文／王呼和·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

飛行平臺(tái)罩爆炸拉深實(shí)驗(yàn)研究和有限元分析

文／王呼和·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

王呼和，博士，講師，主要從事爆炸力學(xué)、金屬板材爆炸成形工藝及數(shù)值模擬研究工作，參與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)以及橫向項(xiàng)目1項(xiàng)，發(fā)表論文10余篇，獲發(fā)明專利1項(xiàng)。

爆炸拉深是通過(guò)傳壓介質(zhì)將爆炸能量加載到金屬坯料上，使之被加工成各類凸凹形、碟形、球冠形等曲面零件的爆炸加工方法。按工件拉深方法不同，爆炸拉深可分為自由爆炸拉深和有模爆炸拉深兩種。本文著重介紹了爆炸拉深概念和特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)際工程試驗(yàn)和有限元分析，為爆炸拉深成形飛行平臺(tái)罩工藝提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。

自由爆炸拉深

自由爆炸拉深的裝置較為簡(jiǎn)單，不需要整體式模具，僅用拉深環(huán)、炸藥包形狀及大小來(lái)控制變形程度和拉深形狀。由于這種拉深成形工藝完全依靠工藝參數(shù)的調(diào)整來(lái)獲得所需拉深件的形狀和尺寸，容易受到偶然因素的影響，所以這種拉深方法僅適用于拉深形狀簡(jiǎn)單，且精度要求不高的零件。圖1為自由爆炸拉深成形裝置示意圖。

圖1 自由爆炸拉深成形裝置

有模爆炸拉深

有模爆炸拉深是通過(guò)坯料與凹模的貼合來(lái)保證成形精度的，所以模腔的形狀和尺寸精度決定著拉深件的形狀和尺寸精度。由于模具可有效保證拉深件的質(zhì)量，所以有模爆炸拉深適用于批量較大、精度較高和相對(duì)厚度較小的拉深件。在爆炸拉深前，需將模具型腔內(nèi)抽成真空，防止爆炸拉深過(guò)程壓縮空氣阻礙金屬坯料與模具貼合，影響成形精度。圖2為有模爆炸拉深成形裝置示意圖。

爆炸拉深主要工藝參數(shù)

⑴裝藥量。裝藥量的大小不僅影響爆炸拉深的效果，而且也影響模具的使用壽命。裝藥量常用依據(jù)爆炸成形模型律進(jìn)行模擬試驗(yàn)選定。

圖2 有模爆炸拉深成形裝置

⑵藥包形狀。藥包形狀決定著沖擊波波陣面，而波陣面在某種程度上又決定著沖擊載荷在坯料上的分布特征。球形藥包產(chǎn)生球面沖擊波，其作用在平板坯料上的載荷是不均勻的，它適用于成形深度不大或變薄要求不嚴(yán)的球底形零件，如圖3a所示。柱形藥包產(chǎn)生柱面沖擊波，其側(cè)面沖擊波強(qiáng)度較大，故不易在拉深時(shí)使用，大多在爆炸脹形時(shí)使用，如圖3b所示。錐形藥包的頂部沖擊波較弱，而兩側(cè)較強(qiáng)，它利于凸緣部分坯料流入模腔，故適用于變薄要求較嚴(yán)的橢球底零件的成形，常用錐角為90°～120°之間，如圖3c所示。環(huán)形藥包適用于大型封頭類零件，這是因?yàn)樗幇咏寄A角部分，利于凸緣坯料流入模腔，一般環(huán)形藥包直徑D為模口直徑的80%～85% 。在使用環(huán)形藥包時(shí)，采用“兩端”引爆，并且在引爆端對(duì)側(cè)空出10～16mm，如圖3d所示。

圖3 常用藥包形狀示意圖

⑶藥位。藥位包含兩方面的尺寸內(nèi)容。一是炸藥包中心距毛坯表面的高度，也稱之為“吊高”；另一尺寸是炸藥包中心距零件某一基準(zhǔn)的縱向或橫向平面距離。多數(shù)情況下藥位的確定主要是根據(jù)板料的強(qiáng)度、厚度和幾何尺寸等通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整選定，如強(qiáng)度高、厚度大，幾何尺寸大者，藥位應(yīng)適當(dāng)偏低。

⑷真空度。在相對(duì)厚度較薄的坯料進(jìn)行有模爆炸拉深時(shí)，由于毛料變形速度較快，模腔內(nèi)的氣體來(lái)不及自行排出，因此應(yīng)在引爆藥包前將模腔內(nèi)的空氣抽空。

⑸水深。水深系指炸藥裝藥中心至水面的距離。水的深淺一方面可以確定爆炸能量從水介質(zhì)自由面卸載所需要的時(shí)間，另一方面對(duì)高壓氣團(tuán)能量進(jìn)行傳遞分配。在實(shí)際操作中，水深應(yīng)選擇大于或等于?？诘陌霃健?duì)于薄板類零件成形，水深取1/3～1/2?？谥睆?。

⑹壓邊力。壓邊力的大小直接影響爆炸成形質(zhì)量。過(guò)大的壓邊力，在成形過(guò)程中使凸緣部分的坯料不易流入凹模的模腔內(nèi)，過(guò)小的壓邊力易在凸緣部分起皺，影響零件成形精度和表面質(zhì)量。在實(shí)際操作中，應(yīng)恰當(dāng)施加壓邊力，并保持周邊的壓邊力均勻。

有模抽真空爆炸拉深實(shí)例

某爆炸拉深的航天飛行器零件尺寸，如圖4所示，厚度2mm，材料為高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金。由于工件的相對(duì)厚度t/D較小，而相對(duì)拉深深度W/D又較大，且形狀較復(fù)雜。所用坯料形狀如圖5所示。

為避免坯料過(guò)度減薄，并保證成形精度，實(shí)際采取三次成形。第一、二次拉深為逐步進(jìn)料過(guò)程，第三次是坯料完全貼模的校形過(guò)程。

爆炸成形裝置如圖2所示。壓邊圈為80mm厚的灰鑄鐵，通過(guò)8個(gè)M24的螺栓施加壓邊力，壓邊力的大小通過(guò)力矩扳手進(jìn)行調(diào)節(jié)。起爆前將模腔中抽為真空。模腔的密封是通過(guò)坯料下面的橡膠密封條來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 拉深工件圖

圖5 坯料尺寸和形狀圖

飛行平臺(tái)罩爆炸拉深有限元數(shù)值模擬

有限元模型

數(shù)值模擬中所用的材料為L(zhǎng)F21M，其成形性能較好，硬化現(xiàn)象不太嚴(yán)重，密度為2700kg/m3，屈服強(qiáng)度為254MPa，其應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)K和硬化指數(shù)n分別為：K ＝300MPa，n＝0.20。板料的有限元模型如圖6所示，最上一層是壓邊圈，中間一層是板料，最下一層是凹模，單元類型為Shell163，選用BW（Belystchko-Wong）算法。

圖6 有限元模型圖

模型中采用面面接觸中的Surface to surface-Forming（FSTS）的接觸類型，分別定義板料與凹模、板料與壓邊圈的接觸，將爆炸載荷簡(jiǎn)化成按照時(shí)間迅速變化的，并且在同一時(shí)刻按照一定梯度衰減的壓力。保持板料、模具以及壓邊圈不變，改變炸藥量和藥包的吊高，進(jìn)行了三炮成形的有限元分析。

板料變形

板料采取了三炮成形，圖7是板料在每炮成形后的形狀圖。從圖中我們可以很明顯的看出，第一炮成形結(jié)束后，進(jìn)料明顯不足，僅有整個(gè)變形的70%左右，并且還有一定程度的起皺現(xiàn)象；第二炮成形后，成形深度已經(jīng)達(dá)到了最高拉深深度，但板料仍不完全貼模；第三炮成形幾乎不進(jìn)料，基本上是貼模校形。經(jīng)過(guò)三炮成形以后，板料的形狀已與最終產(chǎn)品基本相同了。

圖7 板料在每炮成形后的形狀圖

板料成形后的位移云圖如圖8所示，我們可以很清楚的看出，板料發(fā)生了很大的變形，其中底部中心部位的位移量最大，而長(zhǎng)邊法蘭部分位移量最小。另外工件法蘭部分由于加了適當(dāng)?shù)膲哼呇b置，因此起皺現(xiàn)象得到了明顯的改善，這一點(diǎn)與前面實(shí)驗(yàn)相符。

圖9是板料中心部位的位移曲線。從曲線中我們可以看出，由于爆炸載荷作用的特殊性，它總是在起始時(shí)候的作用最強(qiáng)，然后以指數(shù)的規(guī)律逐漸衰減，因此，在變形的起始階段材料的位移增量最大，然后位移增量逐漸減小，最后達(dá)到最大值后位移保持不變。

板料經(jīng)過(guò)爆炸拉深成形后的應(yīng)力分布規(guī)律，如圖10所示。從圖中我們可以很清楚的看出，工件底部與直邊部分接觸的部位應(yīng)力最為集中，這說(shuō)明該部位是變形過(guò)程中減薄量最大的地方，也就是說(shuō)該部位是整個(gè)變形過(guò)程中的危險(xiǎn)截面。這一點(diǎn)也與實(shí)驗(yàn)相符，在實(shí)驗(yàn)中就是該部位最容易出現(xiàn)斷裂，即該部位變形量最大，在改進(jìn)工藝時(shí)應(yīng)當(dāng)給予足夠的注意。

圖8 成形后板料的位移云圖

圖9 板料中心點(diǎn)的位移圖

圖10 板料的應(yīng)力分布云圖

結(jié)束語(yǔ)

航天飛行平臺(tái)罩的形狀比較復(fù)雜，有其自己獨(dú)特的特點(diǎn)，難以用普通的冷壓力加工的方式進(jìn)行加工，那么用金屬爆炸拉深的方法就很適合了。金屬爆炸拉深技術(shù)與普通的冷壓力加工技術(shù)有很大區(qū)別，因此必定會(huì)有與常規(guī)冷壓加工方法不同的現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)給予高度重視。用顯式動(dòng)力學(xué)有限元方法可較好地模擬復(fù)雜曲面爆炸拉深成形過(guò)程，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，說(shuō)明應(yīng)用顯式動(dòng)力學(xué)彈塑性有限元方法分析復(fù)雜曲面爆炸拉深成形過(guò)程是可行的，對(duì)工程應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。