁傳力區(qū)形成很大的拉力，又由于零件錐度較大，板料與凸模之間的貼合不緊密，導(dǎo)致凸模有力摩擦效應(yīng)對傳力區(qū)的緩解作用減小，致使板料與凸模脫離接觸的地方，即底部圓角處破裂。盒形件直壁和轉(zhuǎn)角處坯料流動(dòng)速度不同，兩者交界存在較大剪應(yīng)力，導(dǎo)致斜壁轉(zhuǎn)角處起皺，大錐度引起的懸空區(qū)同樣加大了起皺趨勢。若采用多道次拉深和中間退火，成形過程復(fù)雜，廢品率高，零件質(zhì)量差。

圖3 傳統(tǒng)拉深數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Simulation result of traditional deep drawing

3.2 主動(dòng)式、被動(dòng)式充液成形

圖4是主動(dòng)式充液成形數(shù)值模擬結(jié)果，與傳統(tǒng)拉深相比，零件未出現(xiàn)起皺缺陷，但是底部破裂程度更加嚴(yán)重。此錐盒形件較高，板材受液壓脹形并貼向凹模時(shí)，首先與凹模四周斜壁相接觸，形成很大的進(jìn)料摩擦阻力，進(jìn)一步加大液室壓力時(shí)，零件底部由于補(bǔ)料不足接近純脹狀態(tài)，破裂趨勢加大。

圖4 主動(dòng)式充液成形數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Simulation result of active hydroforming

圖5是被動(dòng)式充液成形數(shù)值模擬結(jié)果，與傳統(tǒng)拉深相比，零件未出現(xiàn)破裂缺陷，但是斜壁轉(zhuǎn)角處起皺程度依然嚴(yán)重。由于“摩擦保持”效果，坯料一旦在液壓作用下貼在凸模上，其進(jìn)一步減薄程度會(huì)比傳統(tǒng)拉深小很多，零件整體厚度分布較均勻，其底部圓角處不再是破裂危險(xiǎn)區(qū)。

圖5 被動(dòng)式充液成形數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Simulation result of passive hydroforming

3.3 被動(dòng)式－主動(dòng)式充液成形

與傳統(tǒng)拉深相比，主動(dòng)式充液成形雖破裂但不起皺，被動(dòng)式充液成形雖起皺但不破裂，若綜合2種成形方式可兼兩者長處，取長補(bǔ)短。首先，由被動(dòng)式充液成形進(jìn)行預(yù)成形，如圖6所示;然后，由主動(dòng)式充液成形進(jìn)行終成形，如圖7所示，稱這種方式為被動(dòng)式－主動(dòng)式充液成形。

被動(dòng)式充液成形預(yù)成形為主動(dòng)式充液成形終成形儲(chǔ)料，避免因補(bǔ)料不足而導(dǎo)致底部成形后期發(fā)生破裂，如圖8所示，可知零件在轉(zhuǎn)角處依然有皺，此皺在終成形中被整平。終成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示，零件成形良好，未出現(xiàn)起皺、破裂等缺陷。預(yù)成形具有一定的拉深高度，避免了終成形底部圓角的破裂;預(yù)成形轉(zhuǎn)角處褶皺被整平后，相當(dāng)于為終成形轉(zhuǎn)角補(bǔ)料，避免了終成形轉(zhuǎn)角的破裂。

圖6 預(yù)成形有限元模型Fig.6 Finite element model of preforming

圖7 終成形有限元模型Fig.7 Finite element model of finishing forming

圖8 預(yù)成形數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Simulation result of preforming

圖9 終成形數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9 Simulation result of final forming

預(yù)成形模具形狀的設(shè)計(jì)對終成形有很大的影響。若預(yù)成形凸模底部圓角是等值，R=15 mm，如圖10a所示，其終成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖10b，c所示，零件在長邊起皺，而且A側(cè)起皺程度大于B側(cè)。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)殚L邊錐度較大，所需坯料較之短邊少，而預(yù)成形凸模拉深時(shí)在四周的補(bǔ)料量幾乎均等，導(dǎo)致長邊聚料多而起皺。又由于A側(cè)長邊錐度大于B側(cè)長邊，因此A側(cè)截面線長度小于B側(cè)，如圖11所示，A側(cè)長邊所需坯料較之B側(cè)長邊少，在預(yù)成形相同的情況下，致使A側(cè)起皺程度大于B側(cè)。

圖10 預(yù)成形凸模形狀不合理對終成形的影響Fig.10 Effect of the unreasonable shape of preforming punch on the final forming

圖11 長邊截面示意Fig.11 Diagram of the long side section

由以上分析可知，在預(yù)成形階段需減少長邊補(bǔ)料量來消除起皺缺陷，而且A側(cè)長邊補(bǔ)料量要小于B側(cè)長邊。修改預(yù)成形凸模底部圓角大小，使A側(cè)長邊底部圓角R=40 mm，B側(cè)長邊底部圓角R=30 mm，其他底部圓角R=15 mm，如圖12a所示，其終成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖9、圖12b所示，零件未起皺，成形狀況良好。

圖12 預(yù)成形凸模形狀合理情況下的終成形結(jié)果Fig.12 Final forming results obtained with reasonable shape of preforming punch

4 結(jié)語

1)充液成形技術(shù)與傳統(tǒng)拉深相比，成形極限高，可成形復(fù)雜薄壁零件。

2)以主動(dòng)式充液成形技術(shù)成形高錐盒形件，易發(fā)生底部破裂缺陷;以被動(dòng)式充液成形技術(shù)成形高錐盒形件，易發(fā)生轉(zhuǎn)角起皺缺陷。結(jié)合被動(dòng)式充液成形技術(shù)和主動(dòng)式充液成形技術(shù)，數(shù)值模擬顯示可成功成形2024鋁合金難成形高錐盒形件。

3)預(yù)成形形狀對終成形有很大的影響。改變預(yù)成形凸模圓角大小，可實(shí)現(xiàn)四周補(bǔ)料量的不同。錐度較大的側(cè)面需要的補(bǔ)料量較少，需加大該側(cè)預(yù)成形凸模圓角，以減小補(bǔ)料量。

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