輕合金復(fù)雜薄壁構(gòu)件流體壓力成形技術(shù)新進(jìn)展

苑世劍，劉 偉，王國(guó)峰，何祝斌，凡曉波

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 流體高壓成形研究所, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 大連理工大學(xué) 高性能精密成形研究所, 遼寧 大連 116024)

0 引言

曲面薄壁構(gòu)件是火箭、飛機(jī)、汽車(chē)等運(yùn)載工具的關(guān)鍵構(gòu)件，其幾何形狀、尺寸精度和綜合性能直接影響裝備的氣動(dòng)性能、承載能力、有效載荷、燃料消耗等指標(biāo)。隨著新一代航空航天飛行器、高鐵、新能源汽車(chē)等高端裝備向大型化、輕量化、高速化、長(zhǎng)壽命、高可靠性方向發(fā)展，高性能復(fù)雜整體薄壁構(gòu)件應(yīng)運(yùn)而生[1]。這類(lèi)構(gòu)件采用具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐熱特性的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，主要包括高強(qiáng)鋁(鋰)合金、鈦合金、金屬間化合物、高溫合金等；結(jié)構(gòu)多采用整體化、薄壁化、復(fù)雜化的幾何構(gòu)型。這類(lèi)構(gòu)件突出的制造難題是材料難變形，形狀復(fù)雜(輪廓尺寸大、局部小特征多、曲率突變、壁厚超薄)，性能要求高。材料難變形、形狀復(fù)雜與高性能互相耦合，使得此類(lèi)構(gòu)件制造難度極大，超出現(xiàn)有技術(shù)的成形極限，為傳統(tǒng)成形技術(shù)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。本文介紹幾種近年來(lái)發(fā)展的面向這類(lèi)結(jié)構(gòu)的成形新技術(shù)，包括異形截面管件低壓充液壓形技術(shù)、深腔曲面薄壁構(gòu)件可控多向加壓流體壓力成形技術(shù)和難變形材料薄壁構(gòu)件熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)。

1 異形截面管件低壓充液壓形技術(shù)

對(duì)于相同質(zhì)量的材料，距離中性軸越遠(yuǎn)，其抗彎截面模量(即抗彎能力)越大，抗扭截面模量和抗扭能力也呈現(xiàn)相同的規(guī)律。根據(jù)此力學(xué)原理，以承受彎、扭載荷為主的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為空心變截面構(gòu)件，這是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的一種重要方法。目前，工業(yè)上主要采用內(nèi)高壓成形技術(shù)制造空心變截面輕量化結(jié)構(gòu)。由于成形壓力與構(gòu)件的圓角半徑成反比，與材料的屈服強(qiáng)度成正比，因此當(dāng)相對(duì)圓角半徑小于3或高強(qiáng)材料(抗拉強(qiáng)度1 000 MPa)成形時(shí)，成形內(nèi)壓高達(dá)3 000 atm(1 atm=1.013 25×105Pa)以上[2-4]。超高壓力導(dǎo)致對(duì)大型設(shè)備和模具的需求增大，同時(shí)容易引起圓角區(qū)過(guò)度減薄甚至開(kāi)裂等問(wèn)題，成為限制內(nèi)高壓成形制造超高強(qiáng)鋼和輕合金復(fù)雜構(gòu)件的一個(gè)瓶頸。

圖1 充液壓形工藝過(guò)程Fig.1 Procedure of hydro-pressing process

針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了低壓充液壓形新技術(shù)，其成形原理如圖1所示[5]。工藝過(guò)程可分為2個(gè)階段：1) 充液加壓階段。將預(yù)先壓制的管坯放在模具中，使管坯充滿(mǎn)液體介質(zhì)，密封管坯兩端，然后將液體介質(zhì)增壓到所需支撐壓力。2) 壓形階段。模具向下運(yùn)動(dòng)，管坯在模具的機(jī)械壓力和管內(nèi)液體壓力的共同作用下發(fā)生變形，成為所需要的形狀。在壓制過(guò)程中，可通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)管坯內(nèi)液體壓力的大小，以確保支撐壓力在合理的范圍內(nèi)。

與內(nèi)高壓成形相比，充液壓形工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 液體壓力非常低，約為內(nèi)高壓成形的1/10，因此不需要高壓源(增壓器)、閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)和大噸位合模壓力機(jī)，模具受力小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此可大幅降低設(shè)備和模具的成本。2) 沒(méi)有補(bǔ)料和增壓整形階段，消除了開(kāi)裂缺陷，工藝穩(wěn)定，成形效率是內(nèi)高壓成形的2～3倍。3) 成形件減薄量小，零件壁厚均勻性好，提高了零件的使用性能。

充液壓形工藝之所以具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，是因?yàn)槠渥冃螜C(jī)理與內(nèi)高壓成形不同。圖2為2種成形工藝應(yīng)力狀態(tài)比較。對(duì)于內(nèi)高壓成形，在圓角區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)為雙向拉應(yīng)力的脹形，必然發(fā)生減薄，通俗地講，需要很高的內(nèi)壓才能把坯料“拉靠”模具圓角區(qū)；對(duì)于充液壓制成形，圓角區(qū)處于雙向壓應(yīng)力狀態(tài)，由模具產(chǎn)生的推力把坯料“推靠”模具圓角區(qū)，此時(shí)內(nèi)壓僅起到支撐作用。

圖2 應(yīng)力狀態(tài)比較Fig.2 Comparison of stress states

長(zhǎng)度約為5 m的復(fù)雜形狀異形管件如圖3所示。當(dāng)選用一定直徑的管坯進(jìn)行充液壓形時(shí)，各截面的壓縮率多在2%～3%，局部區(qū)域截面最大壓縮率可達(dá)10.9%。

圖3 復(fù)雜形狀異形管件(mm)Fig.3 Complex tubular component with irregular cross-sections(mm)

根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度和管材尺寸，確定支撐內(nèi)壓為13 MPa。充液壓形的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。壁厚分布規(guī)律為中部直邊區(qū)域壁厚發(fā)生輕微減薄，最大減薄率為2.6%；其余區(qū)域均增厚，豎直邊彎曲內(nèi)側(cè)增厚較多，最大增厚率為43%。管件無(wú)內(nèi)凹缺陷，各典型截面的圓角部位均貼模，圓角半徑達(dá)到設(shè)計(jì)值14 mm，成形精度好。如果采用內(nèi)高壓成形技術(shù)，則需要的成形力為130～150 MPa，合模力約為3×104t。充液壓形僅需3 000 t合模力，因此充液壓形適用于制造大尺寸、帶有局部小圓角的構(gòu)件。

圖4 異形管件充液壓形數(shù)值模擬Fig.4 Simulations of hydro-pressing of tubular component with irregular cross-sections

2 深腔曲面薄壁構(gòu)件可控多向加壓流體壓力成形技術(shù)

大直徑薄壁(壁厚與直徑之比小于0.5%)鋁合金深腔曲面構(gòu)件的整體精密成形技術(shù)一直是困擾國(guó)際塑性加工界的一個(gè)難題。美國(guó)、歐洲各國(guó)等采用“拼焊厚板(厚度大于50 mm)+熱旋壓制坯+數(shù)控銑削(厚度小于10 mm)”的技術(shù)路線(xiàn)制造大尺寸整體深腔曲面構(gòu)件，但該技術(shù)存在工藝復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)、材料浪費(fèi)嚴(yán)重(90%以上的材料被浪費(fèi))等問(wèn)題。為了解決該難題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體高壓成形技術(shù)研究所提出了可控多向加壓流體壓力成形新技術(shù)[6]，如圖5所示。通過(guò)控制正向與反向或徑向液壓載荷，用液壓伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)控壓力比，使得坯料變形區(qū)處于既不起皺又不開(kāi)裂的合理的應(yīng)力狀態(tài)，解決了深腔曲面件起皺與破裂并存的國(guó)際性難題，突破了現(xiàn)有技術(shù)的成形極限。

針對(duì)大尺寸橢球形整體箱底構(gòu)件的流體壓力成形，通過(guò)能量法建立了臨界起皺壓力和開(kāi)裂壓力的理論模型[7]，利用該模型可預(yù)測(cè)成形壓力上限值和下限值，從而確定成形工藝窗口，避免起皺和開(kāi)裂缺陷同時(shí)發(fā)生，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該理論模型的正確性，從厚徑比0.23%的2219鋁合金半球形薄壁曲面件成形結(jié)果可看出：在工藝窗口內(nèi)，可獲得無(wú)起皺和破裂缺陷的曲面件；在工藝窗口之下，成形曲面件均出現(xiàn)不同程度的起皺缺陷；在工藝窗口之上，懸空區(qū)反脹后發(fā)生破裂。成形工藝窗口對(duì)大尺寸構(gòu)件成形工藝實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

圖5 可控雙向加壓流體壓力成形技術(shù)原理Fig.5 Principle of fluid pressure forming with controllable double-sided pressures

圖6 成形工藝窗口及鋁合金曲面件Fig.6 Forming process window and formed aluminum alloy component with curved surface

可控多向加壓設(shè)備需要3路高壓流體介質(zhì)增壓器及相應(yīng)的數(shù)控軸，且3路壓力必須與拉深位移合理匹配，因此加載曲線(xiàn)控制難度非常大。同時(shí)，對(duì)大尺寸深腔構(gòu)件還要建立大體積高壓流體介質(zhì)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體高壓成形技術(shù)研究所突破了多路流體壓力與位移匹配加載精確控制、壓力-體積協(xié)同控制、超大體積高壓液體增壓與傳輸?shù)入y題，聯(lián)合有關(guān)單位研制出世界上最大的大型板材流體成形機(jī)，其核心參數(shù)為拉深力150 MN，高壓液體體積5 m3。拉深力為此前最大的德國(guó)Schuler公司設(shè)備的1.5倍，高壓液體體積是其10倍。通過(guò)該設(shè)備先進(jìn)的多向數(shù)控加壓功能，利用成形工藝窗口，解決了超大直徑薄壁深腔曲面構(gòu)件起皺和開(kāi)裂并存的難題，突破了厚徑比小于0.5%時(shí)無(wú)法整體成形的瓶頸，在國(guó)際上首次采用與構(gòu)件等厚的薄板直接成形出直徑3 m級(jí)的鋁合金薄壁深腔曲面整體構(gòu)件，如圖7所示。

圖7 超大型板材流體壓力成形機(jī)及產(chǎn)品Fig.7 Supersized sheet hydroformingmachine and formed product

為評(píng)價(jià)成形件的力學(xué)性能，沿著薄壁曲面件軋制方向(0°)、垂直軋制方向(90°)和軋制方向呈45°的方向，以及不同的緯度分別切取單向拉伸試樣，取樣位置和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示。經(jīng)固溶處理—流體壓力成形—人工時(shí)效后，2219鋁合金構(gòu)件抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)440 MPa，相比于T6態(tài)板材提高了13%，高于設(shè)計(jì)要求值，不同方向上強(qiáng)度值波動(dòng)不明顯，構(gòu)件均勻性良好。流體壓力成形的整體箱底替代傳統(tǒng)的多塊焊接結(jié)構(gòu)，完全消除焊縫，綜合力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)，大幅提高了運(yùn)載火箭的可靠性。這一進(jìn)展顛覆了美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐州空間局沿用幾十年的技術(shù)路線(xiàn)，打破了發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)火箭箱底整體制造技術(shù)的封鎖。

圖8 薄壁曲面件拉伸試樣取樣位置和測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test positions and results of mechanicalproperties of thin-walled curved part

3 難變形材料薄壁構(gòu)件熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)

鋁鋰合金、鈦合金、TiAl等難變形材料在室溫下塑性低，必須在加熱狀態(tài)下成形，如采用超塑成形技術(shù)。常規(guī)超塑成形技術(shù)主要存在以下問(wèn)題：1) 減薄嚴(yán)重，壁厚不均；2) 組織內(nèi)部空洞缺陷導(dǎo)致構(gòu)件性能下降；3) 生產(chǎn)效率低，成本高[8]。針對(duì)現(xiàn)有熱成形技術(shù)存在的問(wèn)題，提出了高效快速熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)，其成形原理如下：在模具內(nèi)采用電流自阻加熱、感應(yīng)加熱等快速加熱方式，以熱介質(zhì)(氣體介質(zhì)、熱油介質(zhì)、顆粒介質(zhì)等)作為柔性加載介質(zhì)，并通過(guò)剛體模具與柔性介質(zhì)復(fù)合，成形出難變形材料復(fù)雜形狀整體構(gòu)件，最終在模具內(nèi)通過(guò)高壓冷氣體實(shí)現(xiàn)形狀精度與組織性能一體化控制[9]。根據(jù)坯料結(jié)構(gòu)形式，可分為管類(lèi)構(gòu)件和板類(lèi)構(gòu)件2種工藝，如圖9所示。

圖9 熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)原理Fig.9 Principle of hot medium pressure forming technology

熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)如下：1) 成形高效快速。采用直流電流直接作用于坯料，實(shí)現(xiàn)坯料的局部快速加熱，避免了傳統(tǒng)加熱爐加熱效率低、熱慣性大的缺點(diǎn)。采用高壓熱介質(zhì)實(shí)現(xiàn)坯料的快速加載變形，并在成形后通過(guò)快速冷卻等措施，大大縮短成形周期。2) 溫度分區(qū)可控。通過(guò)控制電流大小，可直接控制坯料上不同區(qū)域的加熱效率和升溫速率，坯料上溫度分區(qū)可控，利用溫度梯度實(shí)現(xiàn)變形調(diào)控，尤其適合鈦合金復(fù)雜管類(lèi)構(gòu)件成形[10]。

大尺寸復(fù)雜整體構(gòu)件成形后進(jìn)行熱處理時(shí)存在如下難點(diǎn)[11]：1) 在淬火時(shí)極易因熱脹冷縮不協(xié)調(diào)而使構(gòu)件產(chǎn)生嚴(yán)重形狀畸變，導(dǎo)致構(gòu)件形狀尺寸精度不滿(mǎn)足要求；2) 利用布有冷卻水道的冷態(tài)模具進(jìn)行淬火時(shí)，雖然在模具約束下構(gòu)件的形狀畸變得以控制，但對(duì)于復(fù)雜整體構(gòu)件，很難實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的均勻降溫，不同區(qū)域的組織性能也難以精確控制。針對(duì)該難題，提出了采用成形—模內(nèi)高壓氣淬一體化形性調(diào)控方法，如圖10所示。在熱介質(zhì)作用下成形為所需形狀構(gòu)件后，將熱介質(zhì)快速轉(zhuǎn)換為冷介質(zhì)，構(gòu)件被均勻冷卻并脫離模腔形成微小間隙，然后在構(gòu)件的內(nèi)側(cè)和外側(cè)同時(shí)通入高壓冷氣介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步均勻降溫，完成構(gòu)件的模內(nèi)高壓氣淬。

圖10 成形—模內(nèi)高壓氣淬一體化形性調(diào)控法原理Fig.10 Principle of forming-quenching with highpressure air in tool on controlling ofgeometrical and mechanical performance

采用冷/熱介質(zhì)的快速轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)模內(nèi)高壓氣淬，具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：1) 均勻降溫。利用氣體的良好流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)冷熱介質(zhì)的快速切換，然后使高壓氣體與構(gòu)件發(fā)生均勻的熱交換，從而實(shí)現(xiàn)均勻降溫，可避免傳統(tǒng)工藝中利用模具進(jìn)行淬火時(shí)因冷卻水道布置困難、降溫不均勻而出現(xiàn)的形狀畸變等問(wèn)題。2) 可控冷速。通過(guò)對(duì)氣體流動(dòng)速度、氣體壓力的合理匹配，以及對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可使材料在特定的溫度范圍內(nèi)以足夠的冷卻速率完成淬火，從而避開(kāi)材料固有的淬火敏感溫度區(qū)間，實(shí)現(xiàn)組織演變過(guò)程精確控制。采用熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)制造的各種復(fù)雜曲面構(gòu)件如圖11所示。

圖11 采用熱介質(zhì)壓力成形技術(shù)制造的各種復(fù)雜曲面構(gòu)件Fig.11 Various complex curved parts fabricated by hot medium pressure forming technology

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)新一代航空、航天等高端制造領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茌p合金復(fù)雜薄壁構(gòu)件成形的迫切需求，以及傳統(tǒng)成形技術(shù)面臨的困難和挑戰(zhàn)，發(fā)展出三大類(lèi)新一代薄壁構(gòu)件整體流體壓力成形技術(shù)和裝備。展望未來(lái)，輕合金復(fù)雜薄壁構(gòu)件流體壓力成形技術(shù)在異形截面管件、深腔曲面板件、難變形材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在解決制約復(fù)雜薄壁構(gòu)件成形技術(shù)發(fā)展的瓶頸難題時(shí)將發(fā)揮不可替代的作用。