空心薄壁構(gòu)件液壓鍛造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用

文/徐勇，張士宏，馬彥，陳大勇·中國科學(xué)院金屬研究所

空心薄壁構(gòu)件液壓鍛造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用

文/徐勇，張士宏，馬彥，陳大勇·中國科學(xué)院金屬研究所

隨著汽車、航空航天制造業(yè)對產(chǎn)品性能和輕量化要求的不斷提升，采用空心結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的實心部件已成為重要發(fā)展趨勢。管材液壓成形技術(shù)作為主要的輕量化成形技術(shù)之一，適于成形具有復(fù)雜變截面的整體化空心構(gòu)件，可以大量替代傳統(tǒng)鑄造和沖焊工藝，因而近年來得到廣泛應(yīng)用。但是，液壓成形仍不能完全解決具有大變形量和小圓角特征結(jié)構(gòu)的零件制造加工。為了進(jìn)一步提高材料的成形性并避免起皺和破裂等缺陷的發(fā)生，中國科學(xué)院金屬研究所塑性加工先進(jìn)技術(shù)課題組結(jié)合液壓成形與精密鍛造的技術(shù)特點和優(yōu)勢，研發(fā)出了一種適用于空心薄壁構(gòu)件的液壓鍛造新技術(shù)并開展了示范性應(yīng)用。

材料和零件

本文以某奧氏體不銹鋼Ω形零件成形為例，其具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。零件的端部直徑為φ128mm，中部直徑達(dá)到φ175mm，其最大變形量將近40%，零件邊緣位置的過渡圓角僅為1mm，壁厚為1.5mm。

液壓鍛造工藝原理

液壓鍛造工藝采用空心管件作為初始坯料，而不是傳統(tǒng)鍛造工藝中采用的實心固體材料。在這種工藝中，流動介質(zhì)被注入空心管件中，同時應(yīng)用可移動的沖頭密封部件兩端，并對液態(tài)介質(zhì)加壓，同時配合相應(yīng)的軸向進(jìn)給，將工件成形到指定形狀。

液壓鍛造工藝原理如圖2所示。整個成形過程主要分三個階段：低壓預(yù)脹形、中壓鍛造和高壓整形。首先將液體注入管狀坯料，然后應(yīng)用兩個沖頭進(jìn)行密封。通過液壓成形工藝，將管坯加工到過渡形狀，用外部增壓器對內(nèi)部液體進(jìn)行增壓，用以代替沖頭運(yùn)動，具體如圖2(a）所示。當(dāng)內(nèi)部液體壓力保持或者隨著實際鍛造力增加，將過渡形鍛造到近終形狀，如圖2(b）所示。在鍛造過程中，盡管沒有必要軸向進(jìn)給管材，但是因鍛造過程引起了軸向長度減小，為了密封管材兩個端部，必須給定沖頭行程，并且該行程要等于鍛造工具的行程。最后，繼續(xù)對內(nèi)部液體進(jìn)行增壓，迫使管材充分填充模具型腔，尤其是邊界位置，具體如圖2(c）所示。沖頭和鍛造工具同時保持靜止。當(dāng)成形結(jié)束后，沖頭和鍛造模具返回初始位置，打開閉合模具。

圖1 目標(biāo)零件的結(jié)構(gòu)尺寸

有限元模擬和實驗驗證

應(yīng)用有限元模擬軟件ETA.Dynaform 5.9.1進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖3給出模擬所采用的有限元模型，所用管坯長度為212mm，外徑為φ128mm。模擬過程也分為三個階段：低壓脹形、中壓鍛造和高壓整形。為了簡化模型，只模擬工具與管材接觸面。建立Belytschko-Tsay 5節(jié)點四邊形殼體單元，管材單元的數(shù)目為3976。沖頭、工具和外模具設(shè)置成三維分析的剛度單元，由于單元的類型緣故，剛度體不劃分網(wǎng)格和分析?；诹P函數(shù)原理規(guī)定模具和管材之間的接觸。應(yīng)用庫倫摩擦法則，將模擬中管材和模具表面的摩擦系數(shù)定義為0.1。

圖3 有限元模擬模型

模擬和實驗中所采用的三種載荷路徑，也就是內(nèi)部載荷和沖頭行程之間的關(guān)系，如圖4所示。三種載荷路徑分別定義為路徑1、2和3。三種載荷路徑的不同主要集中在液壓和鍛造工步，而最后階段的整形壓力相同。

圖4 數(shù)值模擬和實驗中所采用的載荷路徑

在路徑1中，液壓脹形力為50MPa，在后續(xù)的鍛造階段保持該數(shù)值。在路徑2中，液壓力為30MPa，在后續(xù)的鍛造階段保持不變。在路徑3中，液壓力在鍛造階段，由最初的30MPa增加到50MPa。沖頭和鍛造工具的行程對于所有的載荷路徑都相同。除此之外，將管材自由脹形成“Ω形”，并將該形狀作為液壓階段的過渡形。模擬和實驗都圍繞三種不同的載荷路徑展開分析。

通過應(yīng)用載荷路徑1，如圖5所示，鍛造階段，管材中間區(qū)域發(fā)生脹破。由于模具的設(shè)計為一模兩件，所以在液壓成形過程中每一部分只有一側(cè)的軸向進(jìn)給。所以當(dāng)內(nèi)部壓力的增加速度大于沖頭軸向進(jìn)給的行程時，不能夠提供足夠的材料用以周向擴(kuò)展，而導(dǎo)致液壓過渡形的嚴(yán)重減薄。

圖6給出了采用載荷路徑1的變形工件的壁厚分布，管材在液壓脹形階段為自由脹形。某種程度上講，最大的變形位于變形區(qū)的中部，最小壁厚已經(jīng)減小到1.08mm，液壓脹形后的減薄率為28%。因此在隨后的鍛造階段，將管材成形到近終形狀時，容易在過度減薄區(qū)域產(chǎn)生脹破。

圖5 鍛造階段管材中間部位脹破

圖6 采用載荷路徑1的變形工件的壁厚分布

如圖7所示給出了載荷路徑2的模擬結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，液壓階段當(dāng)內(nèi)部液壓力保持在30MPa時，能夠避免壁厚過度減薄。圖7(a）給出成形部件的厚度分布圖，厚度減薄率在15%以下。然而，由于后續(xù)的鍛造階段管材內(nèi)部的液壓力相對較低而引起的塑性不穩(wěn)定，致使鍛造工具壓縮管材到過渡形時出現(xiàn)折疊和褶皺缺陷。從圖7(b）看出，鍛造階段折疊較為嚴(yán)重。情況最嚴(yán)重時，即使后續(xù)整形壓力非常高也無法消除褶皺，如圖7(c）所示。圖8所示為應(yīng)用載荷路徑2所做實驗中的折疊。

根據(jù)路徑1、2得到的模擬和實驗結(jié)果，本研究設(shè)定了加載路徑3。圖9顯示采用載荷路徑3成形的工件沒有裂紋和折疊，數(shù)值模擬和實驗均體現(xiàn)出該趨勢。

結(jié)束語

圖7 載荷路徑2下的模擬結(jié)果

圖8 應(yīng)用載荷路徑2所做實驗中的折疊

圖9 采用載荷路徑3液壓脹形的工件

本文提出一種適用于空心薄壁構(gòu)件的液壓鍛造新技術(shù)并開展了示范性應(yīng)用。與傳統(tǒng)的液壓成形工藝相比，液壓鍛造工藝可以顯著提高薄壁構(gòu)件的成形性，有效解決具有大變形量和小圓角結(jié)構(gòu)特征的制造加工。模擬和實驗的分析結(jié)果表明，過度減薄容易發(fā)生在低壓預(yù)脹形階段，而褶皺和破裂易出現(xiàn)在后續(xù)的中壓鍛造階段，內(nèi)壓加載路徑的控制是液壓鍛造工藝的關(guān)鍵。通過工藝參數(shù)的優(yōu)化，最終能夠獲得優(yōu)異的成形效果。因此，空心薄壁構(gòu)件液壓鍛造技術(shù)未來在汽車、航空航天等關(guān)鍵制造領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景和價值。

徐勇，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，副研究員。主要從事高性能薄壁零件先進(jìn)液壓成形技術(shù)和裝備的研發(fā)應(yīng)用及計算機(jī)輔助精確成形仿真技術(shù)的研究，擁有專利17項。