板材充液成形技術(shù)

文/ 郎利輝，孫志瑩，孔德帥·北京航空航天大學(xué)

張淳，張建民·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

板材充液成形技術(shù)

文/ 郎利輝，孫志瑩，孔德帥·北京航空航天大學(xué)

張淳，張建民·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

本文介紹了充液成形工藝及裝備，結(jié)合塑性成形機(jī)理，對板材典型難成形的鋁合金深錐形件進(jìn)行研究，采用有限元分析技術(shù)及實驗驗證相結(jié)合，驗證了充液成形柔性制造技術(shù)提高成形極限的優(yōu)勢，減少了深錐形件的成形次數(shù)和退火次數(shù)以及配套模具數(shù)量和成本。

近年來，由于結(jié)構(gòu)輕量化、整體化、精密化、精品化以及復(fù)合成形技術(shù)的需要，板材液壓柔性成形技術(shù)也獲得了國內(nèi)外越來越多的重視。充液成形工藝是一種利用流動液體高壓成形的先進(jìn)柔性成形技術(shù)。隨著先進(jìn)成形技術(shù)的快速發(fā)展，充液成形走在前列并日漸成熟。板材充液成形是針對沖壓件采用柔性的液壓介質(zhì)代替部分傳統(tǒng)剛性模具，即為柔性制造，而柔性制造具有質(zhì)量好、精度高、能量利用率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前在汽車與航空航天制造業(yè)得到了快速發(fā)展，在國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注下，其應(yīng)用正在不斷擴(kuò)展，其國產(chǎn)化配套設(shè)備也達(dá)到國際較高水平。本文通過國產(chǎn)液壓成形設(shè)備的介紹及典型難成形的深錐形件的研究試制，驗證充液成形技術(shù)提高成形極限的優(yōu)勢以及國產(chǎn)設(shè)計的可靠性與精度。

板材充液成形技術(shù)原理及特點(diǎn)

板材充液成形模具的基本結(jié)構(gòu)主要由凸模、壓邊圈、凹模圈、液室等組成，如圖1所示。首先在液室中充滿液體，放置坯料（圖1a），壓邊圈以初始壓邊力將坯料壓在凹模圈上（圖1b），必要時可使液室內(nèi)液體建立一定的預(yù)壓；凸模下行將板材拉入液壓室（圖1c，1d），由于凸模下行將板材壓入使液室中的液體建立起壓力，液壓力由溢流閥調(diào)整后將板材緊緊壓在凸模上，從而使板材與凸模間產(chǎn)生很大的摩擦力，該摩擦力使危險斷面不斷轉(zhuǎn)移，傳力區(qū)的承載能力提高；采用液體凹模，降低了材料在凹模圓角等處的摩擦阻力，提高了板材的成形極限。

板材充液成形優(yōu)點(diǎn)

圖1 板材充液拉深原理示意圖

由于液體的作用，使得板材充液成形具有摩擦保持、溢流潤滑等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)工藝相比其具有如下優(yōu)越性：

⑴僅需要單面凸?；虬寄＃硪话氡灰后w介質(zhì)所代替，減少了模具費(fèi)用，一般模具費(fèi)用可降低30%以上，降低了零件的生產(chǎn)成本。另外，模具材料可以用便宜的材料加工，加工精度要求較低，通用性好，配套零件數(shù)量少，非常適合于現(xiàn)代小批量多品種的柔性加工的要求。

⑵能提高產(chǎn)品質(zhì)量，并能大大改善產(chǎn)品性能。充液成形的零件重量輕、強(qiáng)度高，成形零件的回彈性小，零件的表面質(zhì)量和尺寸精度得到提高。

⑶成形極限提高，減少了工件的成形次數(shù)和退火次數(shù)以及配套模具數(shù)量和成本。

⑷由于液體的應(yīng)用，可以成形室溫下一些難成形的材料如鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)拼焊板等。

⑸可以成形結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件。

工藝及設(shè)備

由于板材充液技術(shù)有很多的優(yōu)點(diǎn)，所以在國內(nèi)外受到了普遍的重視，越來越多地應(yīng)用在了在航空航天、汽車等領(lǐng)域。一般來說，充液成形技術(shù)是面向產(chǎn)品生產(chǎn)整個工序過程中的一道工序。國際上著名的設(shè)備生產(chǎn)廠家有SPS、AP&T、MURARO等，最大的生產(chǎn)設(shè)備達(dá)到了10000t，生產(chǎn)零件的品種也在迅速增加，圖2所示是一些具有代表性的零件。

為了適合產(chǎn)品的快速增長需求，天津市天鍛壓力機(jī)有限公司（以下簡稱“天鍛”）開發(fā)了板材充液成形設(shè)備的系列產(chǎn)品，噸位從200t到5000t，最大的噸位可以達(dá)到20000t，結(jié)合比例伺服、快速換模、沖擊成形、快速反應(yīng)超高壓系統(tǒng)等技術(shù)，面向智能制造，達(dá)到了集成式的柔性制造系統(tǒng)。下面以一種具有代表性的板材充液成形設(shè)備進(jìn)行介紹。該設(shè)備為小型充液成形工藝專用機(jī)，其主要由主機(jī)、液壓系統(tǒng)、超高壓源及水系統(tǒng)四部分組成。本機(jī)主缸噸位5500kN，其主體框架如圖3所示，本設(shè)備可實現(xiàn)成形程序存儲、手工調(diào)試及程序共享調(diào)用功能等智能化操作。

深錐形零件試制

有限元分析

圖2 具有代表性的板材充液成形零件

圖3 550t液壓機(jī)主體框架

充液成形分為主動式成形和被動式成形兩種模式。一般來說，被動式充液成形模式應(yīng)用較為廣泛，以下是一個典型零件的被動式充液成形分析過程。實施過程在如圖3所示的設(shè)備中進(jìn)行，通過實驗可以看出：⑴所開發(fā)的系列化充液成形設(shè)備產(chǎn)品是可行的，具有柔性化、智能化、精確化的特征；⑵板材充液成形可以成形非常復(fù)雜的零件，如下面所講述的深圓錐形零件。

選用2Al2-O（LY12-M）鋁合金作為實驗材料，該合金為具有代表性的硬鋁合金，是航空航天等部門使用量較多的材料，其密度為2.73g/cm3，材料機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

表1 2Al2-O材料機(jī)械性能

通過對鋁合金2Al2-O板料單向拉伸試驗，測得試驗件上斷口附近測試點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變值，并根據(jù)材料應(yīng)力-應(yīng)變冪指數(shù)的本構(gòu)關(guān)系，擬合得到鋁合金材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 2Al2-O板材真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線

本實驗件為航空類典型深錐形罩類零件，其數(shù)模如圖5所示。該錐形件通過沖壓成形工藝制造需要至少7個道次，合格率較低。為提高生產(chǎn)中的合格率，通過多種充液成形方案工藝分析，確定了穩(wěn)定的成形工藝。

圖5 零件外形圖

通過對錐形零件進(jìn)行展開，坯料近似為圓形，其直徑為430mm，厚度為1.2mm。根據(jù)充液拉深成形工藝，凹模圓角R＝8mm，凸凹模型面均由零件內(nèi)外表面提取。模擬中，網(wǎng)格劃分為3，凸模、凹模以及壓邊圈摩擦系數(shù)分別為0.15、0.05和0.1，壓邊間隙1.32(1.1t），最大減薄量為9.32%，整體零件減薄率分布圖，如圖6所示。通過大量實驗證明，通過模擬分析鋁合金零件減薄率在10%內(nèi)，滿足技術(shù)要求，且可得到合格件。

圖6 零件減薄率數(shù)值模擬分布圖

試驗

本實驗在5500kN充液成形專用機(jī)上完成，通過成形錐形零件，驗證工藝的可靠性與有限元分析結(jié)果一致。最終成形的錐形件，如圖7所示，該零件較深，側(cè)壁表面很容易起皺，為確保零件的質(zhì)量，模具設(shè)計成充液模具帶沖壓特征的凹模，利用柔性制造的特點(diǎn)，并有剛性模具的優(yōu)勢，確保消除加工過程中的起皺。

圖7 充液成形試驗件

結(jié)束語

目前，國產(chǎn)充液成形專用設(shè)備已經(jīng)完成實驗階段，達(dá)到國內(nèi)外企業(yè)推廣水平。結(jié)合有限元分析和實驗驗證，本數(shù)學(xué)模型可靠，對實際操作有較準(zhǔn)確的指導(dǎo)作用。錐形件通過三道次充液成形完成，合格率較高，驗證了充液成形技術(shù)的優(yōu)勢及可靠性。