岑全增

摘 要：隨著復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其成型工藝的研究始終是航空材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。液壓成型柔性制造技術(shù)在航空鈑金件的制造中具有優(yōu)勢(shì)，能夠有效預(yù)防板材液壓拉伸過(guò)程中的失穩(wěn)行為。文章就結(jié)合液壓成型的原理和技術(shù)特點(diǎn)，介紹復(fù)雜薄壁航空整體板件的成型工藝進(jìn)行分析，供研究借鑒。

關(guān)鍵詞：航空板件；薄壁鈑金件；液壓成型工藝

中圖分類號(hào)：V261 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）11-0097-02

Abstract： With the wide application of composite materials in aeronautical field， the research of its forming technology has always been a hot spot in the field of aeronautical materials. The flexible manufacturing technology of hydraulic forming has advantages in the manufacture of aeronautical sheet metal parts， which can effectively prevent the instability behavior of sheet metal during hydraulic drawing. In view of the principle and technical characteristics of hydraulic molding， this paper introduces the forming technology of complex thin-walled aviation integral plate， which can be used for reference.

Keywords： aviation plate； thin-walled sheet metal； hydraulic molding technology

引言

傳統(tǒng)航空板材的制造過(guò)程多數(shù)由人工完成，非自動(dòng)化的方式導(dǎo)致行為低效，且難以保證板材的精確度。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，航空領(lǐng)域在制備板材時(shí)采取自動(dòng)化和控制性較好成型工藝，液壓成型工藝憑借其優(yōu)良性能，使磨具的成本降低，并縮短生產(chǎn)周期，并達(dá)到精確控制鈑金成型的要求。

1 液壓成型工藝原理和特點(diǎn)分析

現(xiàn)代化的液壓成型工藝在板材成型過(guò)程中以液體代替或者輔助成型。液壓拉伸成型通過(guò)在凹模中充加液體，液壓室作用在液體上的壓力會(huì)使毛坯和凸模結(jié)合的更為緊密，保證成型的精確性，液體還充當(dāng)一定的潤(rùn)滑作用，減小成型過(guò)程中摩擦力的阻礙，提高成型極限，并減小拉伸過(guò)程中帶來(lái)的的局部缺陷，使板件的質(zhì)量得到較高的提升。液體的使用使成型過(guò)程中摩擦阻力減小，并具有溢流潤(rùn)滑的作用，可以減少鈑金件成型和退火次數(shù)，提高鑄件效率，降低成本，并且鑄件精確度得到提高，符合柔性加工的需要，復(fù)合材料在成型室溫下具有較好的焊接效果[1]。但在復(fù)雜航空整體鈑金件的成型過(guò)程中由于凹模型腔內(nèi)的液壓壓力會(huì)對(duì)凸模下行產(chǎn)生阻抗，對(duì)設(shè)備的噸位提出較高要求，此外液壓的使用使得密封技術(shù)的應(yīng)用對(duì)板件成型具有重要影響，板件成型中要不斷補(bǔ)充液體，也會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率問(wèn)題。

2 板材液壓拉伸的過(guò)程控制

2.1 板材液壓過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題

板材成型過(guò)程中的液室壓力和液體在流動(dòng)時(shí)板材成型應(yīng)力是主要影響因素。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在研究液壓成型技術(shù)中不斷克服技術(shù)難題，通過(guò)復(fù)合材料各異性對(duì)成型可靠性進(jìn)行分析，通過(guò)殼體應(yīng)力本構(gòu)方程方法的實(shí)施以及工藝參數(shù)的設(shè)置等對(duì)液壓成型技術(shù)進(jìn)行完善。但復(fù)雜航空板件的成型，由于設(shè)計(jì)復(fù)雜性不斷提高，導(dǎo)致成型過(guò)程出現(xiàn)更多不可控因素。板材拉伸過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)度施壓導(dǎo)致的褶皺和過(guò)度施加拉力導(dǎo)致的破裂，因此，壓力和拉力的控制成為板件成型需要控制的關(guān)鍵工藝參數(shù)。

2.2 起皺的控制

鈑金件法蘭區(qū)起皺的主要原因是壓邊力過(guò)低或者壓扁縫隙過(guò)大使板坯流入凹模所致，此類缺陷一般使用增加大壓邊力或者減小壓邊縫隙的方式進(jìn)行改進(jìn)。而懸空區(qū)起皺現(xiàn)象，則是液壓壓力過(guò)小引起的切向壓應(yīng)力過(guò)大所致，增大液室壓力和壓邊力能夠解決該問(wèn)題。

2.3 破裂的控制

凸模圓角處破裂是成型過(guò)程中易發(fā)生的缺陷，可以在成型初期通過(guò)強(qiáng)制性增加液室壓力或者對(duì)比例溢流閥進(jìn)行控制防止液壓室較大波動(dòng)，并增加凸模圓角半徑來(lái)減小局部拉應(yīng)力避免破裂問(wèn)題。

3 復(fù)雜航空整體鈑金件液壓成型的工藝分析

國(guó)產(chǎn)鋁鎂合金5A06是具有代表性的航空用材，由于材料性能優(yōu)良，質(zhì)量輕，在復(fù)雜曲面薄壁鈑金件加工中廣泛應(yīng)用。但常溫下其成型受到限制，一般用于拉伸比較低的鈑金件制造。以下對(duì)5A06復(fù)雜薄壁整體鈑金件的成型工序和缺陷控制，進(jìn)行充液成型的工藝分析。

鈑金件成型的過(guò)程使用ETA軟件進(jìn)行模擬分析，主要檢測(cè)充液成型后板料不同區(qū)域的變形情況，并對(duì)分析結(jié)果設(shè)計(jì)復(fù)雜薄壁鈑金件的模具。

3.1 成型工藝分析

鈑金件為曲面保護(hù)罩，使用材料為鋁鎂合金，厚度1mm，保護(hù)罩設(shè)計(jì)長(zhǎng)度118mm，寬為160mm，深度60mm，沿周為20mm法蘭，保護(hù)罩端面為混合曲面。由于零件的拉伸高度為0.5，經(jīng)分析，成型過(guò)程中主要存在以下困難：板料比較薄延展性較差；轉(zhuǎn)角一次成形困難，會(huì)出現(xiàn)起皺或破裂問(wèn)題；曲面模具設(shè)計(jì)具有一定難度；三維曲面設(shè)計(jì)需不斷進(jìn)行試驗(yàn)，成本控制和制造周期存在難題，曲面薄壁板材的焊接加工存在困難。

3.2 有限元模型的建立與分析

由于復(fù)雜曲面薄壁鈑金件的充液成形具有一定的復(fù)雜性，需要進(jìn)行可行性分析，因此建立數(shù)據(jù)模型[2]。沖壓成形的數(shù)據(jù)模擬以有限元方法為主，本次使用ETA軟件進(jìn)行仿真模擬，仿真過(guò)程使用Hill屈服材料模型，并使用BT板料單元。根據(jù)初步設(shè)定的方案在CATIA中建立板料、凹模、凸模的型面模型。通過(guò)數(shù)據(jù)化命令，建立三維模型坐標(biāo)。為保證另一平面零件下面產(chǎn)生，要求高于最底面1mm，并結(jié)合模型對(duì)相對(duì)位置進(jìn)行設(shè)定。采用自動(dòng)模擬設(shè)置，壓邊使用固定間隙的方法，設(shè)定凹模沖壓速度為3000mm/s。

由于板料充液成型中會(huì)存在缺陷，在壓邊力和充液壓力變化不大時(shí)，對(duì)成型影響較大的因素是壓邊間隙。保護(hù)罩的設(shè)計(jì)壓邊間隙為1.2mm和0.8mm，對(duì)成型模擬結(jié)果進(jìn)行分析，在1.2mm時(shí)，由于間隙過(guò)大圓角區(qū)存在較大褶皺，而設(shè)定0.8mm時(shí)，由于壓力間隙過(guò)小發(fā)生鈑金件破裂。經(jīng)過(guò)分析優(yōu)化，多次模擬調(diào)試最終確定該鈑金件的充液成形工藝參數(shù)，壓力間隙為板料厚度的1.05～1.1倍。并形成液壓室的壓力加載路徑。使用軟件的關(guān)鍵詞二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬，并按照模擬結(jié)果得到的液壓室的壓力路徑完成初始膨脹階段和合模進(jìn)給結(jié)算。液壓室的控制現(xiàn)象增加到10MPa，然后保持成型。根據(jù)鈑金件的液壓室極限圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要成型區(qū)沒(méi)有起皺現(xiàn)象，而圓角區(qū)存在起皺趨勢(shì)，法蘭邊緣區(qū)存在較嚴(yán)重的起皺現(xiàn)象，分析法蘭區(qū)的變形多位于四周工藝補(bǔ)充面不影響最終成型。最終的成型結(jié)果位于安全區(qū)，且無(wú)破裂出現(xiàn)。零件最薄的區(qū)域位于混合曲面處，大部分主型面厚度為0.925±0.025mm，由于復(fù)雜斷面板材的流動(dòng)性較差，體積分布不均，板料的厚度云圖顯示最薄處為0.831mm，在設(shè)計(jì)成型所允許的變薄范圍內(nèi)，且板料的最大延伸率為17.3%符合鋁鎂材料的最大延伸范圍。

4 模具機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿真結(jié)果構(gòu)建的模具結(jié)構(gòu)主要包括凹模、凸模和壓邊圈，將凸模和壓邊圈固定在壓力為4000kN的雙動(dòng)液壓機(jī)的上模塊和壓邊模塊上。在成型階段，將液體充入凹模液壓室，將毛坯放入凹模面上，滑動(dòng)壓邊模塊使板料受壓力均勻的貼合在凸模上。凸模的設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)零件的最初設(shè)計(jì)尺寸設(shè)定，凸模使用45鋼硬度為36HRC。

若鈑金件的尺寸不大時(shí)，凹模的結(jié)構(gòu)可以采用整體式縮口結(jié)構(gòu)的模具設(shè)計(jì)。在其他條件一致時(shí)，整體式的模具設(shè)計(jì)具有更高的抗壓性。為減輕施工量凹?？诔叽鐟?yīng)小于內(nèi)腔15mm。凹模的材料選用45軋鋼，可以保證在較大的壓強(qiáng)下不發(fā)生滲漏。壓力圈材料同樣使用45鋼，硬度和凹模一致，磨具型面部分保證粗糙度為0.8，壓扁間隙設(shè)定為1.1mm。最終設(shè)計(jì)制造出合格的鈑金件。

本文采用有限元數(shù)值模擬方法分析了充液拉深成型的過(guò)程，使用該制造工藝可以避免起皺和破裂，成型出完好的保護(hù)罩。局部壓邊力在調(diào)節(jié)材料流動(dòng)、控制法蘭處金屬的拉入和避免起皺和破裂方面有重要的作用。有限元模擬得到的理想局部壓邊力的設(shè)置，和一些工藝參數(shù)，能夠保證鈑金件的精確性和可靠性。凹模充液拉深成型拉深為主要步驟，成型過(guò)程中起皺是最大危險(xiǎn)，在背向液體壓力作用下，板料與沖頭之間的摩擦力增大，避免了沖頭圓角處板料急劇減薄。且成型過(guò)程產(chǎn)生的小鼓包對(duì)板料的后續(xù)成型有預(yù)強(qiáng)化作用，能提高板料成型性。充液拉深工藝在厚度方向壓應(yīng)力和摩擦力的控制具有較好的成型性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著航空鈑金件對(duì)制造工藝的要求不斷提高，復(fù)雜薄壁鈑金件的成型工藝不斷改進(jìn)，充液成型基于有限元的分析，對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行模擬控制，提高成型間隙的控制，以此，制造的鈑金件模具合格率提高。

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