劉曉晶，李連峰，張曉華，潘景浩

(哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引 言

異形薄壁鋁合金鈑金件的成形是汽車輕量化發(fā)展中亟待解決的技術(shù)問題[1-3]，而鋁合金盒形件作為汽車領(lǐng)域中的典型零件，因其各部位變形差異較大等問題加深了其成形難度。近年來眾多學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了研究[4-5]。李世海[6]基于數(shù)值模擬研究了盒形件的拉深成形過程。陳渝等[7]基于有限元數(shù)值模擬研究了盒形件在拉深成形過程中的成型規(guī)律和失效分析。郎利輝等[8]研究了盒形件充液成形法蘭區(qū)的變形特點(diǎn)及失穩(wěn)影響因素。靳陽、揭小平等[9-11]研究了鋁合金的拉深成形性能。郎利輝等[12]研究了關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)鋁合金斜法蘭非軸對(duì)稱盒形件充液成形的影響。劉曉晶等[13-14]研究了球底筒形件主動(dòng)徑向加壓充液拉深的數(shù)值模擬及主動(dòng)徑向液壓路徑對(duì)筒形件壁厚分布的影響。廖娟等[15]對(duì)鋁合金管件的殘余應(yīng)力做了數(shù)值模擬研究。張珍等[16]基于數(shù)值模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究了反脹對(duì)不等高鋁合金盒形件液壓成形效果的影響。劉曉晶等[17-20]研究了采用設(shè)置板料壓邊力,摩擦系數(shù)以及拉延筋的方法對(duì)成形缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。而目前對(duì)于復(fù)雜底部盒型件的研究相對(duì)較少。

本文以異形底盒形件為研究對(duì)象結(jié)合異形底盒形件底部難成形的情況，設(shè)計(jì)了先預(yù)脹后拉深的液壓加載路徑，對(duì)零件成形及貼模性進(jìn)行有限元數(shù)值模擬研究。進(jìn)而采用施加主動(dòng)周向壓力和預(yù)脹成形相結(jié)合的工藝方法，以期得到較高成形質(zhì)量及成形精度的異形底盒形零件。

1 研究方案

1.1 零件及模具設(shè)計(jì)

本研究采用厚度為1 mm的5A06鋁合金板材，異形底采用內(nèi)凹底形式。盒形件邊長為40 mm，成形高度35 mm，具體幾何形狀和尺寸如圖1所示。

5A06鋁合金板材力學(xué)性能如表1所示，為之后有限元模擬分析提供材料性能參數(shù)。

圖1 盒形件尺寸及形狀Fig.1 Size and shape of box-shaped parts

表1 5A06鋁合金力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of 15A06 aluminium alloy

本文設(shè)計(jì)了兩種不同形狀的板料，分別為圓形板料、圓形切弓形狀板料，如圖2所示。

圖2 不同形狀板料具體尺寸Fig.2 Specific sizes of sheets with different shapes

1.2 有限元模型的建立

內(nèi)凹底盒形件的有限元模型如圖3所示。板料材料選用5A06鋁合金板材，有限元模型的接觸條件：板料和凸模之間的摩擦系數(shù)為0.14，板料和壓邊圈之間的摩擦系數(shù)為0.125，板料和凹模之間的摩擦系數(shù)為0.04；壓邊間隙為1.2 mm，采用定間隙；凸模下行速度為2 000 mm/s；材料選用37#厚向異性模型；接觸類型為單向面-面接觸。

圖3 內(nèi)凹底盒形件有限元模型Fig.3 Finite element model of concave bottom box

1.3 預(yù)脹拉深數(shù)值模擬研究

在拉深之前進(jìn)行預(yù)脹，對(duì)板料施加液壓，使異形底提前補(bǔ)料，這樣可以有效防止拉深破裂，并且提高零件精度。

1)預(yù)脹工藝參數(shù)對(duì)成形的影響

預(yù)脹成形工藝當(dāng)中比較重要的工藝參數(shù)有預(yù)脹高度和預(yù)脹壓力，其中預(yù)脹高度是凸模底部到合模結(jié)束后到壓邊圈的距離。設(shè)置預(yù)脹高度0～10 mm，預(yù)脹壓力2～16 MPa，經(jīng)過多次模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同預(yù)脹壓力和預(yù)脹高度的成形結(jié)果Fig.4 Forming results of different pre-expansion pressures and pre-expansion heights

分析可知，當(dāng)預(yù)脹高度為0 mm，板料離凸模較近，施加的預(yù)脹壓力在內(nèi)凹底凸模邊緣處受限，從而造成內(nèi)凹底圓角處在預(yù)脹初期會(huì)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，如圖5(a)所示；之后隨著預(yù)脹高度的增加，較小的預(yù)脹壓力仍然無法提供足夠合適的背向壓力，不能增加板料和內(nèi)凹底處的接觸面積，反脹變形量小，內(nèi)凹底圓角處產(chǎn)生褶皺，影響后續(xù)的充液拉深成形，此時(shí)成形效果圖如圖5(b)所示；在上圖4中的區(qū)域Ⅱ中，預(yù)脹壓力和預(yù)脹高度有較合適的匹配關(guān)系，有效地抑制了起皺，成型效果如圖5(c)所示，合適的預(yù)脹壓力使得板料能夠很好地貼靠凸模的內(nèi)凹底部分，為內(nèi)凹底的成形提供了良好的開端；而當(dāng)預(yù)脹壓力和預(yù)脹高度都較大時(shí)，板料會(huì)有大幅度的脹起，并且壓邊圈有阻礙作用，板料會(huì)產(chǎn)生拉裂，如圖5(d)所示，之后隨著凸模的下行，使得凸模與凹模之間的板料產(chǎn)生彎曲和反彎曲，抑制了板料的流動(dòng)。

圖5 不同預(yù)脹高度和預(yù)脹壓力下對(duì)應(yīng)的成形效果圖Fig.5 Forming effect diagram under different pre-expansion height and pre-expansion pressure

2 預(yù)脹及液室壓力對(duì)減薄率的影響

由圖6可知，隨著預(yù)脹壓力的增加，預(yù)脹階段板料的最大減薄率越來越高。當(dāng)預(yù)脹高度為2 mm時(shí)，較小的預(yù)脹壓力能夠?qū)Π辶袭a(chǎn)生一定的反脹作用，最大減薄率較低，當(dāng)預(yù)脹高度分別為4、6、8和10 mm時(shí)，板料最大減薄率變化的趨勢(shì)大致相同，但是隨著預(yù)脹壓力的增加，板料的最大減薄率增長速率很快，最終導(dǎo)致板料的破裂。

圖6 預(yù)脹高度和預(yù)脹壓力下的壁厚最大減薄率Fig.6 Wall thickness thinning rate at different pre-expansion height and pre-expansion pressure

圖7所示為0.001 s后預(yù)脹高度為6 mm時(shí)不同預(yù)脹壓力和液室壓力所成形工件的成形效果圖，隨著預(yù)脹壓力的增大內(nèi)凹底圓角處的起皺趨勢(shì)也隨之減弱，最終消失，但當(dāng)預(yù)脹壓力過大時(shí)，內(nèi)凹底處反脹幅度過大影響盒形件的成形質(zhì)量。其中預(yù)脹高度6 mm，預(yù)脹壓力14 MPa和液室壓力35 MPa的情況下，內(nèi)凹底盒形件成形情況最佳，但是底部圓角區(qū)有破裂趨勢(shì)。

圖7 成形效果圖Fig.7 Forming effect diagram

3 預(yù)脹對(duì)貼模性的影響

貼模性如圖8所示。兩節(jié)點(diǎn)之間的距離定義為Ai，凸模上的節(jié)點(diǎn)到板料起始位置的投影距離定義為Di，貼模性用ω表示，具體表示方式如式(1)所示，ω越接近100%則表示貼模性越好。其中n為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(1)

圖8 對(duì)角線處截面圖Fig.8 Diagonal section

如圖9所示，預(yù)脹高度為4 mm，預(yù)脹壓力為14 MPa情況下，預(yù)脹開始前和預(yù)脹結(jié)束后節(jié)點(diǎn)的距離，即Ai和Di，將數(shù)據(jù)代入式(1)，計(jì)算得出該參數(shù)下板料內(nèi)凹底處的貼模性ω為75%，說明貼模性較好，與圖9中的成形效果圖相對(duì)應(yīng)。

圖9 貼模性云圖及預(yù)脹效果圖Fig.9 Patterning nephogram

分析不同預(yù)脹高度和預(yù)脹壓力所對(duì)應(yīng)的貼模性，同一預(yù)脹壓力下，貼模性均呈現(xiàn)先快速增強(qiáng)后緩慢減弱的趨勢(shì)。在預(yù)脹高度較小的情況下，隨著預(yù)脹壓力的增加貼模性快速增加。但是當(dāng)預(yù)脹高度足夠高時(shí)，短時(shí)間內(nèi)凸模無法下行至與板料接觸的位置，相對(duì)貼模性并無法得到增強(qiáng)，反而會(huì)因?yàn)轭A(yù)脹高度的過大而有所減弱。

2 主動(dòng)周向加壓充液拉深工藝數(shù)值模擬

2.1 主動(dòng)周向加壓充液拉深原理

主動(dòng)周向加壓充液拉深成形工藝的原理如圖10所示，在傳統(tǒng)充液拉深的基礎(chǔ)上，在板料法蘭區(qū)外緣施加周向壓應(yīng)力Pr，其中主動(dòng)周向液體壓力Pr是獨(dú)立于液室壓力Pc并輔以其對(duì)板料的拉深成形。液室壓力與徑向壓力分別由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)在周向上起到對(duì)板料的推動(dòng)作用，徑向上起到對(duì)板料的承載作用。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的周向壓力，使用定間隙壓邊圈。

圖10 主動(dòng)周向加壓充液拉深工藝Fig.10 Active Radial Pressure Filling Drawing Process

2.2 周向壓力的施加方法

本研究采用在法蘭邊緣施加節(jié)點(diǎn)力的方法來實(shí)現(xiàn)周向壓力的加載。根據(jù)有限元模擬的思想是離散化思想，將一個(gè)整體離散為不同的單元，單元之間用節(jié)點(diǎn)相連接，因此用周向節(jié)點(diǎn)力代替周向壓力施加在板料的邊緣節(jié)點(diǎn)上，可以等效實(shí)際生產(chǎn)中施加周向壓力的作用，以此來解決有限元?dú)んw沒有厚度無法直接周向加壓的問題。

可根據(jù)式(2)計(jì)算出總的周向力，有限元模型中節(jié)點(diǎn)力和周向壓力之間的關(guān)系為：

(2)

其中：f為法蘭外緣節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力；Pr為周向壓力；法蘭外緣節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力；t為坯料厚度；D為法蘭外緣直周；n為板料外緣節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.3 主動(dòng)周向加壓充液拉深成形加載路徑的選取

針對(duì)內(nèi)凹底盒形件底部不易成形的特點(diǎn)，在液室壓力加載初期對(duì)板料進(jìn)行預(yù)脹，從而能很好地保證內(nèi)凹底處的成形效果。根據(jù)內(nèi)凹底處的特點(diǎn)經(jīng)過反復(fù)模擬和分析對(duì)比，最終可知，在預(yù)脹時(shí)間為0.001 s，預(yù)脹高度6 mm，預(yù)脹壓力14 MPa和液室壓力35 MPa的情況下，內(nèi)凹底盒形件成形情況最佳。在上述成形結(jié)果的條件下又設(shè)計(jì)了4種周向壓力值，此時(shí)周向壓力的加載時(shí)間從0 s開始至0.006 s結(jié)束，周向壓力分別為10、15、20和25 MPa，與此對(duì)應(yīng)的不同形狀板料的節(jié)點(diǎn)力大小如表2所示。

表2 不同周向壓力下不同形狀板料節(jié)點(diǎn)力/NTab.2 The nodal force of different shape sheets under different rim pressures/N

2.4 主動(dòng)周向加壓對(duì)零件壁厚分布的影響

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，在周向壓力作用下，3種形狀板料成形的零件壁厚都有所增加。其中圓形切弓形板料在預(yù)脹高度為6 mm，預(yù)脹壓力為14 MPa，液室壓力35 MPa，周向壓力為25 MPa時(shí)成形效果較好，減薄率控制在25%以內(nèi)達(dá)到零件的使用要求。成形極限圖及壁厚分布圖如下。

圖11 成形極限圖及壁厚分布圖Fig.11 Wall Thickness Distribution Map

通過筒形件不同位置的節(jié)點(diǎn)繪制出如圖14所示的曲線，就可以快速準(zhǔn)確得知每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的壁厚值，因此可以得出不同周向壓力對(duì)成形件壁厚分布的影響規(guī)律。由圖12可以看出，隨著周向壓力的增大，對(duì)角線上的盒型件直壁處壁厚不變點(diǎn)的位置逐漸下移，即板料的壁厚減薄區(qū)域在逐漸減小，如圖12(a)中方框小圖。根據(jù)得到對(duì)角線處的壁厚值，對(duì)比分析可知，周向壓力有效減弱了盒形件拉深過程中的拉應(yīng)力，使得直壁區(qū)壁厚減薄程度較小，圖12(b)同樣因?yàn)橹芟驂毫Φ淖饔冒辶戏ㄌm區(qū)的厚度有明顯得增厚。

圖12 對(duì)角線測(cè)量點(diǎn)及壁厚分布圖Fig.12 Measurement point and wall thickness distribution of diagonal

如圖13(a)所示從圖中可以看出，與筒形件規(guī)則的壁厚分界圓不同，盒形件圓角區(qū)域和直邊部分的壁厚為1 mm的等值線靠近工件下方，而在兩者交界的區(qū)域該等值線相對(duì)靠近工件上方口部。為了更加清晰地分析周向壓力對(duì)不同形狀板料成形壁厚為1 mm的等值線的影響，在數(shù)值模擬軟件中將最終的壁厚情況映射到原始板料上，如圖13(b)從中可以直觀地得出其影響規(guī)律。

圖13 圓形板料成形時(shí)內(nèi)凹底盒形件壁厚不變線Fig.13 The wall thickness invariant line of the concave bottom box when the shape is circular

在圓形板料中，如圖14(a)所示，隨著周向壓力的增大，壁厚為1 mm的等值線明顯地向內(nèi)縮小，圓形切弓形狀板料在成形盒形件時(shí)周向壓力對(duì)其的影響較為明顯，隨著周向壓力的增加，等值線規(guī)則地向內(nèi)縮小，該形狀板料成形盒形件時(shí)壁厚不變線更加靠近盒形件底部；周向壓力的增加可以有效抑制工件壁厚的減薄，提高工件壁厚分布的均勻性，尤其對(duì)于盒形件的圓角區(qū)域，能明顯減緩破裂缺陷的趨勢(shì)。

圖14 不同周向壓力下壁厚等值線Fig.14 Wall thickness contours under different radial pressures

3 結(jié) 論

1)預(yù)脹高度和預(yù)脹壓力的匹配關(guān)系對(duì)盒形件內(nèi)凹底部分的成形產(chǎn)生影響。預(yù)脹高度和預(yù)脹壓力太小，內(nèi)凹底圓角處出現(xiàn)破裂；預(yù)脹高度和預(yù)脹壓力太大，使板料有大幅度的脹起，又因?yàn)閴哼吶Φ淖璧K作用，板料產(chǎn)生拉裂；減薄最嚴(yán)重的區(qū)域集中在內(nèi)凹底頂部。

2)提出了貼模性的表征方法。通過預(yù)脹工藝的數(shù)值模擬，結(jié)果顯示：合理的預(yù)脹高度和預(yù)脹壓力匹配關(guān)系能夠提高內(nèi)凹底處的貼模性。預(yù)脹高度為6 mm，預(yù)脹壓力為14 MPa，內(nèi)凹底處的貼模性ω為75%，貼模性較好。

3)隨著液室壓力的增加，凸模圓角處的破裂趨勢(shì)逐漸消失，棱邊轉(zhuǎn)角底部的最小壁厚值逐漸增大，而內(nèi)凹底頂部的最小壁厚值則逐漸減小。最終確定預(yù)脹時(shí)間0.001 s，預(yù)脹高度6 mm，預(yù)脹壓力14 MPa，后續(xù)液室壓力35 MPa為合理的液室壓力加載路徑。

4)提出了一種局部坐標(biāo)系加載周向壓力數(shù)值模擬方法。通過施加周向加壓有效的減緩了危險(xiǎn)點(diǎn)的拉應(yīng)力，有效的抑制了板料壁厚減薄，使破裂危險(xiǎn)區(qū)壁厚值增加。