輕合金鈑金件覆層板成形及研究現(xiàn)狀

高鐵軍，張佳彬，李曉光，楊 踴

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

近年來，隨著航空、航天、汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益突出。為解決能源短缺、環(huán)境污染等問題，零部件的輕量化已成為人們長期追求的目標(biāo)［1］。尤其對(duì)于航空領(lǐng)域，輕量化技術(shù)對(duì)飛行器性能的影響更大，飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量減輕1%，飛行性能就會(huì)提高（3～5）%，同時(shí)對(duì)燃油性能和載重的提高效果更明顯［2］。輕量化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，一方面可以選用密度小的輕合金（如鋁合金、鎂合金、鈦合金等），另一方面是通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)零部件的結(jié)構(gòu)減重。因此，形狀復(fù)雜的輕合金薄壁結(jié)構(gòu)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［3］。然而，對(duì)于大多數(shù)輕合金材料的延伸率較低，室溫變形能力較差，同時(shí)輕量化的要求導(dǎo)致零件形狀又比較復(fù)雜，這使得其在成形過程容易產(chǎn)生起皺、破裂等質(zhì)量缺陷。如何提高輕合金材料的塑性變形能力已成為現(xiàn)階段的主要究熱點(diǎn)之一。

目前，對(duì)于提高金屬板材塑性的方法，一方面可以通過改善晶格類型、化學(xué)成分和組織等材料自身固有性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)；另一方面則可以選擇合適的變形溫度、變形速度等外部條件來實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，也可以通過控制或改變板材受力狀態(tài)的方法來實(shí)現(xiàn)［4］。

2 覆層板成形原理

早在1959年文獻(xiàn)［5］針對(duì)強(qiáng)度較高的難變形金屬，提出了在板材（稱之為成形板）一側(cè)或兩側(cè)覆上相同或不同材料板材（稱之為覆板），利用覆板改變成形板受力狀態(tài)及變形規(guī)律的方法，提高成形板的成形性能和成形質(zhì)量，如圖1所示。之后，眾多學(xué)者對(duì)覆層板成形方法進(jìn)行關(guān)注，并在復(fù)雜形狀輕合金鈑金件的成形過程中取得到了較好的效果。

圖1 覆層板成形原理Fig.1 Principles of Overlapping Sheets Forming

與單層成形板成形相比較，覆層板成形過程一方面由于覆板的存在使成形板在法向方向受到一定的壓力，成形板由原來的二維受拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎯?nèi)雙向受拉、法向受壓的三維應(yīng)力狀態(tài)，消除了由于板材塑性變形而產(chǎn)生的部分損傷，抑制了材料減薄和破裂的產(chǎn)生［6］。另一方面，利用覆板的較好力學(xué)性能及對(duì)成形板的約束，改變了成形板的變形路徑和變形規(guī)律，迫使成形板的變形規(guī)律與覆板變形相似或相同，從而達(dá)到提高成形板成形性能的目的［7］，如圖2所示。

3 覆層板成形影響因素

覆板對(duì)成形板的作用機(jī)理比較復(fù)雜，影響因素也較多，目前主要圍繞覆板的厚度、力學(xué)性能及與成形板之間的界面摩擦等因素對(duì)覆層板成形力，成形板受力狀態(tài)、變形規(guī)律以及極限變形能力等方面的影響開展相關(guān)研究工作［8］。

3.1 覆板厚度對(duì)成形板成形性能的影響

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，覆層板成形一般選取與成形板材料相同或者成形性能好于成形板的材料作為覆板。成形過程通過控制覆板的厚度，改善成形板的受力狀態(tài)，避免成形過程起皺、破裂等缺陷的產(chǎn)生，從而達(dá)到提高成形板成形性能的目的。文獻(xiàn)［9］在08F/FVS0812/08F覆層板拉深中發(fā)現(xiàn)，成形板FVS0812的壓應(yīng)力數(shù)量不僅比單層板多而且數(shù)值也大，使得成形板在成形過程不容易破裂，并且采用“大厚度”覆板拉深件的壁厚減薄率遠(yuǎn)低于單層板拉深件。文獻(xiàn)［10］進(jìn)行的相同純鋁覆層板脹形實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，成形板極限脹形高隨著覆板厚度增加而增大。文獻(xiàn)［9］在鋁板與不銹鋼覆層板總厚度不變條件下，得到了不銹鋼板與鋁板厚度比為3/1時(shí)，試件壁厚減薄量最小且成形板拉深比最大。文獻(xiàn)［11］進(jìn)行的C1100/A1050覆層板盒型件拉深結(jié)果表明，隨著覆板A1050厚度的增加，C1100 成形極限不斷提高，如圖3 所示。文獻(xiàn)［12］對(duì)5A06/5A06覆層板充液拉深的研究結(jié)果也表明，適當(dāng)厚度的覆板能夠抑制成形板的起皺并改善壁厚分布的均勻性。文獻(xiàn)［13］通過改變Al/Cu覆層板厚度比時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厚度比到達(dá)一定值時(shí)，再增加覆板厚度對(duì)成形板成形極限的影響就較小，如圖4所示。因此在成形過程需要根據(jù)零件幾何形狀及材料性能，選取合適的覆板材料及厚度。同時(shí)，文獻(xiàn)［14］的研究結(jié)果表明，彎曲過程覆板還會(huì)使成形板中性層上移，使成形板更多區(qū)域處于受壓狀態(tài)，從而提高成形板的彎曲性能。

圖3 不同覆板厚度下拉深試件Fig.3 Deep-Drawn Specimens with Different Thickness of Overlapping Sheets

圖4 覆板與成形板厚度比對(duì)成形板成形極限圖的影響Fig.4 Influence of Thickness Ratio Between Overlapping and Forming Sheets on Forming Limit Diagram of Forming Sheet

3.2 覆板力學(xué)性能對(duì)成形板成形性能的影響

另外，覆板的強(qiáng)度、延伸率、加工硬化指數(shù)等力學(xué)性能也會(huì)影響成形板的變形規(guī)律和極限變形能力。關(guān)于覆板的力學(xué)性能對(duì)成形的影響，通常認(rèn)為覆板力學(xué)性能的變化會(huì)改變成形板所受法向應(yīng)力的大小及分布，影響成形板塑性流動(dòng)規(guī)律。文獻(xiàn)［15］基于材料的冪硬化模型，在研究覆板強(qiáng)度系數(shù)K值和硬化指數(shù)n值對(duì)成形板成形性能影響中發(fā)現(xiàn)，覆板n值不變時(shí)，提高覆板K值會(huì)使得成形板所受法向壓應(yīng)力增大，成形板雙向受拉狀態(tài)明顯削弱，極限變形能力增強(qiáng)，如圖5所示。相反，在覆板K值不變時(shí)，提高覆板n值將會(huì)顯著改善成形板的變形規(guī)律，使其變形流動(dòng)過程更加均勻，幾何形狀更接近球形。文獻(xiàn)［16］的研究結(jié)果也表明，覆板強(qiáng)度系數(shù)K和加工硬化指數(shù)n越大，成形板等效應(yīng)力越小，發(fā)生頸縮時(shí)的應(yīng)變?cè)酱?，越有利于成形板成形性能的提高?/p>

圖5 覆板K值對(duì)成形板法向壓應(yīng)力的影響Fig.5 The Influence of the K Value of the Overlapping Sheet on the Normal Compressive Stress of the Forming Sheet

3.3 界面摩擦對(duì)成形板成形性能的影響

除此之外，覆板與成形板之間的摩擦也是影響成形板成形性能的重要因素之一，覆板與成形板之間的界面摩擦?xí)苯佑绊懗尚伟宓乃苄粤鲃?dòng)、應(yīng)力狀態(tài)以及成形性能的提高。通常認(rèn)為摩擦帶來的切應(yīng)力方向與成形板相對(duì)覆板滑動(dòng)趨勢(shì)相反，當(dāng)兩板材之間存在較大摩擦?xí)r，這樣就會(huì)導(dǎo)致成形板所受拉應(yīng)力減小，從而有效減緩了成形板破裂的產(chǎn)生。文獻(xiàn)［17］在覆層板拉深過程，通過在Al/Cu覆層板之間添加不同潤滑劑的方法發(fā)現(xiàn)，隨著覆層板之間摩擦系數(shù)的增大，成形板的極限拉深比增大。文獻(xiàn)［15］進(jìn)行的Al10609/1Cr 18Ni9Ti覆層板進(jìn)脹形過程有限元分析結(jié)果表明，隨著覆層板之間界面摩擦系數(shù)的增大，試件脹形高度逐漸越大，并且相同高度條件下的壁厚分布的均勻性越好。文獻(xiàn)［18］進(jìn)行的不同界面摩擦條件下覆層板脹形結(jié)果也表明，通過增大成形板和覆板之間的界面摩擦系數(shù)，可以有效降低成形板的經(jīng)向拉應(yīng)力，從而有助于成形板成形性能的提高，在一定摩擦和潤滑條件下成形板的成形性能接近于覆板，如圖6所示。

圖6 5A02/SUS304不同摩擦和潤滑條件下的極限脹形高度Fig.6 Ultimate Bulging Height of 5A02/SUS304 Under Different Friction and Lubrication Conditions

4 覆層板成形的應(yīng)用

覆層板成形方法提出后，由于對(duì)提高成形板成形性能的效果比較明顯，操作過程也比較方便，因此在很多難變形輕合金鈑金件的成形過程中得到了應(yīng)用。如拉深成形過程中極易出現(xiàn)的起皺、破裂等問題，傳統(tǒng)方法是采用壓邊圈和壓邊力控制來防止，對(duì)于難變形輕合金也可以借助覆層板成形的方法來解決［8］。文獻(xiàn)［9］對(duì)成形質(zhì)量較差的鋁合金FVS0812半球形件，通過在成形板兩側(cè)覆上強(qiáng)度高、厚度大、塑性好的覆板的方法，得到了滿足設(shè)計(jì)要求的零件。文獻(xiàn)［19］采用覆層板成形方法，在合適的壓邊力加載曲線條件下，直接成形航空薄壁鋁合金半球形件，如圖7 所示。文獻(xiàn)［20］針對(duì)鋁合金拼焊板液壓成形大型薄壁復(fù)雜曲面件困難的問題，通過改變覆板的強(qiáng)度、厚度、界面摩擦系數(shù)等方法，有效提高了鋁合金拼焊板的成形性能。針對(duì)薄壁曲面零件充液拉深時(shí)容易出現(xiàn)的懸空區(qū)起皺及破裂問題，文獻(xiàn)［21］利用覆層板成形方法，解決了對(duì)厚徑比為3.03‰的薄壁曲面件進(jìn)行了液壓成形過程中的起皺和壁厚分布不均勻問題，實(shí)現(xiàn)了此類零件的高質(zhì)量成形，如圖8所示。文獻(xiàn)［22］針對(duì)鋁板彎曲回彈問題，通過在鋁板外側(cè)覆不銹鋼板的方法獲得了具有更小回彈的鋁板彎曲件。

圖7 航空薄壁鋁合金半球形件Fig.7 Aviation Thin-Walled Aluminum Alloy Hemispherical Parts

圖8 覆層板充液拉深無皺試件Fig.8 Wrinkle-Free Sheet Part Formed by Overlapping Sheets Hydroforming

另外，覆層板成形方法在多點(diǎn)成形、漸進(jìn)成形、管材彎曲等新工藝、新方法中也得到了較好的應(yīng)用。文獻(xiàn)［23］針對(duì)多點(diǎn)成形不連續(xù)和壓痕問題，基于覆層板成形原理，提出了在成形板與多點(diǎn)模具之間增加金屬護(hù)板的方法，實(shí)現(xiàn)了大型殼體結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、低成本制造，并在大型風(fēng)洞收縮段殼體和鋁球殼體的制造中得到了應(yīng)用。文獻(xiàn)［24-25］通過對(duì)成形板上下兩側(cè)加入彈性墊和離散鋼墊的方法，進(jìn)一步提高了多點(diǎn)成形的質(zhì)量，在避免材料浪費(fèi)的同時(shí)進(jìn)一步抑制了成形板邊緣的起皺和凹陷，如圖9所示。

文獻(xiàn)［26］在漸進(jìn)成形過程，利用覆層板的方法解決了錐形零件漸進(jìn)成形壁厚分布不均勻問題，實(shí)現(xiàn)了零件的高質(zhì)量成形。文獻(xiàn)［27］還將覆層板成形方法應(yīng)用于鋁合金薄壁管件的液壓彎曲過程，其研究結(jié)果表明覆管的加入使薄壁鋁成形管的穩(wěn)定性和彎曲成形性能得到了較大幅度提高，如圖10所示。

圖10 薄壁鋁管的覆層彎曲成形Fig.10 Overlapping Bending of Thin Wall Aluminum Tube

5 總結(jié)

與傳統(tǒng)的塑性成形工藝相比，覆層板成形借助覆板對(duì)成形板的影響提高了成形板的成形性能和成形質(zhì)量，從而為復(fù)雜形狀、難變形輕合金鈑金件的成形提供了可能。但在成形過程針對(duì)成形零件的材料及幾何形狀特點(diǎn)，選用哪種材料作為覆板以及覆板的厚度、力學(xué)性能等問題沒有統(tǒng)一的規(guī)范，還有待進(jìn)一步的深入研究。

同時(shí)，輕合金覆層板成形過程由于在成形板一側(cè)或兩側(cè)增加了覆板，在使成形板的成形性能得到提高的同時(shí)，由于覆板的增加，導(dǎo)致零件制造成本大幅度提高。因此，如何根據(jù)成形板性能，選擇經(jīng)濟(jì)性好、滿足工藝要求的覆板，對(duì)復(fù)雜形狀輕合金鈑金件的高質(zhì)量、低成本制造具有重要意義。