長(zhǎng)環(huán)形薄壁唇口整體充液成形方法研究

魯帆， 李奎

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 陜西 西安 710089）

0 引 言

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)唇口是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流通道，具有恢復(fù)進(jìn)氣壓力、增加發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率等作用，因此對(duì)唇口的外形精度、尺寸精度、裝配精度要求較高。目前國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)唇口多采用分瓣成形，成形完成后進(jìn)行鉚接裝配對(duì)接。由于分瓣成形時(shí)唇口應(yīng)力不均勻，零件截面呈U字形，成形后零件存在回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致零件貼模度較差，外形精度不高。分瓣成形時(shí)在唇口內(nèi)側(cè)易起皺，影響唇口的表面質(zhì)量，需要進(jìn)行手工修復(fù)；在分瓣裝配過(guò)程中，由于尺寸公差的累積，在裝配最終位置處易產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過(guò)程中的震動(dòng)使裝配應(yīng)力集中處產(chǎn)生松動(dòng)，甚至產(chǎn)生脫落現(xiàn)象。

近年來(lái)，由于一些使用新材料和曲率、界面多變、結(jié)構(gòu)流線(xiàn)的復(fù)雜拉深件不斷增加，充液成形技術(shù)在汽車(chē)、航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。液體的潤(rùn)滑效果使模具零件與板料表面的剛性接觸變?yōu)槿嵝越佑|，減少了傳統(tǒng)拉深貼模效果差的缺點(diǎn)，提升了板料成形的極限。同時(shí)，有限元模擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)制造業(yè)中依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)確定工藝參數(shù)的問(wèn)題，通過(guò)建立有限元模型對(duì)板料成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的開(kāi)裂、起皺等缺陷并加以避免，縮短了零件的加工周期，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本[5-8]。

現(xiàn)針對(duì)此類(lèi)零件充液拉深中常見(jiàn)的失穩(wěn)形式，通過(guò)設(shè)計(jì)零件的工藝補(bǔ)充面，以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，對(duì)長(zhǎng)環(huán)形薄壁唇口的成形過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，并試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

1 零件概述

深U形窄長(zhǎng)狀唇口零件如圖1所示，零件長(zhǎng)度約794 mm，最大寬度約378 mm，長(zhǎng)寬比近似2∶1，唇口內(nèi)側(cè)高度約136 mm，外側(cè)最大高度約97 mm，所用材料為2024-O鋁合金板材，坯料厚度為2 mm。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

2 方案分析

環(huán)形唇口件有大拉深比的復(fù)雜型面薄壁結(jié)構(gòu)，成形時(shí)唇口應(yīng)力狀態(tài)不均，可能產(chǎn)生以下缺陷：唇口為非旋轉(zhuǎn)體曲面形狀零件，且內(nèi)、外側(cè)翻邊高度不等高，成形過(guò)程中環(huán)形蒙皮內(nèi)外側(cè)進(jìn)料阻力不一致，拉深時(shí)容易因受力不均而開(kāi)裂，或局部材料流動(dòng)堆積造成褶皺；由于零件大拉深比易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致材料減薄量大、零件局部開(kāi)裂。

2.1 拉深成形

唇口拉深成形后的材料厚度云圖如圖2所示，法蘭區(qū)長(zhǎng)度中部區(qū)域材料厚度變化較大，而板料進(jìn)入盆形凹腔，在圓角處產(chǎn)生最大減薄，因而零件無(wú)法采用拉深成形。

圖2 拉深成形零件材料厚度變化

2.2 多道次充液成形

針對(duì)深U形長(zhǎng)環(huán)形薄壁唇口塑性低、拉深比大等特點(diǎn)，提出多道次充液拉深成形方法。由于零件為長(zhǎng)環(huán)形且底面不封閉，將零件兩端頭的工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)成盆形結(jié)構(gòu)，首先成形整體零件的外圈圓筒狀部分，零件整體結(jié)構(gòu)封閉，可有效減小熱處理后產(chǎn)生的回彈變形，之后充液翻邊成形零件的內(nèi)圈部分，通過(guò)成形工序件內(nèi)、外表面的相互轉(zhuǎn)換，抵消了工序件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

液體介質(zhì)在一定的液壓下使板料法蘭區(qū)脫離凹模，形成潤(rùn)滑油膜，降低毛坯在法蘭區(qū)的摩擦阻力，減少?gòu)较蚶瓚?yīng)力，促進(jìn)材料流動(dòng)；液體壓力使毛坯緊貼凸模，增大有益摩擦，減輕了圓角局部區(qū)域減薄趨勢(shì)；通過(guò)潤(rùn)滑減輕凸模圓角附近的徑向拉應(yīng)力，抑制材料減薄。

第一步充液成形的主要目的是成形唇口外側(cè)部分，建立有限元分析模型如圖3所示，模型由凸模、壓邊圈、板料、凹模組成。

圖3 第一步充液成形有限元分析模型

在第一步成形的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二步充液成形分析，建立有限元分析模型如圖4所示。將第一步充液成形的零件放在第二步成形的凹模上，其中凸模的尺寸與唇口內(nèi)側(cè)部分相同。

圖4 第二步充液成形

3 最大液壓室壓力對(duì)于成形的影響

最大液壓室壓力是充液成形工藝過(guò)程的關(guān)鍵因素，研究液壓室壓力對(duì)零件成形的影響。當(dāng)液壓室壓力過(guò)小時(shí)，隨著凸模下行，零件的凸模圓角區(qū)為主要減薄區(qū)；隨著液壓室壓力的進(jìn)一步增加，初始反脹壓力增大，零件的最大減薄率隨著初始反脹壓力的增加而減小，零件減薄區(qū)轉(zhuǎn)移至側(cè)壁；當(dāng)液壓室壓力過(guò)大時(shí)，反脹壓力過(guò)大造成零件懸空區(qū)為主要減薄區(qū)。因此，模擬了最大液壓室壓力在零件長(zhǎng)邊側(cè)壁為2、4、6、8、10 MPa的整體減薄率變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 最大液壓室壓力對(duì)最大減薄率的影響

4 零件充液成形的數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 第一步工序數(shù)值模擬

圖6所示為第一步充液成形極限圖，零件成形后均處在安全區(qū)域內(nèi)，無(wú)明顯破裂的趨勢(shì)。圖7所示為第一步成形后的減薄云圖，減薄主要集中在長(zhǎng)邊的側(cè)壁及圓弧邊的側(cè)壁中部，其中最大減薄在圓弧邊的側(cè)壁處；法蘭邊在長(zhǎng)邊的兩端頭有較大的增厚現(xiàn)象，增厚率達(dá)到26.5%。

圖6 第一步充液成形極限圖

圖7 第一步充液成形減薄云圖

4.2 第二步工序數(shù)值模擬

圖8所示為第二步充液成形極限圖，與圖6的成形極限圖無(wú)明顯變化，成形后仍處于較為安全的狀態(tài)。圖9所示為第二步充液成形減薄云圖，第二步成形過(guò)程中零件的減薄沒(méi)有再增加，在零件兩端頭部區(qū)域有明顯的增厚現(xiàn)象，增厚率約30%左右。

圖8 第二步充液成形極限圖

圖9 第二步充液成形減薄云圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 充液成形結(jié)構(gòu)

零件的整體成形設(shè)備包括第一步充液成形模具和第二步充液成形模具，主要有上模、下模、上模板、下模板、凸模、壓邊圈、充液接頭等部件，模具結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 模具結(jié)構(gòu)

5.2 充液成形試驗(yàn)

在模具安裝好后，對(duì)零件進(jìn)行試壓，零件未發(fā)生破裂現(xiàn)象，但在法蘭區(qū)起皺明顯，如圖11所示，主要原因可能有板料在拉深過(guò)程中產(chǎn)生收縮變形、壓邊力不足、液體壓力較小導(dǎo)致材料變形不充分，因此在后續(xù)的拉深過(guò)程中需逐步增大壓邊力和液壓力，增大板料的變形。

圖11 零件起皺

第一步拉深試驗(yàn)后在零件凸緣處出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖12所示，該處對(duì)應(yīng)的法蘭無(wú)起皺現(xiàn)象，板料光滑有光澤，此處壓邊力較大，導(dǎo)致進(jìn)料阻力較大，因此產(chǎn)生開(kāi)裂。

圖12 零件開(kāi)裂

結(jié)合數(shù)值模擬分析，采用被動(dòng)式充液成形時(shí)，零件在反脹壓力和壓邊力的作用下，零件靠近法蘭長(zhǎng)邊的側(cè)壁、圓弧邊的側(cè)壁中部減薄明顯。在拉深過(guò)程中，隨著最大液壓室壓力的增加，在液體壓力的反脹作用下可抑制零件法蘭區(qū)的起皺現(xiàn)象，若液壓室壓力進(jìn)一步加大，板料成形時(shí)材料流動(dòng)過(guò)少可能會(huì)造成懸空區(qū)減薄嚴(yán)重。

為了解決上述問(wèn)題，提出優(yōu)化板料、適當(dāng)減小法蘭區(qū)面積、增大壓邊間隙、使坯料流入合理等，最終得到了表面質(zhì)量良好的合格零件，如圖13所示。

圖13 多步充液成形的合格零件

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）采用先外后內(nèi)的二次被動(dòng)充液成形方法，利用板料與凸模之間產(chǎn)生的有益摩擦，可提高板料成形極限，實(shí)現(xiàn)唇口整體充液成形。

（2）傳統(tǒng)拉深成形最大減薄區(qū)集中在凸模圓角區(qū)，而采用被動(dòng)式充液成形的液壓力使板料與凸模之間產(chǎn)生較大的良性摩擦，抑制了零件在凸模圓角處的減薄。

（3）在采用被動(dòng)式充液成形過(guò)程中，零件凸緣部位存在較大的懸空區(qū)，在液體壓力和壓邊力的作用下，隨著最大液壓室壓力的增加，板料成形時(shí)材料流動(dòng)過(guò)少會(huì)造成懸空區(qū)減薄嚴(yán)重。

（4）在液壓室加載曲線(xiàn)、壓邊條件、反脹、坯料形狀等多參數(shù)優(yōu)化匹配條件下，既可提高零件表面成形質(zhì)量，又可提高成品率。