邱超斌 ，江培成，郎利輝，郭慶磊，張猛，李奎，陳林

（1.航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710089；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；3.天津天鍛航空科技有限公司，天津 300232）

隨著我國航空航天產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對關(guān)鍵零部件的性能、輕量化、強(qiáng)度等提出了更高要求[1]。鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高和塑性韌性較好等諸多優(yōu)良性質(zhì)，因而在航空航天、交通工具輕量化、建筑包裝等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中占有極為重要的地位，特別是當(dāng)今世界正面臨著資源短缺、能耗大、環(huán)保等問題，加速發(fā)展先進(jìn)鋁合金材料加工技術(shù)更有著重要意義[2—4]?；貜梿栴}是鋁合金零件尤其是小曲率零件常見的成形問題，回彈量的多少也往往影響著零件的尺寸精度及成形質(zhì)量，因而，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量理論和試驗研究[5—9]。對于這些結(jié)構(gòu)較為簡單的復(fù)合曲面零件，常用拉形或壓彎工藝來成形，但成形效果欠佳，零件的回彈問題較為嚴(yán)重，后期需要進(jìn)行大量的人工敲修。

近些年，針對該類零件，運(yùn)用充液成形技術(shù)可以獲得表面質(zhì)量較好的合格零件而且模具結(jié)構(gòu)簡單、成本低，受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注及應(yīng)用[10—13]，但是也會造成零件局部減薄率增大，同時成形過程的回彈問題也是不可避免的。通常，在分析板材的彎曲時可以將之簡化成為雙向應(yīng)力狀態(tài)，而板材的充液成形過程為三向應(yīng)力狀態(tài)，針對該過程的回彈行為，北京航空航天大學(xué)的王永銘[14]研究了板材充液拉彎過程厚向應(yīng)力對回彈的影響。鋁合金回彈預(yù)測結(jié)果很大程度上取決于材料力學(xué)性能的表達(dá)，胡晶等[15]推導(dǎo)了復(fù)雜加載路徑下的材料混合硬化模型，并通過對2A12-O 鋁合金蒙皮零件進(jìn)行拉形數(shù)值模擬及試驗，驗證了該模型的準(zhǔn)確性。國內(nèi)的天鍛航空科技有限公司[16]首次將拉形與充液成形技術(shù)結(jié)合起來用以生產(chǎn)該類航空零件。

文中以一種小曲率鋁合金框形零件為研究對象，采用壓彎-脹形復(fù)合成形方法對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了最大液室壓力對成形的影響規(guī)律，重點關(guān)注了其對零件最大減薄率及貼膜度的影響，并對零件關(guān)鍵成形部位進(jìn)行剖切以分析壁厚的分布情況?；谧顑?yōu)模擬結(jié)果，進(jìn)行回彈模擬分析。最后，結(jié)合分析結(jié)果，對該小曲率鋁合金框形件進(jìn)行現(xiàn)場試驗驗證，獲得合格零件。

1 彎脹復(fù)合成形數(shù)值模擬及優(yōu)化分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)特點

圖1 零件模型Fig.1 Model of part

如圖1 所示為某航空鋁合金框形件，零件整體為階梯式曲面構(gòu)型，長約為872 mm，寬約為371 mm，曲率半徑約為815 mm，零件結(jié)構(gòu)為典型的小曲率零件。階梯處最大成形深度約為106 mm，零件整體最大成形深度約為175 mm。所用材料為2A12-O 鋁合金板材，坯料厚度為2 mm。

1.2 零件建模

針對該種零件，傳統(tǒng)的成形方法是直接剛性模壓彎成形，但該種方法用以成形小曲率零件時，零件回彈量較大；也可以采用主動式充液成形的方法成形，但存在起皺問題以及局部減薄率較大，嚴(yán)重時易導(dǎo)致板材破裂，影響零件成形質(zhì)量。基于上述問題，文中通過結(jié)合傳統(tǒng)壓彎及主動式充液成形方法，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及成形參數(shù)，用以成形該種小曲率鋁合金框形件。根據(jù)零件特征結(jié)構(gòu)，在模具上加設(shè)拉延筋控制起皺問題，同時在凹模上對應(yīng)于零件中心區(qū)域設(shè)計脹形區(qū)（后續(xù)成形完畢會切除），以增加板材變形量，控制回彈問題。因該零件為軸對稱零件，為縮短模擬時間及減小計算量，文中采用1/2 板料進(jìn)行模擬分析。在CATIA 軟件中建立彎脹成形模具型面，并將生成的IGS 文件導(dǎo)入到DYNAFORM 軟件中，得到的有限元模型如圖2 所示。

圖2 框形件彎脹成形有限元模型Fig.2 Finite element model of bending-bulging forming of frame-shaped part

對2 mm 厚的2A12-O 鋁合金板材進(jìn)行單向拉伸試驗，通過去除彈性段及下降段后，經(jīng)擬合獲得該種材料的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線，并導(dǎo)入DYNAFORM軟件前處理設(shè)置中。該材料的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3 所示。

1.3 彎脹成形數(shù)值模擬分析

1.3.1 最大液室壓力優(yōu)化分析

在充液成形過程中，最大液室壓力是成形過程中一個關(guān)鍵性的參數(shù)，直接影響到零件的成形質(zhì)量[17]。文中研究了在最大液室壓力分別為5，10，15，20，25 MPa 時對零件的最大減薄率，以及A，B，C，D，E這5 處圓角貼膜度的影響，如圖4 所示。

圖3 2A12-O 鋁合金真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-strain curve of 2A12-O aluminum alloy

圓角處貼膜度也可以從相對圓角半徑與最大液室壓力的關(guān)系中反映出來，對于A和B處圓角成形過程來說，板料在液壓力的作用下，沿著模具型面彎曲，是較為復(fù)雜的塑性變形過程，對其進(jìn)行力學(xué)解析時，可將其簡化處理，認(rèn)為材料發(fā)生了純彎曲變形，考慮鋁合金的各向異性，以中性層為界，外側(cè)為受拉，內(nèi)側(cè)受壓；而對于C，D，E處圓角，可視為在液體壓力作用下的圓角填充過程。

在板材單拉試驗中，斷裂時的真實應(yīng)變εc為：

式中：λ是斷面收縮率；A0為破裂位置的初始橫截面積；Ac是破裂位置最終的橫截面積。若材料本構(gòu)為冪指數(shù)硬化關(guān)系，則：

圓角破裂的臨界條件為板材彎曲最大等效應(yīng)力與破裂臨界應(yīng)力相等，即因此，可得出[18]A和B處圓角彎曲時最小相對圓角半徑與最大液室壓力關(guān)系為：

式中：r為厚向異性指數(shù)；p為最大液室壓力；σs為屈服強(qiáng)度；σb為抗拉強(qiáng)度；t0為板料初始厚度；R為相對圓角半徑。

C，D，E處圓角在成形過程中相對圓角半徑與最大液室壓力的關(guān)系可用式（5）[19]表示：

從式（4—5）可以看出，相對圓角半徑R越小，成形過程中所需要的最大液室壓力p越大。

圖4 最大液室壓力對最大減薄率以及貼膜度的影響Fig.4 Influence of the maximum liquid chamber pressure on the maximum thinning rate and the filming degree of the part

從圖4 可以看出，最大液室壓力從5 MPa 增至25 MPa 時，零件的最大減薄率也隨之上升。同時，在主動式充液脹形過程中，主要的未貼膜區(qū)位于圓角處，為方便分析，對零件的5 個圓角區(qū)域A，B，C，D，E進(jìn)行貼膜度測量，其中，A，B，E這3 處位于零件型面與法蘭過渡段，C和D兩處位于脹形區(qū)與零件型面的過渡段。對于A和B兩處圓角來說，在最大液室壓力為5 MPa 時，由于此時壓力較小，貼膜度較差，隨著液壓的增加，A和B兩處逐漸貼膜，液室壓力增至15 MPa 后，貼膜度逐漸趨于穩(wěn)定；對于C處圓角區(qū)域來講，由于該處零件型面成形深度較小、型面變化較緩和，相對容易貼膜，因此最大液室壓力對貼膜度幾乎沒有影響；對于D處圓角區(qū)域，雖然與C處同屬脹形區(qū)，但是該處型面成形深度較大，因此該處貼膜度隨著最大液室壓力增至20 MPa 以后，才逐漸趨于穩(wěn)定；E處圓角由于是零件型面與法蘭的過渡區(qū)，且位于零件的對稱軸上，成形深度最大，因此最大液室壓力對其的影響也較為顯著，與A和B兩處類似，隨著液壓的增大逐漸貼膜，液室壓力增至15 MPa 后，貼膜度逐漸趨于穩(wěn)定。

對在每個最大液室壓力條件下的零件最大減薄率進(jìn)行分析，將主要減薄區(qū)域分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ這7 個區(qū)域，其中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區(qū)域為拉延筋的減薄區(qū)，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ區(qū)域為零件型面主要減薄區(qū)域，Ⅶ為零件底部脹形區(qū)的減薄區(qū)，如圖5 所示。各個最大液室壓力條件下零件最大減薄率云圖如圖6所示。

由圖5 和圖6 可以看出，在最大液室壓力為5 MPa 的情況下，零件的主要減薄區(qū)域位于拉延筋區(qū)，這是因為液室壓力較小時零件沒有成形到位，因而多余的法蘭也無法進(jìn)行補(bǔ)料，而此時的拉延筋區(qū)域因成形較為充分，成為主要減薄區(qū)。隨著液壓逐漸增大至25 MPa，拉延筋Ⅰ和Ⅲ區(qū)域的減薄率會隨之降低，而Ⅱ區(qū)拉延筋由于相鄰的零件型面成形深度較小，在較小的液室壓力下也能成形到位，因此基本保持不變。

圖5 最大液室壓力對零件主要減薄區(qū)最大減薄率的影響Fig.5 Influence of the maximum liquid chamber pressure on the maximum thinning rate in the main thinning area of the part

隨著液壓的增大，主要減薄區(qū)由拉延筋Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區(qū)域轉(zhuǎn)為零件型面內(nèi)的Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ區(qū)域，而脹形區(qū)Ⅶ的最大減薄率始終小于Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ區(qū)域，在達(dá)到了設(shè)計該區(qū)域時增加零件整體變形量的目標(biāo)的同時，也沒有對零件整體的最大減薄率有不利影響。

綜合零件最大減薄率及貼膜度的分析結(jié)果，選擇最大液室壓力20 MPa 作為成形該小曲率框形件的最優(yōu)液壓參數(shù)，最終零件的最大減薄率為16.1%，同時零件各處圓角過渡區(qū)域貼膜度較好。

1.3.2 壁厚分布

在最大液室壓力為20 MPa 時的壁厚分布進(jìn)行分析，以實際零件型面（即去除工藝補(bǔ)充面及多余法蘭）成形最大深度處與零件中軸線交點投影為坐標(biāo)原點，以零件的中軸線為y軸，與其垂直方向為x軸，并沿著xy坐標(biāo)軸作兩個垂直的截面，并對截面上的壁厚進(jìn)行測量，結(jié)果如圖7 所示，可以看到沿截面的壁厚分布較為均勻，壁厚減薄較大處僅出現(xiàn)在圓角過渡區(qū)。

圖7 x 方向、y 方向橫截面壁厚分布Fig.7 Wall thickness distribution of the cross section in the x and y

1.3.3 回彈模擬及分析

將較優(yōu)的成形模擬結(jié)果DYNAIN 格式文件導(dǎo)入DYNAFORM 軟件中，建立一個新的df 文件進(jìn)行回彈模擬。需要注意的是，在回彈分析中必須使用和成形模擬同種材料及厚度；由于零件是對稱的，在定義約束節(jié)點時也應(yīng)當(dāng)加在對稱面上，且僅需定義2 個節(jié)點即可（對于非對稱零件，需定義3 節(jié)點用以限制剛體的位移，且不能選在一條直線上、不靠近零件邊緣、不選擇較大變形區(qū)、相互間隔一定距離）；在回彈補(bǔ)償分析中，為滿足回彈前后板料的單元數(shù)量一致，也不能使用網(wǎng)格粗化功能。

回彈模擬結(jié)果如圖8 所示?？梢钥闯?，零件最大回彈量為2 mm，且回彈較大區(qū)域集中在零件外圍（后續(xù)會切除）。后續(xù)成形完畢后也可以加一道退火工序，以控制零件切除多余工藝補(bǔ)充面及法蘭區(qū)域后引起的回彈問題。由此可見，利用彎脹復(fù)合方法成形該種小曲率框形件能夠解決零件成形后回彈較大的問題。

2 試驗驗證

基于上述數(shù)值模擬中最優(yōu)成形工藝參數(shù)，對該零件進(jìn)行試驗驗證。試驗過程在天津天鍛航空科技有限公司雙動充液成形設(shè)備上進(jìn)行，成形模具實物如圖9所示。

圖8 回彈模擬結(jié)果云圖Fig.8 Nephogram of springback simulation result

圖9 凹模實物Fig.9 Die

零件實物如圖10 所示。由圖10 可以看出，經(jīng)彎脹成形后該零件的成形質(zhì)量較好，表面粗糙度較高，經(jīng)測量后零件的整體減薄率也比較符合數(shù)值模擬結(jié)果，驗證了該工藝方案的可行性。

圖10 試驗所得零件實物Fig.10 Experimental part

3 結(jié)論

1）綜合零件最大減薄率及圓角過渡區(qū)貼膜度的理論分析及模擬結(jié)果，在最大液室壓力為20 MPa 時成形效果較好，最終零件的最大減薄率為16.1%，同時零件各處圓角過渡區(qū)域貼膜度較好。

2）對數(shù)值模擬后的零件進(jìn)行剖切分析，發(fā)現(xiàn)沿截面的壁厚分布較為均勻，壁厚減薄較大處僅出現(xiàn)在圓角過渡區(qū)。

3）對最大液室壓力為20 MPa 時的模擬結(jié)果進(jìn)行回彈分析，零件的最大回彈量為2 mm，且回彈較大區(qū)域集中在零件外圍（后續(xù)會切除）。由此可見，利用彎脹復(fù)合方法成形該種小曲率框形件能夠解決零件成形后回彈較大的問題，說明該工藝方案的可行性。

4）基于數(shù)值模擬最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行試驗驗證得到的零件實物，成形質(zhì)量較好，表面粗糙度較高，經(jīng)測量后零件的整體減薄率也比較符合數(shù)值模擬結(jié)果，驗證了該工藝方案的可行性。