大型薄壁翼尖深腔整流蒙皮拉深成形技術(shù)研究

0 引 言

短周期、低成本是衡量新產(chǎn)品研制成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)之一，拉深成形具有效率高、成形零件表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于薄壁構(gòu)件的成形。拉深是非均勻大塑性變形，涉及接觸非線性、幾何非線性和材料非線性等問題，而且影響拉深成形過程的參數(shù)較多

。針對(duì)型面復(fù)雜薄壁零件的傳統(tǒng)試錯(cuò)工藝方法不能滿足生產(chǎn)進(jìn)度及成本控制要求，要求在工藝方案設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)估成形潛在的缺陷，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，即便是形狀相似的零件在工藝方案細(xì)節(jié)方面也存在差異，這對(duì)工藝設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)格要求，必須尋求高效、低成本解決缺陷預(yù)測(cè)及消除的新技術(shù)。

拉深成形是利用拉深模及壓力機(jī)根據(jù)金屬板料塑性變形的特點(diǎn)，使沖裁后的平面薄板毛坯外法蘭減小，制成開口空心零件或?qū)㈤_口空心毛坯進(jìn)一步壓制減少直徑，增大高度的沖壓成形工藝方法。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法難以提前預(yù)測(cè)并確定板料成形過程中容易出現(xiàn)的問題，隨著近些年計(jì)算機(jī)技術(shù)及有限元模擬方法的發(fā)展，板料成形數(shù)值模擬已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬材料塑性加工領(lǐng)域

，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，得到板料成形過程中可能出現(xiàn)的開裂、起皺等趨勢(shì)

，以便工藝設(shè)計(jì)通過反復(fù)迭代方式在投產(chǎn)前綜合多種因素實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到縮短模具試驗(yàn)時(shí)間及產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品研制成本的目的?，F(xiàn)基于Dynaform有限元分析，對(duì)大型薄壁翼尖深腔整流蒙皮拉深成形進(jìn)行研究，探究工藝型面設(shè)計(jì)、壓邊阻力分布及壓邊力對(duì)起皺的影響。

1 零件分析

圖1所示為深腔整流蒙皮，是飛機(jī)航行燈安裝平臺(tái)的重要連接部件，材料為2024（包鋁）-O，厚度為1.27 mm，端口最高點(diǎn)尺寸為234 mm、寬度為391 mm。該零件具有變曲率、大尺寸深腔、壁薄等特點(diǎn)，且頂部存在異形孔，其加工精度影響航行燈系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對(duì)零件的外形尺寸、表面質(zhì)量、疲勞壽命等方面有較高要求。

由于該零件為大尺寸深腔薄壁結(jié)構(gòu)，相對(duì)厚度系數(shù)較小，在板料厚度方向容易失穩(wěn)，同時(shí)易出現(xiàn)開裂與起皺現(xiàn)象

。針對(duì)該零件進(jìn)行成形性風(fēng)險(xiǎn)分析，運(yùn)用Dynaform有限元軟件進(jìn)行傳統(tǒng)拉深模成形模擬，最終得到結(jié)果如圖2所示，因零件尖端曲率過小，起皺區(qū)域集中在零件端頭，零件最大減薄率達(dá)到了17%，超過了減薄率最大值10%的要求。為解決該深腔薄壁零件開裂與起皺現(xiàn)象并存的問題，需優(yōu)化拉深模結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合Dynaform有限元分析得出最優(yōu)毛坯形狀以改善壓邊阻力分布，通過對(duì)比工藝方案模擬防起皺與實(shí)際拉深試驗(yàn)防起皺來驗(yàn)證結(jié)果。

2 工藝方案設(shè)計(jì)

球形件拉深成形效果好，周圈曲率較大且分布均勻，如圖3所示，深腔整流蒙皮零件拉深成形出現(xiàn)的問題可借鑒球形件拉深經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化工藝方案。考慮將模具零件尖端區(qū)域抬高來增大該深腔整流蒙皮零件端頭的曲率，將嚴(yán)重起皺區(qū)轉(zhuǎn)移到工藝補(bǔ)償區(qū)域，同時(shí)通過優(yōu)化毛坯形狀來改善壓邊阻力分布，達(dá)到消除起皺的效果。抬高模具零件尖端后拉深模擬如圖4所示，起皺區(qū)域消除效果明顯。半封閉零件最合理的成形方法是將左右件對(duì)接成閉合體，在抬高模具零件尖端區(qū)域的基礎(chǔ)上采取1模2件組合拉深成形，如圖5所示，增加板料參與變形的面積、改善成形時(shí)板料的受力狀態(tài)，以解決起皺與開裂同時(shí)出現(xiàn)的問題。

3 工藝優(yōu)化

3.1 確定最佳毛坯尺寸

先進(jìn)行常規(guī)尺寸毛坯拉深試驗(yàn)，當(dāng)凹模下降至凸模高度的中心位置時(shí)，零件實(shí)際成形情況與模擬過程接近，如圖17和圖18所示。由于凸、凹模的左右尖錐形結(jié)構(gòu)，成形時(shí)直線側(cè)壁與尖錐側(cè)壁無法保持等厚，零件橢圓罩體直線側(cè)壁附近的法蘭材料流動(dòng)較快，而兩邊端頭的法蘭材料流動(dòng)相對(duì)較慢，隨著凸、凹模之間的距離逐步減小，零件直線側(cè)壁起皺被拉深壓平，但是錐形端頭起皺仍存在，無法消除，零件成形質(zhì)量難以保證。

上博楚簡(jiǎn)三篇中語氣詞比較豐富，本文主要選取了其中最具有代表性的7個(gè)語氣詞“也”、“矣”、“乎”、“焉”、“與(歟)”、“哉”、“唯(維、惟)”進(jìn)行分析，以期能夠了解上古漢語中語氣詞的使用、發(fā)展及其特點(diǎn)。

對(duì)圖9、圖10進(jìn)行分析可得：有限元模擬軟件反算得到的橢圓毛坯可明顯提升薄板拉深成形性能，且橢圓毛坯相對(duì)方形尺寸毛坯改善了零件拉深過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，有助于提升拉深極限，保證零件厚度變化均勻，消除起皺缺陷。

3.2 確定合理的壓邊間隙

合理的壓邊間隙是控制零件及法蘭起皺的有效措施，在保持其他參數(shù)不變的情況下（摩擦系數(shù)定為0.125），設(shè)定不同壓邊間隙進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖11和圖12所示。

由圖12可知，最大減薄率隨著壓邊間隙逐步增大而下降，且壓邊間隙越大，減薄率下降趨勢(shì)越明顯。這是由于壓邊間隙太小時(shí)，板料被壓邊圈壓住過緊，使板料與凹模及壓邊圈之間的摩擦阻力增大

，傳力區(qū)的拉應(yīng)力隨之增大，阻礙材料順利流入凹模，導(dǎo)致零件成形后減薄嚴(yán)重。

2.3.1 AR抑制劑聯(lián)合細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶4/6（cyclin-dependent kinase 4/6，CDK4/6）抑制劑

模具結(jié)構(gòu)考慮抬高零件尖端起皺區(qū)的對(duì)應(yīng)位置，凸模上劃出零件外形線及拉深完切割零件的中心線。成形前在模具壓邊圈上規(guī)劃橢圓毛坯外形線，以定位毛坯放置的準(zhǔn)確位置，如圖14所示。在成形過程中，凹模下行覆蓋在待成形零件表面，待成形零件夾于凸、凹模之間，會(huì)形成一個(gè)充滿空氣阻力的封閉式腔體導(dǎo)致待成形零件與凸模吸附過緊，因此在凸模頂部中心處（非零件外形區(qū)域）設(shè)計(jì)

8.0 mm的工藝排氣孔，便于成形零件脫模，如圖15所示

，同時(shí)通過導(dǎo)向板控制凸、凹模與壓邊圈相對(duì)移動(dòng)位置，保證拉深成形過程可控。

3.3 確定合理的拉深模結(jié)構(gòu)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化在我國脫貧攻堅(jiān)的實(shí)施過程中起到至關(guān)重要的作用。產(chǎn)業(yè)扶貧就是扶貧開發(fā)的過程，以產(chǎn)業(yè)特色、資源優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)，在發(fā)展貧困地區(qū)、增加貧困農(nóng)戶收入方面起到了重要作用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

接著在模具上放置模擬反算所得展開毛坯再次進(jìn)行拉深試驗(yàn)，坯料依據(jù)壓邊圈毛坯劃線準(zhǔn)確放置，當(dāng)凹模下降至凸模高度的中心位置時(shí)，成形效果與模擬過程相似，起皺明顯減少，如圖19～圖21所示，說明合理的坯料形狀可以改善零件的拉深可行性，最終成形零件厚度變化均勻，成形精度及質(zhì)量好，對(duì)比工藝方案模擬防起皺與實(shí)際拉深防起皺結(jié)果基本相符。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的深腔薄壁拉深件，利用仿真技術(shù)可以準(zhǔn)確設(shè)計(jì)坯料尺寸，為材料成形提供指導(dǎo)。

社區(qū)自治的路徑強(qiáng)調(diào)社區(qū)治理的本位是社會(huì)自治，主張社區(qū)治理體制改革，推動(dòng)“政社分開”，例如實(shí)行社區(qū)的“議行分設(shè)”體制、“一會(huì)兩站”模式等。社區(qū)自治應(yīng)當(dāng)基于社區(qū)居民的共同利益和訴求，尤其是業(yè)主對(duì)于自身物權(quán)維護(hù)的需要。鑒于現(xiàn)實(shí)中居民自治的衰落和業(yè)主自治的興起，近年來社區(qū)自治研究開始偏重業(yè)主自治，并有逐步取代居民自治研究的趨勢(shì)。但是，研究者也指出了當(dāng)前社區(qū)自治的局限及其原因，即受制于國家結(jié)構(gòu)性約束的偏態(tài)自治和居民主觀態(tài)度的無序自治與低度自治。⑨

4 拉深試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合上述數(shù)值模擬分析，在保證常規(guī)尺寸毛坯與反算展開毛坯各參數(shù)一致的情況下，在6 500 kN沖床上進(jìn)行拉深試驗(yàn)，如圖16所示。

當(dāng)壓邊間隙為1.35～1.45 mm時(shí)，零件最大減薄率可以控制在10%左右

，隨著壓邊間隙增大至1.5 mm，法蘭處的起皺現(xiàn)象越來越明顯，如圖13所示，法蘭起皺區(qū)域范圍較大。為了避免法蘭起皺及零件過度減薄的開裂現(xiàn)象

，壓邊間隙應(yīng)選1.35～1.45 mm為宜。

在保持設(shè)置參數(shù)相同的情況下，以常規(guī)尺寸毛坯與反算的理論展開毛坯進(jìn)行拉深成形模擬對(duì)比，其模擬對(duì)比結(jié)果如圖9、圖10所示。

薄板拉深成形性能受毛坯形狀影響，通過模擬優(yōu)化得到合理的毛坯外形能改善拉深成形過程中非規(guī)則罩體零件的應(yīng)力及應(yīng)變分布，提升零件的成形極限，使零件厚度變化均勻，以保證成形精度及質(zhì)量

。由于深腔整流蒙皮結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按常規(guī)經(jīng)驗(yàn)及鈑金展開料計(jì)算公式得到的展開毛坯精度低、計(jì)算量較大。為解決該類問題利用Dynaform坯料反算功能模塊進(jìn)行有限元分析，如圖6所示，得到的結(jié)果作為常規(guī)尺寸毛坯（見圖7）優(yōu)化的依據(jù)，與此同時(shí)設(shè)計(jì)合理的工藝補(bǔ)充面，借助反復(fù)的模擬調(diào)試，最后得到最佳的毛坯外形，如圖8所示。

借鑒Luna24探測(cè)器和地面油田鉆井工程中穩(wěn)定器設(shè)計(jì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)鉆取采樣設(shè)備外部支撐裝置的設(shè)計(jì)需求，本文設(shè)計(jì)了一種鎖合隨動(dòng)式限幅機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)位于鉆桿的中部，在飛行工作階段主要起到鉆具的限幅作用；當(dāng)鉆具鉆進(jìn)到位之后，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)解鎖，并隨鉆具同步向下進(jìn)尺。同時(shí)，本文基于有限元分析和地面系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)該限幅機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。

零件有專用配套模具用于拉深成形后進(jìn)行液壓機(jī)校形，以消除零件拉深成形后的回彈現(xiàn)象。校形后的零件罩體與模具零件貼合公差保證在0～0.5 mm。模具上設(shè)有零件外形線及裝配余量線，最終切邊得到的零件如圖22所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)批量生產(chǎn)、飛機(jī)裝配驗(yàn)證后，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能需求。

廣彩紋飾多樣，大多為定制產(chǎn)品，產(chǎn)品隨著各地區(qū)的審美傾向和各階層人群的需求而變化，表現(xiàn)出歲無定樣的特征。

5 結(jié)束語

（1）針對(duì)該翼尖薄壁深腔零件的結(jié)構(gòu)特殊性，通過將模具零件尖端起皺區(qū)抬高以增加零件曲率，不僅可緩解起皺，而且可將起皺區(qū)域轉(zhuǎn)移到工藝補(bǔ)償區(qū)域，達(dá)到消除起皺的效果。

（2）借助有限元分析反算得到了較準(zhǔn)確的展開坯料形狀，合理的坯料外形能有效改善拉深過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，提升零件的拉深極限，使零件厚度變化均勻、成形精度高。

（3）借助數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)拉深成形材料減薄及起皺的影響進(jìn)行參數(shù)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在展開坯料合理、摩擦系數(shù)設(shè)置較大的情況下，壓邊間隙為1.35～1.45 mm時(shí)，零件最大減薄率可以控制在10%左右，此時(shí)其余拉深工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)對(duì)零件成形結(jié)果影響小，均可成形高質(zhì)量合格零件。

（4）工藝方案模擬防起皺與實(shí)際拉深防起皺結(jié)果基本符合，利用Dynaform數(shù)值模擬技術(shù)可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)板料成形過程中出現(xiàn)的回彈、起皺、開裂等趨勢(shì)

，在投產(chǎn)前可綜合多種因素影響實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化。

[1]周永新.筒形件沖壓成形核心問題的數(shù)值模擬[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2008:1-10.

[2]安秀娟.厚板拉深模具的設(shè)計(jì)及零件成形的分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009:3-15.

[3]郎利輝,巫永坤,陳楊鍇.鋁合金汽車頂蓋充液成形的數(shù)值模擬[J].精密成形工程,2017,9(3):13-18.

[4]白 穎,李善良,段嘉慶,等.拉深成形過程中不規(guī)則楔形深腔件的缺陷控制[J].鍛壓技術(shù),2019,44(10):49-55.

[5]周淑容.AZ31B鎂合金十字杯形拉深件熱沖壓成形數(shù)值模擬分析及模具工藝優(yōu)化[J].四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,24(4):152-154.

[6]繩斯佳,郎利輝,關(guān)世偉,等.考慮層間內(nèi)聚力的纖維增強(qiáng)金屬層板成形工藝優(yōu)化[J].塑性工程學(xué)報(bào),2020,27(11):59-64.

[7]任廣義,王曉康,何萬飛,等二階筒形件多次拉深成形工藝分析及數(shù)值模擬[J].模具工業(yè),2021,47(2):32-35.

[8]楊 踴,孫淑鐸,劉慧茹,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜型面罩子鈑充液成形技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2010(1):91-99.

[9]陳緒國,李繼光,張杰剛,等.2A12鋁合金平底筒形件充液拉深數(shù)值模擬研究[J].精密成形工程,2015,7(6):86-91.

[10]REDDY A,SANDEEP B,KUMAR J S,et al.Experimental determination of anisotropic properties and evaluation of FLD for sheet metal operations[J].Advances in Science and Technology,2021,106:39-45.

[11]郎利輝,王永銘,謝亞蘇,等.鋁合金異形件充液成形失穩(wěn)控制策略[J].塑性工程學(xué)報(bào),2011,18(5):33-37.

[12]白 穎,李東紅,王汝姣,等.變曲率大法蘭橢球類鈑金件橡皮精確成形技術(shù)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2017,36(S1):60-65.

[13]鮮小紅.基于Dynaform的印涂鋁蓋拉深壓邊力控制技術(shù)[J].鍛壓技術(shù),2016,41(10):152-157.

[14]喻祖建.板料多次拉深過程數(shù)值模擬分析[D].重慶:重慶大學(xué),2005:50-59.

[15]代洪慶,黃文怡,戶春影.基于FEA的汽車門外板成形模擬及工藝優(yōu)化[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2010,22(2):36-39.