12Cr17Ni7不銹鋼“鼓形”隔片充液成形工藝研究

賴亮慶，張輝，陳高升，劉嘉，李小軍

12Cr17Ni7不銹鋼“鼓形”隔片充液成形工藝研究

賴亮慶1,2，張輝3，陳高升1,2，劉嘉1,2，李小軍4

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.中國航發(fā)減振降噪材料及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.陸軍裝備部航空軍事代表局駐北京地區(qū)航空軍事代表室，北京 100101；4.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

研究充液成形工藝參數(shù)對(duì)直升機(jī)旋翼球面徑向彈性軸承球面“鼓形”隔片零件成形質(zhì)量的影響規(guī)律。針對(duì)“鼓形”隔片零件形狀復(fù)雜、成形難度大、精度和生產(chǎn)效率要求高等問題，選用充液成形工藝，通過有限元仿真技術(shù)，分析初始液室壓力、凸模位移、成形壓力對(duì)零件起皺、破裂、厚度分布、成形精度等的影響規(guī)律。數(shù)值模擬得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為初始液室壓力3 MPa、凸模位移3 mm、成形壓力30 MPa，驗(yàn)證試驗(yàn)成形出的“鼓形”隔片零件未發(fā)生破裂、起皺等缺陷，且零件成形精度良好、厚度分布較為均勻。對(duì)于“鼓形”隔片零件充液成形，凸模位移過小易造成流料不充分，導(dǎo)致后續(xù)成形過程減薄嚴(yán)重、厚度分布不均勻，凸模位移過大易造成零件起皺。合理的初始液室壓力可在一定程度上減少起皺缺陷發(fā)生。成形壓力過小易造成成形精度差，過大則易導(dǎo)致破裂發(fā)生。

充液成形；12Cr17Ni7不銹鋼；“鼓形”隔片；有限元仿真；工藝參數(shù)優(yōu)化

旋翼是直升機(jī)唯一的升力面、推力面和操縱面，是直升機(jī)特有的關(guān)鍵動(dòng)部件，是直升機(jī)區(qū)別于固定翼飛機(jī)最顯著的特點(diǎn)，也是直升機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志之一[1-3]。經(jīng)過不斷變革發(fā)展，1970年代出現(xiàn)了以層狀彈性軸承為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)簡單的先進(jìn)球柔性旋翼系統(tǒng)。層狀彈性軸承是由金屬接頭、多層金屬隔片和橡膠按設(shè)計(jì)交替排列并通過高溫硫化黏接復(fù)合而成為整體的一類結(jié)構(gòu)件[4-7]。隨著層狀彈性軸承技術(shù)的不斷完善，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)已廣泛采用各種構(gòu)型的彈性軸承，典型的彈性軸承構(gòu)型有推力彈性軸承、徑向彈性軸承、球面彈性軸承、球面徑向彈性軸承、錐形彈性軸承[8]，其中金屬隔片是層狀彈性軸承的關(guān)鍵零件，其厚度一般為0.5～1.2 mm，屬薄壁結(jié)構(gòu)。

球面徑向彈性軸承采用球面“鼓形”隔片，“鼓形”隔片形狀復(fù)雜，精度和生產(chǎn)效率要求高，一般的成形技術(shù)很難滿足其生產(chǎn)要求。板材充液成形是針對(duì)沖壓件采用柔性的液壓介質(zhì)代替部分傳統(tǒng)剛性模具，通過高壓使板料貼模的先進(jìn)成形工藝，具有成形精度高、模具數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)[9]。Bay等[10]通過試驗(yàn)研究了典型充液拉深件在不同拉深比下的破裂情況，確立了零件在各拉深比下深度拉入時(shí)的臨界破壞曲線。Siegert等[11]研究了壓邊力對(duì)充液拉深成形的影響，提出了采用多點(diǎn)彈性壓邊圈來實(shí)現(xiàn)非均勻壓邊的方法。張士宏等[12-13]通過對(duì)板材零件液壓成形機(jī)理進(jìn)行研究，理論分析了充液成形的工藝過程，提出了提高成形極限的措施，并對(duì)這些措施進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果基本與理論分析結(jié)果相符。

精密鈑金技術(shù)的工藝參數(shù)復(fù)雜繁多、自動(dòng)化程度高，很難以理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)工序及優(yōu)化工藝參數(shù)。近年來，數(shù)值模擬技術(shù)和方法在板料塑性成形工藝方面得到了廣泛的應(yīng)用。有限元模擬技術(shù)能夠?qū)Τ湟撼尚芜^程中出現(xiàn)的開裂、變薄、起皺及回彈等現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)評(píng)估，從而優(yōu)化成形工藝參數(shù)，提高零件成形質(zhì)量。與以往經(jīng)驗(yàn)性工藝設(shè)計(jì)相比，大大減少了設(shè)計(jì)周期和制造成本。曾一畔等[14]研究了充液拉深工藝參數(shù)對(duì)飛機(jī)復(fù)雜曲面蒙皮零件成形質(zhì)量的影響規(guī)律，利用有限元方法分析了零件起皺和破裂等缺陷，通過優(yōu)化工藝參數(shù)和拉延筋參數(shù)獲得了合格的構(gòu)件。唐景林等[15-16]研究了錐形件的充液拉深成形過程，通過有限元仿真方法深入研究了凸模圓角破裂和側(cè)壁破裂的產(chǎn)生原因。Naceur等[17]用逆向有限元法結(jié)合梯度優(yōu)化算法，對(duì)盒形件的坯料形狀進(jìn)行了優(yōu)化。張志遠(yuǎn)等[18]分析了筒形件拉深破裂失穩(wěn)的各影響因素。

文中選用充液成形技術(shù)加工制造“鼓形”隔片，通過有限元仿真技術(shù)，分析了初始液室壓力、凸模位移、成形壓力對(duì)“鼓形”隔片零件起皺、破裂、厚度分布、成形精度等的影響規(guī)律，從而獲得了優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合，并通過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元模型及優(yōu)化工藝參數(shù)的有效性。

1 有限元模型建立

1.1 材料成形性能試驗(yàn)

試驗(yàn)所用材料為0.8 mm厚的12Cr17Ni7不銹鋼板材（即301不銹鋼），其硬度為1/4H。根據(jù)GB/T 228.1—2010，采用線切割機(jī)沿板料軋制方向制取單向拉伸試樣，試樣形狀及尺寸如圖1所示。

圖1 單向拉伸試樣形狀及尺寸（mm）

在電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)最大載荷為100 kN，載荷控制精度為±0.5%，位移控制精度為±0.5%，速度范圍為0.001～ 500 mm/min。試驗(yàn)所用引伸計(jì)標(biāo)距長度為50 mm，量程為5 mm，試驗(yàn)拉伸速度為0.06 mm/s，當(dāng)變形量達(dá)到4.8 mm時(shí)摘除引伸計(jì)，之后將試樣拉伸至斷裂。通過單向拉伸試驗(yàn)獲得的材料基本力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料基本力學(xué)性能

Tab.1 Basic mechanical properties of materials

1.2 有限元仿真模型

筒形坯料和充液模具的幾何模型如圖2所示。在有限元仿真軟件中，坯料設(shè)置為可變形體，模具設(shè)置為剛體。

有限元仿真模型如圖3所示。由于模型具有對(duì)稱性，故只建立1/4模型，在對(duì)稱面處設(shè)置對(duì)稱約束。坯料與模具之間的接觸采用罰函數(shù)算法，設(shè)置摩擦因數(shù)為0.1。

圖2 筒形坯料及充液模具

圖3 “鼓形”隔片零件充液成形有限元仿真模型

充液成形工藝過程如圖4所示，在坯料內(nèi)表面施加一定的初始液壓脹形壓力，同時(shí)對(duì)凸模施加一定的位移，使坯料立邊向凹模流料，由于送料過程會(huì)造成液壓的正向波動(dòng)，因此在送料過程中設(shè)置1 MPa的增壓；送料結(jié)束后，脹形壓力增大，完成最終脹形貼模。

圖4 充液成形工藝過程

1.3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

在充液成形過程中，對(duì)零件成形質(zhì)量影響最大的因素為成形壓力。由于該零件在成形過程中的變形量較大，且對(duì)精度及壁厚均勻性均有較高要求，因此，在充液成形初始階段，需要對(duì)凸模施加一定的位移，使坯料向凹模內(nèi)側(cè)流動(dòng)，同時(shí)施加一定的初始液室壓力，從而保持坯料不在變形初期發(fā)生起皺等缺陷。所以，分別將初始液室壓力、凸模位移、成形壓力作為工藝參數(shù)變量，研究它們對(duì)零件成形質(zhì)量的影響規(guī)律，各參數(shù)的取值如表2所示。

表2 工藝參數(shù)

Tab.2 Process parameters

2 工藝參數(shù)影響規(guī)律分析

2.1 凸模位移

研究不同凸模位移對(duì)隔片零件成形質(zhì)量的影響規(guī)律。初始液室壓力3 MPa、成形壓力30 MPa、凸模位移2 mm時(shí)的仿真結(jié)果如圖5所示。沿零件邊線輪廓提取厚度分布情況，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯慵胁繀^(qū)域減薄最為嚴(yán)重，最小厚度為0.725 mm，減薄率為9.4%，這是因?yàn)轭A(yù)脹形階段凸模位移較小，造成流料不充分，在后續(xù)成形過程中變形主要集中于零件中部，導(dǎo)致該區(qū)域減薄嚴(yán)重，厚度分布不均勻。

將凸模位移增大到4 mm，仿真結(jié)果如圖7所示，其破裂、起皺分布情況如圖8所示?？梢钥闯?，在預(yù)脹形階段，零件側(cè)壁發(fā)生明顯起皺現(xiàn)象。這是由于凸模位移過大，導(dǎo)致坯料向壓縮變形嚴(yán)重，且由于初始液室壓力無法對(duì)預(yù)成形階段零件進(jìn)行充分脹形，因此，零件側(cè)壁發(fā)生明顯起皺。

圖5 初始液室壓力3 MPa、凸模位移2 mm、成形壓力30 MPa的仿真結(jié)果

圖6 厚度分布

圖7 初始液室壓力3 MPa、凸模位移4 mm、成形壓力30 MPa的仿真結(jié)果

圖8 零件破裂、起皺分布

2.2 初始液室壓力

在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，增大初始液室壓力至4 MPa，仿真結(jié)果如圖9所示，其零件破裂、起皺趨勢分布如圖10所示?？梢钥闯?，增大初始液室壓力后，零件在預(yù)脹形階段的起皺趨勢明顯減弱。這是由于雖然凸模位移不變，但隨著初始液室壓力的增大，零件可以發(fā)生充分的預(yù)脹形，有效抑制了起皺趨勢的發(fā)生。

凸模位移和初始液室壓力的確定需進(jìn)行綜合考慮，在保證零件減薄率滿足要求的前提下，盡量選擇較小凸模位移，并配以與之相匹配的初始液室壓力，從而避免起皺發(fā)生。經(jīng)仿真分析，該隔片零件的凸模位移設(shè)置為3 mm，初始液室壓力設(shè)置為3 MPa。

圖9 初始液室壓力4 MPa、凸模位移4 mm、成形壓力30 MPa的仿真結(jié)果

圖10 零件破裂、起皺分布

2.3 成形壓力

當(dāng)凸模位移為3 mm、初始液室壓力為3 MPa時(shí)，分別采用不同成形壓力進(jìn)行仿真，研究成形壓力對(duì)零件成形精度的影響規(guī)律。當(dāng)成形壓力為20、30、40 MPa時(shí)，仿真結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，當(dāng)成形壓力為20 MPa時(shí)，零件成形精度明顯較差，這是由于脹形壓力不足，導(dǎo)致零件變形不充分，不能與凹模很好貼合；當(dāng)成形壓力為30 MPa時(shí)，零件成形精度良好；當(dāng)成形壓力繼續(xù)增大至40 MPa時(shí)，對(duì)成形精度的影響已不再明顯，而零件減薄率增大至8.5%，增加了零件破裂風(fēng)險(xiǎn)，因此，成形壓力選擇30 MPa最為合理。

圖11 不同成形壓力對(duì)零件成形質(zhì)量的影響

3 工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 模具設(shè)計(jì)與成形工藝設(shè)置

根據(jù)“鼓形”隔片零件的成形工藝分析及有限元模擬結(jié)果，可知“鼓形”隔片零件的充液成形是可行的，隔片零件的充液成形模具裝配圖如圖12所示。

圖12 零件充液成形模具裝配圖（mm）

在充液成形模具的設(shè)計(jì)中，為了保證成形零件的球面形狀，需要將脹形凹模與壓邊圈設(shè)計(jì)為緊配合，否則在成形過程中容易因偏離中心致使成形件的尺寸超差。為了保證成形零件的高度滿足公差要求，將凹模設(shè)計(jì)成為分瓣無底凹模，文中在凹模中增加了一個(gè)凹模限位裝置，凹模限位與凹模之間采用螺紋配合，凹模限位裝置可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋來調(diào)節(jié)高度，充液由高壓源提供。

充液成形過程如下：上下分瓣用凹模定位，放入帶底圓筒毛坯（精加工高度60 mm）中，蓋上上模座（帶密封裝置）進(jìn)行壓邊合模；初始液室壓力升至3 MPa，同時(shí)凸模下壓至3 mm，使坯料立邊向凹模流料，由于送料過程會(huì)造成液壓的正向波動(dòng)，因此在送料過程中設(shè)置1 MPa的增壓，之后壓缸壓力升至30 MPa進(jìn)行成形；最后泄壓，壓邊退回，拆模具取出成形件。

3.2 成形工藝和缺陷分析

根據(jù)仿真得到的優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，成形出的零件如圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)所得零件未發(fā)生破裂、起皺等缺陷。對(duì)零件成形精度和厚度進(jìn)行測量，結(jié)果如圖14所示，可以發(fā)現(xiàn)最大貼模間隙為0.09 mm，最大減薄量為0.046 mm。零件成形精度良好，厚度分布較為均勻。

圖13 優(yōu)化工藝參數(shù)成形出的零件

圖14 零件成形精度及厚度測量結(jié)果

成形過程中出現(xiàn)的缺陷形式主要為成形精度差和破裂，如圖15所示。成形精度差主要是因?yàn)槌尚芜^程中的液室壓力過小，零件毛坯承受切向壓應(yīng)力，在成形后期材料增厚較大，流入凹模的阻力增大，使材料徑向拉應(yīng)力增大，脹形不充分，成形精度不足。成形精度測量結(jié)果如圖16所示，可以發(fā)現(xiàn)，最大貼模間隙為2.3 mm。而破裂主要發(fā)生在零件中部，如圖15b所示，主要是因?yàn)橐菏覊毫^大，送料不及時(shí)，板料與凹模之間的摩擦力大，使坯料發(fā)生過度減薄進(jìn)而破裂。

圖15 “鼓形”隔片成形工藝缺陷

圖16 零件成形精度測量結(jié)果

4 結(jié)論

通過有限元方法對(duì)球面徑向彈性軸承“鼓形”隔片零件充液成形的過程工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并進(jìn)行了工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，主要結(jié)論如下。

1）凸模位移過小易造成流料不充分進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)成形過程減薄嚴(yán)重，厚度分布不均勻；凸模位移過大易造成零件起皺。

2）合理的初始液室壓力可在一定程度上減少起皺缺陷發(fā)生。

3）成形壓力過小易造成成形精度差，過大則易導(dǎo)致破裂發(fā)生。

4）通過試驗(yàn)和有限元相結(jié)合的方法確定了“鼓形”隔片充液成形的最佳工藝參數(shù)，即初始液室壓力為3 MPa、凸模位移為3 mm、成形壓力為30 MPa。

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Hydroforming Process of 12Cr17Ni7 Stainless Steel “Drum Type” Spacer

LAI Liang-qing1,2, ZHANG Hui3, CHEN Gao-sheng1,2, LIU Jia1,2, LI Xiao-jun4

(1. Beijing Institute of Aeronautical Materials, AECC, Beijing 100095, China; 2. Key Lab of Materials and Application Research for Vibration & Noise Reduction, AECC, Beijing 100095, China; 3. Army Aviation Representative Office in Beijing, Affiliated with the Equipment Department of People’s Liberation Army Ground Force, Beijing 100101, China; 4. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

The works aims to study the effects of hydroforming process parameters on the forming quality of spherical “drum type” spacer parts for spherical radial elastic bearing of helicopter rotor. To solve the complex shape, difficult forming, high precision and production efficiency requirements of “drum type” spacer parts, the effects of initial liquid chamber pressure, punch displacement and forming pressure on wrinkling, fracture, thickness distribution and forming accuracy were analyzed by finite element simulation. The optimized process parameters obtained by numerical simulation were initial liquid chamber pressure 3 MPa, punch displacement 3 mm and forming pressure 30 MPa. The “drum type” spacer parts formed in the verification test had no wrinkling, fracture and other defects. The forming accuracy was good, and the thickness distribution was uniform. In hydroforming of “drum type” spacer parts, too small initial liquid chamber pressure is easy to cause insufficient flow, resulting in serious thinning and uneven thickness distribution in the subsequent forming process; excessive punch displacement is likely to cause wrinkling of parts. Reasonable initial liquid chamber pressure can reduce wrinkling defects to a certain extent. Too small forming pressure is likely to cause poor forming accuracy, and too large forming pressure is likely to cause fracture.

hydroforming; 12Cr17Ni7 stainless steel; “drum type” spacer; finite element simulation; process parameter optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.008

TG386.3

A

1674-6457(2022)08-0055-07

2021–10–09

民用飛機(jī)專項(xiàng)科研（MJ–2018–F–15）

賴亮慶（1980—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄鹉z彈性元件。

責(zé)任編輯：蔣紅晨