薄壁回轉(zhuǎn)體零件粘性介質(zhì)外壓成形及失穩(wěn)起皺過程研究*

高鐵軍，任成林，劉凌云，王忠金

（1.沈陽航空航天大學，沈陽 110136；2.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001）

為滿足飛行器高性能、長壽命、低成本需求，飛行器零部件結(jié)構整體化及材料輕量化要求越來越高。鈑金零件作為飛行器制造領域中的典型結(jié)構件，如何實現(xiàn)復雜形狀鈑金件的高質(zhì)量、低成本制造，對飛行器質(zhì)量和壽命的提高具有重要意義[1–3]。鈑金零件按形狀可劃分為板類零件和回轉(zhuǎn)體零件兩大類。板類零件除可以采用傳統(tǒng)的沖壓成形外，橡皮囊成形、拉形、超塑成形及沖擊成形等方法也得到了廣泛應用[4–6]；回轉(zhuǎn)體類零件主要采用在筒坯內(nèi)部 （或內(nèi)部與端部）加載介質(zhì)的內(nèi)壓成形方法，如管材內(nèi)高壓成形、聚氨酯成形、低熔點合金成形等[7–9]。如果零件形狀過于復雜，還可以采用“分體成形組合焊接”工藝；與內(nèi)壓成形相對應的，在筒坯外部加載介質(zhì)的外壓成形方法，由于受到筒坯外壓穩(wěn)定性影響容易產(chǎn)生“失穩(wěn)起皺”現(xiàn)象，成形過程不宜控制、成形質(zhì)量不宜保證，制約了外壓成形方法的應用[10–13]。

尋求一種具有較好變形方式，既可以延緩失穩(wěn)過程的產(chǎn)生，又在筒坯失穩(wěn)后的起皺過程中能夠合理控制褶皺形態(tài)變化，使之在成形結(jié)束前消除褶皺，滿足成形零件尺寸精度要求，這對拓寬外壓成形應用范圍具有重要意義。粘性介質(zhì)外壓成形方法是在板類零件粘性介質(zhì)壓力成形以及薄壁回轉(zhuǎn)體零件粘性介質(zhì)內(nèi)壓成形基礎上，針對薄壁回轉(zhuǎn)體零件外壓成形過程中的失穩(wěn)起皺所提出的，旨在利用粘性介質(zhì)的物態(tài)特點及力學性能，延緩薄壁回轉(zhuǎn)體零件失穩(wěn)，消除零件失穩(wěn)后的褶皺，從而直接成形出變形量較大零件[14–15]。這種方法的提出不僅可以彌補回轉(zhuǎn)體零件內(nèi)壓成形的不足 （如壁厚減薄、破裂等），同時與內(nèi)壓成形相結(jié)合，還可以為大變徑比、復雜回轉(zhuǎn)體零件的高質(zhì)量成形提供新方法。本文在現(xiàn)有文獻研究基礎上，介紹了粘性介質(zhì)外壓成形的基本原理、成形過程中的失穩(wěn)起皺過程，以及在部分典型零件方面的應用情況，希望對復雜形狀薄壁回轉(zhuǎn)體零件的高質(zhì)量成形方法的選擇及技術的應用有所幫助。

1 粘性介質(zhì)外壓成形原理

薄壁回轉(zhuǎn)體零件外壓成形一般是選取零件最大外徑作為成形筒坯，成形過程在筒坯外側(cè)加載介質(zhì)使其直徑減小并貼合模具，獲得所需形狀和尺寸精度零件的一種方法。粘性介質(zhì)外壓成形過程，考慮到介質(zhì)物態(tài)特點和過程操作方便，多采用通過一定數(shù)量的通道（稱之為注入加載通道）注入加載到筒坯外側(cè)，使筒坯在粘性介質(zhì)外壓作用下成形，如圖1所示。與目前常用外壓方法相比較，如液壓成形、電磁成形、固體顆粒成形等[16–21]，粘性介質(zhì)的半固態(tài)和可流動性使得加載通道與筒坯接觸處的粘性介質(zhì)密封較為容易實現(xiàn)，便于成形過程中較高壓力的加載與控制；同時，可根據(jù)零件形狀特點調(diào)整加載通道的數(shù)量與位置，為復雜形狀回轉(zhuǎn)體零件的成形提供更為合適的加載方式。然而，相比較薄壁回轉(zhuǎn)體零件內(nèi)壓成形，粘性介質(zhì)外壓成形過程比較復雜、影響因素較多，粘性介質(zhì)性能及注入加載方式、筒坯材料與結(jié)構形式等因素都會直接影響筒坯的穩(wěn)定性以及褶皺消除過程，進而影響零件成形質(zhì)量和可變形程度。

圖1 粘性介質(zhì)外壓成形過程示意圖Fig.1 Process schematic diagram of viscous outer pressure forming

2 失穩(wěn)起皺過程研究

2.1 失穩(wěn)過程及影響因素

失穩(wěn)是指結(jié)構所受載荷達到某一值時，若增加一微小增量，則結(jié)構的平衡位形發(fā)生很大變化，這種情況將會發(fā)生結(jié)構的失穩(wěn)或撓曲，所以失穩(wěn)是影響外壓成形主要因素之一，也是提高外壓成形極限的基礎[22]。如果采用粘性介質(zhì)作為傳力介質(zhì)能夠提高筒坯穩(wěn)定性，延緩失穩(wěn)過程的產(chǎn)生，那么對外壓成形的成形性能與成形質(zhì)量的提高具有重要意義。粘性介質(zhì)外壓成形過程，筒坯穩(wěn)定性除了與材料性能、筒坯幾何形狀和約束等有關，還與粘性介質(zhì)性能有關[23–25]。與其他成形方法相比，粘性介質(zhì)是一種半固態(tài)、較高黏度和速率敏感性的高分子聚合物，應力–應變的變化規(guī)律會隨著介質(zhì)分子量及性能的變化而改變。通常情況下，隨著介質(zhì)分子量的增大，粘性介質(zhì)的黏度不斷提高、應變速率敏感性不斷增強 （圖2），外壓成形過程對應的筒坯抗失穩(wěn)能力越強 （圖3）。因此，粘性介質(zhì)外壓成形過程，選擇較高分子量的粘性介質(zhì)，可以提高外壓成形筒坯穩(wěn)定性，延緩失穩(wěn)過程的產(chǎn)生。

圖2 不同介質(zhì)分子量下的剪應變率與剪應力關系Fig.2 Relationship between shear strain rate and shear stress under different medium molecular weight

圖3 不同介質(zhì)分子量下的SUS304筒坯失穩(wěn)壓力Fig.3 Instability pressure of SUS304 tube under different medium molecular weight

由于粘性介質(zhì)在外壓成形多采用一定通道數(shù)量 （nv）和直徑 （Dv）的通道注入加載到筒坯外側(cè) （圖1），其注入加載方式也會影響筒坯的穩(wěn)定性，因此需要對加載方式進行優(yōu)化設計[26]。理想的注入加載方式是在筒坯失穩(wěn)前產(chǎn)生比較均勻的壓力場，在失穩(wěn)后形成有利于褶皺消除的非均勻壓力場。針對某成形零件，通過有限元仿真分析得到了筒坯失穩(wěn)壓應力與注入加載通道數(shù)量和直徑關系 （圖4），以及優(yōu)化后筒坯失穩(wěn)前的粘性介質(zhì)壓力場分布情況 （圖5）。從圖4和5中可以看出，在一定數(shù)量和直徑的注入加載通道條件下，可以實現(xiàn)失穩(wěn)前作用于外壓筒坯的均勻粘性介質(zhì)壓力場。因此，在進行粘性介質(zhì)外壓成形模具結(jié)構設計時，不僅需要考慮模具結(jié)構和強度，還需要根據(jù)成形零件尺寸優(yōu)化粘性介質(zhì)注入加載通道直徑及其數(shù)量，以滿足筒坯失穩(wěn)前粘性介質(zhì)壓力場的均勻分布，提高筒坯穩(wěn)定性。

圖4 加載方式與筒坯失穩(wěn)壓應力關系Fig.4 Relationship between loading mode and instability compression stress of tube blank

圖5 注入通道優(yōu)化后的筒坯失穩(wěn)前粘性介質(zhì)壓力場分布Fig.5 Pressure field distribution of viscous medium before instability of tube after optimized injection channel

除此之外，一部分零件可以采用薄壁無縫管作為成形筒坯，還有一部分零件由于受到無縫管尺寸規(guī)格的限制多采用焊接筒坯。對于焊接筒坯，由于焊縫與母材之間的強度關系以及焊縫寬度也會影響筒坯穩(wěn)定性，因此需要確定焊縫質(zhì)量對焊接筒坯穩(wěn)定性的影響[27]。圖6為通過有限元仿真和試驗得到的不同焊縫強度和寬度的焊接筒坯失穩(wěn)壓應力，可以看出焊接筒坯穩(wěn)定性會隨著焊接強度的增大而增大，隨著焊縫寬度的增大而減小，相比較焊縫寬度是影響焊接穩(wěn)定性的主要因素。由于薄壁回轉(zhuǎn)體零件外壓成形是以壓縮變形為主的成形方法，即使焊接筒坯強度相對較低，成形過程在壓應力作用下影響效果也會減弱；而焊縫寬度尤其是與母材強度相差較大時，焊縫作為一種質(zhì)量缺陷，寬度越大缺陷效果越明顯，對筒坯穩(wěn)定性的影響也就越明顯。

圖6 不同焊接方法的失穩(wěn)壓應力與試驗結(jié)果的對比Fig.6 Comparison of instability compression stress of different welding methods and test results

2.2 起皺過程及影響因素

起皺是回轉(zhuǎn)體零件外壓成形失穩(wěn)后出現(xiàn)撓曲大變形的宏觀表現(xiàn)。外壓成形過程中由于有環(huán)向壓應力的存在，變形過程更容易起皺。如果進一步提高筒坯外壓變形能力，就需要克服起皺對成形過程的影響，因此褶皺消除程度是提高外壓成形極限的關鍵[28]。粘性介質(zhì)外壓成形過程中，粘性介質(zhì)不僅可以隨著褶皺形貌的變化提供成形所需壓力，還能夠產(chǎn)生自適應于筒坯形貌的非均勻壓力場，在褶皺波峰處產(chǎn)生較大壓力，而在褶皺波谷處產(chǎn)生較小壓力 （圖7），這種非均勻的粘性介質(zhì)壓力場不僅可以抑制褶皺的長大，在較高壓力條件下還有助于褶皺的消除?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，粘性介質(zhì)速率敏感性越強在筒坯起皺過程中產(chǎn)生的有助于褶皺消除的非均勻壓力場的壓力梯度越大，也就是說選擇分子量較高的粘性介質(zhì)不僅可以提高筒坯的穩(wěn)定性，還有助于抑制褶皺的長大，提高褶皺可消除程度[29]。

圖7 起皺筒坯壓應力及對應的粘性介質(zhì)壓力場分布Fig.7 Compression stress of wrinkling tube and corresponding pressure field distribution of viscous medium

同時，筒坯起皺過程中，一定條件下產(chǎn)生的褶皺是可以消除的，但如果超過該條件所產(chǎn)生的褶皺卻是無法消除的，這涉及褶皺的可消除程度和對應筒坯的極限變形量。然而，褶皺可消除程度除了與筒坯材料和粘性介質(zhì)性能有關外，還與筒坯直徑、變形區(qū)長度等尺寸因素有關[30]。在一定筒坯直徑條件下，粘性介質(zhì)外壓成形過程中的失穩(wěn)變形量和褶皺消除后的極限變形量隨著變形區(qū)長度的增加而減?。辉谝欢ǖ淖冃螀^(qū)長度條件下，筒坯失穩(wěn)變形量隨筒坯直徑增加而減小，極限變形量隨筒坯直徑增加而增大 （圖8）。從圖8中還可以看出，與傳統(tǒng)外壓成形相比較，粘性介質(zhì)外壓成形區(qū)域由失穩(wěn)區(qū)域拓寬到褶皺可消除區(qū)域，這也是粘性介質(zhì)能夠大幅度提高外壓成形極限的關鍵。同時，也反映出粘性介質(zhì)外壓成形過程極限褶皺可消除程度與成形零件的幾何特征也有很大關系，幾何特征不同的褶皺可消除程度不同，需要根據(jù)零件幾何特征進行有效預測。

圖8 不同變形區(qū)長度與筒坯直徑下的粘性介質(zhì)外壓成形工藝窗口Fig.8 Process window of viscous outer pressure forming under different length of deformation zone and diameter of tube

3 應用研究

粘性介質(zhì)外壓成形改變了失穩(wěn)起皺后筒坯變形規(guī)律，提高了外壓成形筒坯變形能力，從而為復雜形狀回轉(zhuǎn)體零件外壓成形提供了可能，并在航空航天的管路零件及中小型發(fā)動機火焰筒、封嚴環(huán)等零件高質(zhì)量成形過程得到了較好的應用[15，25，31]。圖9和10為采用粘性介質(zhì)外壓成形出的典型薄壁回轉(zhuǎn)體零件。其中圖9零件的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，零件最大直徑Ф133mm、最小直徑Ф113mm、壁厚1.0mm、最大變形量15%。外壓成形過程，在粘性介質(zhì)壓力為20MPa時，坯料出現(xiàn)失穩(wěn)起皺現(xiàn)象 （圖9（a）），繼續(xù)增大粘性介質(zhì)壓力到90MPa時失穩(wěn)過程產(chǎn)生的褶皺基本被消除 （圖9（b））[15]。

圖9 1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄壁回轉(zhuǎn)體零件[15]Fig.9 1Cr18Ni9Ti stainless steel thin-walled tube parts[15]

圖10零件的材料為GH3044高溫合金，最大直徑Ф153mm、最小直徑Ф113mm、壁厚1.0mm，最大變形量35%。成形過程，無論選擇零件最小直徑作為筒坯進行內(nèi)壓成形，或者選擇零件最大直徑作為筒坯進行外壓成形，筒坯的變形量都會很大，很難滿足成形零件壁厚要求?；谡承越橘|(zhì)外壓成形特點和極限變形能力，借助成形零件尺寸特征，提出了內(nèi)、外壓復合成形方法，成形過程選擇介于零件最大與最小直徑之間的尺寸作為成形筒坯，對于大于筒坯原始直徑部分采用粘性介質(zhì)內(nèi)壓成形方法進行成形 （零件端部區(qū)域），對于小于筒坯原始直徑部分采用粘性介質(zhì)外壓成形方法成形 （零件中間區(qū)域），從而使零件較大變形量分解為內(nèi)壓和外壓成形兩部分，并且各部分的變形量相對較小，成形零件的壁厚分布也比較均勻[31]。同時，這種方法的提出也為復雜形狀回轉(zhuǎn)體零件的高質(zhì)量成形提供了新途徑。

圖10 GH3044高溫合金薄壁回轉(zhuǎn)體零件Fig.10 GH3044 superalloy thin-walled tube parts

4 結(jié)論

粘性介質(zhì)外壓成形作為一種新的成形方法，一定條件下解決了失穩(wěn)起皺對外壓成形的影響，較大幅度提高了外壓成形極限，從而使復雜結(jié)構形狀薄壁回轉(zhuǎn)體零件采用外壓成形成為可能。同時，如果與粘性介質(zhì)內(nèi)壓成形相結(jié)合，還可以為難變形、大變徑、復雜形狀薄壁回轉(zhuǎn)體零件的高質(zhì)量成形提供新途徑。然而，對于不同的薄壁回轉(zhuǎn)體零件，成形過程中筒坯穩(wěn)定性與褶皺消除、零件材料和幾何形狀，以及與粘性介質(zhì)性能之間匹配關系，還有模具結(jié)構優(yōu)化等方面的內(nèi)容，還要待進一步深入研究。