混合器殼體充液成形研究

□ 何立萍 □ 李又春 □ 陳 偉

中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 工程技術(shù)部 湖南株洲 412002

充液成形技術(shù)在國外早已成熟應(yīng)用，尤其適合于薄壁錐形件、大圓角筒形件的拉伸成形。為了適應(yīng)航空發(fā)動機(jī)研制技術(shù)的需要，以火焰筒混合器殼體新材料應(yīng)用為契機(jī)，開展了在普通液壓機(jī)上進(jìn)行穩(wěn)定、快速充液成形技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 零件結(jié)構(gòu)簡要介紹

混合器殼體示意圖如圖1所示，沿周邊有多處沖孔、局部成形結(jié)構(gòu)。該零件為薄壁拉伸成形件，料厚0．8mm，形狀為鼓形，中間大兩頭小，只能采用拉伸成形后收口或脹形的工藝。本文主要研究該零件充液拉伸成形工藝。

2 混合器殼體充液成形現(xiàn)狀

混合器殼體拉伸毛坯如圖2所示。毛坯為大小圓角連接的復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)，板厚僅為0．8mm。如采用硬模一次拉伸成形，則型面容易出現(xiàn)起皺；如加大壓邊力，則可能產(chǎn)生破裂。因此適宜采用充液成形工藝進(jìn)行拉伸成形，成形設(shè)備為三動液壓成形機(jī)，零件采用充液拉伸一次成形。圖3為混合器殼體成形模具示意圖。

▲圖1 混合器殼體示意圖

▲圖2 充液成形毛坯示意圖

▲圖3 混合器殼體充液拉伸模示意圖

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)該成形模具存在如下問題。

（1）液壓室壓力通過溢流閥手動調(diào)節(jié)，因旋軸開啟位置不明確，不能快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)所需液壓室壓力，在液壓室壓力調(diào)節(jié)過程中每批要報(bào)廢1～2件；

（2）模具密封圈置于毛坯下表面靠凹模口部，密封圈外側(cè)毛坯不能得到液體強(qiáng)制潤滑，且毛坯材料易向密封圈一側(cè)突出，不利于材料流動及表面質(zhì)量提高，密封圈也容易被損壞。

3 充液成形模具改進(jìn)

隨著發(fā)動機(jī)性能要求的提高及材料技術(shù)的發(fā)展，混合器殼體擬應(yīng)用國內(nèi)首次研制的新材料。由于其拉伸性能尚不清楚，采用新材料的混合器殼體擬參照原有工藝及模具在普通液壓機(jī)上采用充液拉伸成形。

為確保新材料的應(yīng)用并一次拉伸成功，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，必須對原有模具存在的問題進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

3.1 模具結(jié)構(gòu)、工作原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

改進(jìn)后的混合器殼體拉伸模具如圖4所示，模具工作原理：首先，頂桿、頂塊退下，在液壓缸內(nèi)注滿油并與凹模上表面齊平，將毛坯置于凹模上；然后，壓邊滑塊帶動上模板及壓邊圈下行，將毛坯壓緊；最后，主滑塊帶動沖頭下壓，完成拉伸過程。拉伸過程中通過調(diào)節(jié)溢流閥，確定合適的液壓參數(shù)。

▲圖4 充液拉伸模示意圖

模具設(shè)計(jì)主要要點(diǎn)如下。

（1）拉伸過程中，毛坯、壓邊圈、凹模、液壓缸、溢流閥、頂桿形成一個(gè)封閉的腔，在沖頭下壓過程中，建立高壓液壓室，在高壓作用下將材料貼向沖頭，從而代替普通剛性凹模。

（2）由于底部圓角只有R0.8mm，所需液壓力很大，為保證該尺寸要求，設(shè)置頂塊與沖頭最后剛性接觸成形。

（3）密封腔各結(jié)合面通過密封圈密封，壓邊圈與凹模間的密封圈置于毛坯外圈，在拉伸過程中毛坯與凹模表面能得到強(qiáng)制潤滑，從而避免零件表面拉溝及減少凹模磨損，提高模具使用壽命。

（4）液壓室中的液壓油通過人工加入，液壓室壓力大小通過溢流閥調(diào)節(jié)，溢流閥前端裝壓力表，從而可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)壓力大小，因而該結(jié)構(gòu)模具可在普通雙動或三動液壓機(jī)上進(jìn)行充液拉伸。

（5）法蘭部位采用限位壓邊，限位高度為0.9+00.1mm，在壓邊力調(diào)節(jié)時(shí)，可以采用最大壓邊力，確保可靠壓邊。

3.2 模具創(chuàng)新點(diǎn)

與原成形模具相比，主要增加了溢流閥調(diào)節(jié)刻度盤（詳見圖5），并加裝100MPa的液壓室壓力表，同時(shí)將密封圈從毛坯下表面移至外圈及采用限位壓邊。

采用激光刻線加工一個(gè)刻度盤固定在閥門上，旋軸上裝一指針，記錄調(diào)整到位后的指針位置，后續(xù)加工時(shí)，液壓室壓力基本可一次調(diào)整到位，克服了液壓室壓力調(diào)節(jié)的盲目性。

▲圖5 液壓室壓力調(diào)節(jié)裝置原理圖

▲圖6 調(diào)節(jié)裝置實(shí)物圖片

模具密封圈改在毛坯外側(cè)，依靠材料的增厚達(dá)到充液成形的密封要求，避免了拉伸過程中凸緣材料向一側(cè)突出的情況，且在成形后期液壓室內(nèi)的高壓液體從法蘭流出，毛坯在凹模圓角及法蘭部分處于流體潤滑狀態(tài)，減小了不利摩擦，有利于提高成形極限。

4 數(shù)值模擬

為確定合適的拉伸成形參數(shù)，用Eta/Dynaform軟件對成形過程進(jìn)行了模擬分析，以對成形工藝及模具參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)公司800t雙動壓力機(jī)及模具結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，液壓室壓力最大約為23MPa，因此數(shù)值模擬最初設(shè)定的液壓室壓力為23MPa，并設(shè)定摩擦因數(shù)條件：沖頭與板料為0．15，凹模與板料及壓邊圈與板料均為0．05。模擬結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，零件圓角部位有輕微波紋，材料變薄率不到9%。

為消除波紋，將液壓室壓力加大到40MPa，模擬結(jié)果如圖8所示。零件圓角部位仍有輕微波紋，材料變薄率約23%。

由圖7、圖8可以看出，液壓室壓力23MPa與液壓室壓力40MPa相比，零件表面起皺沒有明顯差別（波紋稍嚴(yán)重），但材料變薄量小得多。

從模擬結(jié)果來看，液壓室壓力23MPa已基本能滿足零件質(zhì)量要求，該液壓成形工藝方案應(yīng)基本可行。

5 拉伸試驗(yàn)

首次試驗(yàn)所用設(shè)備為450t雙動液壓機(jī)，壓邊力最大1800kN。毛坯直徑為450mm，零件外徑305 mm。因此液壓室可建立最大壓力為：

P=1800×103/[π（4502-3052）/4]≈21MPa

試驗(yàn)設(shè)備壓邊力不能直接顯示，只顯示壓邊缸壓力表讀數(shù)。根據(jù)油缸直徑為180mm，將壓邊缸壓力調(diào)為18MPa時(shí)，壓邊力為1832kN。

▲圖7 液室壓力23MPa模擬成形效果圖

▲圖8 液室壓力40MPa模擬成形效果圖

首次試驗(yàn)情況見表1。由于液壓室壓力無法一次準(zhǔn)確調(diào)節(jié)到位，在首次拉伸時(shí)液壓室壓力沒有顯示，零件在R68．8mm處出現(xiàn)起皺，加大液壓室壓力到約20MPa，則在直壁部位出現(xiàn)破裂 （R68．8mm處仍有輕微起皺）。在進(jìn)行液壓室壓力調(diào)節(jié)過程中，先后連續(xù)出現(xiàn)9件廢品 （起皺或破裂），為此，用WZ8混合器殼體成形材料GH188進(jìn)行了對比試驗(yàn)，在液室壓力約20MPa的條件下，用GH188材料可一次拉伸成功，這說明新材料的成形性能比GH188的成形性能要差。

表1 首次試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)

6 改進(jìn)試驗(yàn)

由于加大液壓室壓力后直壁部位出現(xiàn)了破裂，說明法蘭部位材料流動阻力很大。為此將凹模圓角尺寸R4mm改為R6mm，以增強(qiáng)材料流動性；同時(shí)將壓邊間隙 0．9+00．1mm 改為 0．9±0．02mm （比料厚 0．8mm 稍大），減小法蘭邊在最初拉伸時(shí)的起皺程度，同時(shí)零件成形改在三動液壓機(jī)上進(jìn)行，液壓室壓力可以增加到23MPa，有利于減小起皺。修改參數(shù)后的試驗(yàn)情況見表2，通過這些措施基本實(shí)現(xiàn)了零件的一次拉伸成形。

圖9為車削加工后混合器殼體拉伸實(shí)物圖片。

▲圖9 車削加工后混合器殼體拉伸實(shí)物圖片

表2 修改模具參數(shù)后試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)論

從表2可以看出，確定好成形參數(shù)后，零件拉伸成形合格率達(dá)到了100%，廢品是在壓力調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生。該混合器殼體目前已生產(chǎn)交付多批，合格率100%。

［1］ 羅益旋.最新沖壓新工藝新技術(shù)及模具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊［M］.長春：吉林出版發(fā)行集團(tuán)，2004.

［2］ 湖南省機(jī)械工程學(xué)會鍛壓分會主編.沖壓工藝［M］.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

［3］ 顏鳴皋主編，中國航空材料手冊［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.