復(fù)雜凸凹曲率飛機(jī)蒙皮充液成形技術(shù)研究與應(yīng)用

王 玲, 崔 麗, 劉 韜, 張建民

（1. 航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽(yáng) 110034；2. 天津天鍛航空科技有限公司， 天津 300143）

新一代飛機(jī)的性能要求對(duì)大幅度提高飛機(jī)鈑金件的成形質(zhì)量、成形精度和成形壽命提出了更高的要求。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的落壓成形已經(jīng)不能完全滿足新一代飛機(jī)的成形精度、表面質(zhì)量和疲勞壽命的要求，另一方面對(duì)于復(fù)雜的凸凹曲率蒙皮，傳統(tǒng)成形工藝已經(jīng)不能完全滿足零件加工的要求，必須尋求新的途徑解決此類蒙皮零件加工問題。而采用充液成形，在此類零件的加工方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

充液成形采用柔性液態(tài)物質(zhì)(水、油或黏性物質(zhì))作為傳力介質(zhì)代替剛性的凸?；蛘甙寄?，使坯料在傳力介質(zhì)作用下貼合凸?；虬寄６尚?，同時(shí)在凸模/凹模與坯料表面之間產(chǎn)生流體潤(rùn)滑，減少有害的摩擦阻力，極大地提高板材的成形極限，從而得到高質(zhì)量的工件[1-2]。

德國(guó)從20世紀(jì)50年代開始研究充液拉深技術(shù)，并提出了一種把密封圈放在凹模上表面來防止液體從凹模中溢出的新辦法，并于1961年提出了 “Drop Method”的成形方法[3]。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，德國(guó)和美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)及公司開始系統(tǒng)地研究充液成形技術(shù)。2001年，在比利時(shí)勒文舉辦的第9屆金屬板材成形國(guó)際會(huì)議上，德國(guó)帕德博恩大學(xué)Vollertsen[4]提出了采用加熱油的方法成形鋁合金板材。我國(guó)板材充液成形技術(shù)研究及應(yīng)用較晚，哈爾濱工業(yè)大學(xué)康達(dá)昌等[5]成功研制基于單動(dòng)壓力機(jī)的充液拉深設(shè)備，通過工藝試驗(yàn)與數(shù)值模擬，對(duì)筒形件、方盒形件、拋物線形件的成形進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，積累了大量的工藝參數(shù)，為充液深伸技術(shù)在我國(guó)生產(chǎn)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。北京航空航天大學(xué)的郎利輝等[6]在自行研制的充液成形機(jī)上進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，得到了液室壓力等工藝參數(shù)，對(duì)成形極限判斷、材料模型確立等基本工作進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 板材充液成形基本理論

1.1 板材充液成形基本原理

充液成形是利用液體介質(zhì)代替凸?；虬寄＃恳后w介質(zhì)的壓力使材料成形的一種加工工藝。板材充液成形技術(shù)又可分為被動(dòng)式充液成形和主動(dòng)式充液成形這兩種成形技術(shù)。被動(dòng)式充液成形原理如圖1（a）、（b）所示，主要模具分為凸模、壓邊圈、液室，其工作原理是壓邊圈壓住板料，凸模下行拉深板料的同時(shí)液室里進(jìn)行充液，從而獲得成形制件，這種成形方法能夠改善零件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，提高板料的拉深比，且成形件外表面質(zhì)量好、回彈小，具有傳統(tǒng)拉深無法比擬的優(yōu)越性。主動(dòng)式充液成形原理如圖1（c）、（d）所示，主要模具分為凹模和液室，其工作原理是依靠液室和凹模之間的可靠密封，通過液室中液體壓力主動(dòng)對(duì)板料進(jìn)行充脹，從而獲得成形制件，此種成形方式可最大程度節(jié)省模具數(shù)量及設(shè)計(jì)周期，且成形零件內(nèi)表面質(zhì)量好、精度高。

1.2 充液成形關(guān)鍵參數(shù)

1.2.1 液室壓力

圖1 充液成形原理示意圖Fig.1 Diagram of hydroforming principle

液室壓力是充液成形中的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一，它的變化關(guān)系著零件最終的成敗。當(dāng)液室壓力過小時(shí)，板料和凸模頭部不能很好地貼合，即不能形成有效的摩擦保持效果，凸模和板料之間的相對(duì)滑動(dòng)較大，隨著凸模的形成，板料發(fā)生嚴(yán)重變薄，以致破裂。當(dāng)液室壓力增大，破裂現(xiàn)象就會(huì)消除。若液室壓力不夠大時(shí)，變形早期在懸空帶區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生起皺現(xiàn)象。若液室壓力過大，在成形的早期就會(huì)把零件脹破。最優(yōu)的液室壓力要求既要避免懸空帶發(fā)生起皺，又不能把零件脹破。

1.2.2 壓邊方式

充液成形過程中的壓邊圈可以消除起皺缺陷，增大進(jìn)料阻力，控制金屬塑性流動(dòng)，從而改變板料成形中受力狀態(tài)[7]，壓邊圈的種類主要分為剛性壓邊圈和彈性壓邊圈。彈性壓邊圈包括彈簧壓邊圈、橡膠壓邊圈、氣壓或者液壓壓邊圈等。不同的壓邊圈壓邊形式不同，適用的場(chǎng)合也不同。壓邊圈的控制方式主要有控制壓邊力和壓邊間隙兩種方式。

板料拉深成形過程中，法蘭不起皺的最優(yōu)壓邊力是隨著整個(gè)成形過程變化的，總體趨勢(shì)是先增大后減小，如圖2所示。傳統(tǒng)壓力機(jī)壓邊力一般是恒定不變的，不能隨拉深成形過程的進(jìn)行而變化，雖能在一定程度上抑制法蘭起皺，但也在一定程度上限制了板料的拉深極限。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制多點(diǎn)變壓邊力單動(dòng)液壓壓力機(jī)不僅能夠隨著拉深成形過程的進(jìn)行實(shí)時(shí)平穩(wěn)地調(diào)節(jié)壓邊力，而且可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)法蘭不同部位的壓邊力大小，使得壓邊力的作用發(fā)揮到極致，極大地提高成形極限和工件質(zhì)量，是未來壓力機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2.3 拉深筋

飛機(jī)凸凹曲率蒙皮一般具有較大的空間尺寸，曲面復(fù)雜非對(duì)稱，充液成形過程中受力復(fù)雜不均勻，經(jīng)常出現(xiàn)起皺、破裂、波紋、大回彈等缺陷。為了改善板料的流動(dòng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)板料受力情況，零件在拉深成形過程中需要一定大小不均且沿凹模周邊適當(dāng)分布的拉深阻力[8]。拉深筋能夠平衡凹?？诎辶狭鲃?dòng)速度差異，大范圍改善板料應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，有效抑制起皺、破裂、波紋、大回彈、面畸變等缺陷。

圖2 壓邊力隨拉深成形過程的變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of blank holder force during deep drawing process

根據(jù)截面形狀可將拉深筋分為圓形筋、方筋（矩形筋）、三角筋、拉深檻等。一般情況下，產(chǎn)生的進(jìn)料阻力由小到大的排列順序是圓形筋、拉深檻、方筋、三角筋。每種筋的特點(diǎn)和用途各不相同：圓形筋在調(diào)試階段容易修磨，拉深阻力也不是很大，當(dāng)零件需要大的流入量時(shí)用圓形筋較合適；拉深檻緊貼在凹模直壁處，只能用在零件被完全拉入凹模的成形，材料利用率較高，進(jìn)料阻力較大，允許零件有較大進(jìn)料量；方筋和三角筋由于進(jìn)料阻力過大，一般用在只允許少量進(jìn)料或者不允許進(jìn)料的脹形或拉深工藝中。

根據(jù)此零件拉深的特點(diǎn)，即脊部中間區(qū)域先接觸凸模，兩邊后貼。這就要求在拉深時(shí)，材料中間流料速度快，兩側(cè)流料速度慢，因此在凹模入口兩側(cè)設(shè)置方形拉深筋，減少兩端流料，避免拉深過程中脊部?jī)啥肆线^多而形成褶皺，具體拉深筋布置及尺寸如圖3所示。

1.2.4 摩擦力

在充液成形過程中，摩擦力的存在導(dǎo)致能量的大量消耗，而且不同部位的摩擦力對(duì)板料成形性能的影響很大，包括對(duì)成形極限、零件表面質(zhì)量、回彈量、壁厚均勻程度等的影響[9-10]。不合適的摩擦力會(huì)導(dǎo)致零件表面、模具表面劃傷，縮短模具壽命，甚至無法成形合格零件。在數(shù)值模擬分析中，不考慮摩擦力的影響會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。并不是所有的摩擦都是對(duì)成形不利的，有些摩擦的存在是對(duì)成形有利的。減小不利摩擦、加大有利摩擦、控制成形中材料流動(dòng)狀況可大大提高成形極限。摩擦特性在零件充液成形中具有重要作用，通過控制摩擦特性來控制成形特性是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、方便、快捷的方法。

該零件因?yàn)椴捎贸湟豪畹姆椒ǔ尚?，板料和凹模之間形成一層液體保護(hù)膜，可以起到自潤(rùn)滑作用。另外，凹模圓角處表面質(zhì)量要求較高，也能有效減少摩擦。

2 零件尺寸、材料性能、工藝分析

2.1 零件尺寸、材料性能

以某飛機(jī)蒙皮為研究對(duì)象，零件展開尺寸為1050mm×980mm，零件曲率弦高280mm，反向曲率弦高30mm，為異形復(fù)雜凸凹曲率零件，如圖4所示。以鋁合金2B06-Oδ2.0材料為試驗(yàn)材料，其室溫機(jī)械性能參數(shù)為：尺寸規(guī)格＞1.9～10.5；抗拉強(qiáng)度≤235MPa；延伸率δ為10%。

2.2 工藝分析

零件中間曲面是雙凸曲面，在一角處呈現(xiàn)反向曲率，不適用常規(guī)蒙皮拉伸成形。經(jīng)過數(shù)模測(cè)量，材料加工成零件變形量約有15%，鋁合金2B06-O室溫延伸率為10%，需要2次變形，在淬火后進(jìn)行校形工序，并在新淬火材料塑性良好的狀態(tài)下補(bǔ)充校形，達(dá)到成形精度。由以上分析，最終確定的工藝方案為：下料—充液預(yù)成形—淬火—充液校形。

3 數(shù)值模擬仿真分析

3.1 凸模、凹模和壓邊圈設(shè)計(jì)

采用被動(dòng)式充液拉深的模具主要分3部分：凸模、凹模以及壓邊圈。在成形過程中，零件最后是貼在凸模上；凹模起的是液室的作用；壓邊圈用來消除起皺缺陷，增大進(jìn)料阻力，控制金屬塑性流動(dòng)，從而改變板料成形中受力狀態(tài)。具體凸模、凹模以及壓邊圈型面的設(shè)計(jì)如圖5所示，黃色部分為凸模型面，藍(lán)色部分為壓邊圈型面，綠色部分為凹模型面。

3.2 液室壓力

圖3 拉深筋的布置與尺寸Fig.3 Layout and drawing of drawbead

圖4 零件理論數(shù)模Fig.4 Theory analog of the parts

圖5 三維建模Fig.5 3D modeling

液室壓力加載曲線是板材充液成形工藝中的重要工藝參數(shù)[11]，因此在進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析時(shí)，將其作為重點(diǎn)模擬優(yōu)化的參數(shù)之一，所施加的壓力曲線如圖6所示。

3.3 零件壁厚減薄率

零件充液成形后，當(dāng)某處壁厚減薄率超過一定范圍時(shí)，則判斷零件在此處發(fā)生破裂失效。有限元分析時(shí)，要通過反復(fù)優(yōu)化降低板料的減薄率，還要通過各個(gè)不同參數(shù)之間的組合使壁厚分布更加均勻合理。如圖7所示，該零件充液成形后，最大減薄在零件的補(bǔ)充型面的位置，約為15%，其余平均減薄在3%～5%。滿足零件的設(shè)計(jì)要求。

3.4 板材失穩(wěn)

板材失穩(wěn)出現(xiàn)起皺，是充液成形工藝中最為普遍的一種失效形式。如圖8所示，對(duì)零件的成形極限進(jìn)行分析，零件除脊部區(qū)域（灰色區(qū)域）變形量不足（變形量2%以內(nèi)，變形量不足可能發(fā)生部分回彈，但脊部區(qū)域形成結(jié)構(gòu)，剛度較好，回彈則較?。?，型面其余區(qū)域都是安全區(qū)域。圖8中藍(lán)色表示此處板料具有起皺的趨勢(shì)，而粉色部分表示已經(jīng)起皺。充液拉深成形零件時(shí)，可能出現(xiàn)板料凸緣處起皺和傳力區(qū)起皺，傳力區(qū)起皺產(chǎn)生在板料凹模入口圓角處和懸空區(qū)兩個(gè)傳力區(qū)。該零件充液拉深過程中起皺現(xiàn)象主要出現(xiàn)在藍(lán)色和粉色的懸空區(qū)。起皺現(xiàn)象出現(xiàn)在零件型面以外，可以不予考慮。

圖6 液室壓力曲線Fig.6 Curve of chamber pressure

圖7 充液零件減薄分析Fig.7 Thickness reduction ratio analysis of hydroforming part

3.5 零件貼模度分析

由于該充液成形零件的特點(diǎn)可知，充液成形過程中，零件頂部先接觸貼模，然后為兩側(cè)貼模，而該零件變形最大區(qū)域?yàn)樽詈筚N模部位，因此在Dynaform中對(duì)零件進(jìn)行剖面分析，并測(cè)量零件的貼模度（軟件中貼模度為材料中性層到凹模型面之間的距離，也就是說，所測(cè)得的貼模度數(shù)值應(yīng)再減去50%的材料厚度，原始材料厚度為2mm），由圖9可知，零件型面變形最大區(qū)域貼模度在0.2～07mm，0.7mm為零件邊緣處的貼模度。

圖8 充液零件成形極限圖Fig.8 Forming limit diagram of hydroforming part

圖9 充液零件貼模度分析Fig.9 Part-mould contact gap analysis of hydroforming part

4 充液成形工業(yè)應(yīng)用

基于對(duì)該凸凹曲率蒙皮零件成形過程的數(shù)值模擬，對(duì)該零件充液成形工裝進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，如圖10所示。在THP67-450045000kN充液成形液壓機(jī)上進(jìn)行充液成形零件生產(chǎn)，該液壓機(jī)的主液壓缸公稱壓力可以達(dá)到4500t，超高壓系統(tǒng)可以達(dá)到的最高工作壓力為100MPa，設(shè)備對(duì)壓邊力和液室壓力加載曲線等工藝參數(shù)均能夠?qū)崿F(xiàn)精確化與自動(dòng)化控制。如圖11所示，實(shí)際生產(chǎn)出的凸凹曲率蒙皮零件，經(jīng)檢驗(yàn)人員檢測(cè)（用塞尺、橡皮泥、游標(biāo)卡尺檢測(cè)），貼模度在0.2～0.5mm，與有限元分析基本一致，滿足零件的設(shè)計(jì)要求，已經(jīng)應(yīng)用在某型號(hào)飛機(jī)上。

圖10 凸凹曲率蒙皮充液成形工裝Fig.10 Hyperbolic skin hydroming fixture

圖11 凸凹曲率蒙皮充液成形零件Fig.11 Hyperbolic skin part after hydroforming process

5 結(jié)論

對(duì)于復(fù)雜的凸凹曲率蒙皮零件，基于有限元數(shù)值模擬方法，分析板材充液成形過程工藝參數(shù)變化規(guī)律，優(yōu)化工藝參數(shù)，并在實(shí)際過程中對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明：充液成形技術(shù)為復(fù)雜凸凹曲率飛機(jī)蒙皮零件的制造提供了新的工藝方法，能夠滿足新一代戰(zhàn)機(jī)的要求。

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