2024鋁合金難成形高錐盒形件充液成形數值模擬

丁少行，郎利輝，黃磊

(1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191;2.西安嘉業精密制造有限公司，西安 710089)

近幾年，我國航空航天、高鐵、汽車等行業蓬勃發展，隨著機械結構向多功能化、整體化和復雜化發展，大量復雜難成形薄壁板材零件被廣泛應用。錐盒形件是一類典型的非軸對稱零件，在其成形過程中，坯料各部分應力、應變分布很不均勻，以致其成形難度較大，易在成形過程中出現起皺、破裂等缺陷。鋁合金錐盒形件常規成形工藝是落壓，具有精度低、廢品率高、疲勞性能差、道次多、工作環境惡劣等缺陷，急需新的制造工藝[1—5]。

鋁合金材料因具有密度小、比強度高、耐腐蝕等優點，已在國民生產中得到了廣泛應用，但與一般材料相比(如不銹鋼)，其塑性低、成形性能差，用傳統成形方法成形鋁合金材料零件難度大、效率低[6—9]。

充液成形是利用液體壓力使板材成形的一種塑性加工工藝。近年來，由于新材料和復雜形狀零件的大量出現，橡皮囊成形、液壓機械拉深、充液拉深和周向液壓充液拉深等技術得到了廣泛研究與應用。與傳統拉深方法相比，充液拉深方法具有凸模部位的“摩擦保持”效果以及法蘭部位的“流體潤滑”效果，可提高成形極限、零件尺寸和表面精度，抑制起皺、簡化模具、節省成本和提高生產效率等[10—16]。文中對2024鋁合金難成形高錐盒形件充液成形過程進行了數值模擬分析，并對工藝進行了改進，獲得了較優的成形方案。

1 零件外形尺寸和材料

圖1 零件外形尺寸Fig.1 The shape and size of the part

研究的高錐盒形件外形尺寸如圖1所示，長281 mm，寬217 mm，高95 mm，壁厚2 mm，在長度和寬度方向上帶有不同的錐度，具有深度高、錐度大、壁厚薄等特點，其主要的成形缺陷是懸空區起皺和底部圓角破裂。所用材料是2024鋁合金，用途較廣，力學性能參數:屈服強度為75 MPa，抗拉強度為180 MPa，應變強化系數 K為302.5 MPa，應變硬化指數 n為0.195，厚向異性指數 r為0.88。

2 充液成形工藝分析

根據流體作用方式的不同，板材充液成形分為主動式充液成形和被動式充液成形[16]，2種方式最大的區別是流體作用位置不同。

將板料放在凹模上表面，合模壓邊并注入流體，液體壓力使坯料貼向凹模而成形，所成形零件尺寸由凹模形狀決定，這是主動式充液成形，如圖2a所示。主動式充液成形過程比較簡單，采用流體作為凸模來進行成形，僅僅有凹模，屬于半模成形方法，成形簡單，成本低。

將板料放在液室上表面，閉合壓邊圈，利用凸模將坯料壓入液室，在反向液壓作用下使坯料貼向凸模而成形，所成形零件尺寸由凸模形狀決定，這是被動式充液成形，如圖2b所示。在合適的液室壓力下，液體強行從板料與凹模之間流出，形成“流體潤滑”效果，大大減小流料阻力，提高成形極限;在成形過程中，液室壓力使坯料緊緊貼在凸模上，加大坯料與凸模之間的摩擦力，形成“摩擦保持”效果，有效緩和凸模圓角處徑向拉應力，提高傳力區承載能力;在成形初期抬高凸模，施加液室壓力，使坯料預反脹，可提前補料，減小成形后期產生起皺、破裂等缺陷的趨勢。

圖2 板材充液成形方式Fig.2 Types of sheet hydroforming

嘗試用主動式充液成形和被動式充液成形2種方式分別成形此錐盒形件，比較成形效果。

3 充液成形數值模擬

采用美國ETA公司開發的用于板料成形模擬的專用軟件Dynaform進行有限元模擬。模型中，板材采用4節點BT殼單元進行網格劃分，凸凹模及壓邊圈視為剛性體，采用剛性4節點網格單元進行劃分。充液成形模型中，坯料與凹模、壓邊圈的摩擦因數設置為0.05，與凸模的摩擦因數設置為0.15。

3.1 傳統拉深

傳統拉深一道次成形數值模擬結果如圖3所示，錐盒形件底部圓角處破裂，斜壁轉角處起皺。此錐盒形件較高，在拉深過程中，由于法蘭材料的變形抵抗力、壓邊力產生的摩擦阻力、板料在凹模圓角的摩擦阻力和彎曲抗力等對斜壁傳力區形成很大的拉力，又由于零件錐度較大，板料與凸模之間的貼合不緊密，導致凸模有力摩擦效應對傳力區的緩解作用減小，致使板料與凸模脫離接觸的地方，即底部圓角處破裂。盒形件直壁和轉角處坯料流動速度不同，兩者交界存在較大剪應力，導致斜壁轉角處起皺，大錐度引起的懸空區同樣加大了起皺趨勢。若采用多道次拉深和中間退火，成形過程復雜，廢品率高，零件質量差。

圖3 傳統拉深數值模擬結果Fig.3 Simulation result of traditional deep drawing

3.2 主動式、被動式充液成形

圖4是主動式充液成形數值模擬結果，與傳統拉深相比，零件未出現起皺缺陷，但是底部破裂程度更加嚴重。此錐盒形件較高，板材受液壓脹形并貼向凹模時，首先與凹模四周斜壁相接觸，形成很大的進料摩擦阻力，進一步加大液室壓力時，零件底部由于補料不足接近純脹狀態，破裂趨勢加大。

圖4 主動式充液成形數值模擬結果Fig.4 Simulation result of active hydroforming

圖5是被動式充液成形數值模擬結果，與傳統拉深相比，零件未出現破裂缺陷，但是斜壁轉角處起皺程度依然嚴重。由于“摩擦保持”效果，坯料一旦在液壓作用下貼在凸模上，其進一步減薄程度會比傳統拉深小很多，零件整體厚度分布較均勻，其底部圓角處不再是破裂危險區。

圖5 被動式充液成形數值模擬結果Fig.5 Simulation result of passive hydroforming

3.3 被動式－主動式充液成形

與傳統拉深相比，主動式充液成形雖破裂但不起皺，被動式充液成形雖起皺但不破裂，若綜合2種成形方式可兼兩者長處，取長補短。首先，由被動式充液成形進行預成形，如圖6所示;然后，由主動式充液成形進行終成形，如圖7所示，稱這種方式為被動式－主動式充液成形。

被動式充液成形預成形為主動式充液成形終成形儲料，避免因補料不足而導致底部成形后期發生破裂，如圖8所示，可知零件在轉角處依然有皺，此皺在終成形中被整平。終成形數值模擬結果如圖9所示，零件成形良好，未出現起皺、破裂等缺陷。預成形具有一定的拉深高度，避免了終成形底部圓角的破裂;預成形轉角處褶皺被整平后，相當于為終成形轉角補料，避免了終成形轉角的破裂。

圖6 預成形有限元模型Fig.6 Finite element model of preforming

圖7 終成形有限元模型Fig.7 Finite element model of finishing forming

圖8 預成形數值模擬結果Fig.8 Simulation result of preforming

圖9 終成形數值模擬結果Fig.9 Simulation result of final forming

預成形模具形狀的設計對終成形有很大的影響。若預成形凸模底部圓角是等值，R=15 mm，如圖10a所示，其終成形數值模擬結果如圖10b，c所示，零件在長邊起皺，而且A側起皺程度大于B側。之所以出現這種現象，是因為長邊錐度較大，所需坯料較之短邊少，而預成形凸模拉深時在四周的補料量幾乎均等，導致長邊聚料多而起皺。又由于A側長邊錐度大于B側長邊，因此A側截面線長度小于B側，如圖11所示，A側長邊所需坯料較之B側長邊少，在預成形相同的情況下，致使A側起皺程度大于B側。

圖10 預成形凸模形狀不合理對終成形的影響Fig.10 Effect of the unreasonable shape of preforming punch on the final forming

圖11 長邊截面示意Fig.11 Diagram of the long side section

由以上分析可知，在預成形階段需減少長邊補料量來消除起皺缺陷，而且A側長邊補料量要小于B側長邊。修改預成形凸模底部圓角大小，使A側長邊底部圓角R=40 mm，B側長邊底部圓角R=30 mm，其他底部圓角R=15 mm，如圖12a所示，其終成形數值模擬結果如圖9、圖12b所示，零件未起皺，成形狀況良好。

圖12 預成形凸模形狀合理情況下的終成形結果Fig.12 Final forming results obtained with reasonable shape of preforming punch

4 結語

1)充液成形技術與傳統拉深相比，成形極限高，可成形復雜薄壁零件。

2)以主動式充液成形技術成形高錐盒形件，易發生底部破裂缺陷;以被動式充液成形技術成形高錐盒形件，易發生轉角起皺缺陷。結合被動式充液成形技術和主動式充液成形技術，數值模擬顯示可成功成形2024鋁合金難成形高錐盒形件。

3)預成形形狀對終成形有很大的影響。改變預成形凸模圓角大小，可實現四周補料量的不同。錐度較大的側面需要的補料量較少，需加大該側預成形凸模圓角，以減小補料量。

[1]彭成允，鄒強，李小平，等.基于數值模擬的盒形件拉深成形變拉深筋技術研究[J].精密成形工程，2011，3(4):4—6.PENG Cheng － yun，ZOU Qiang，LI Xiao － ping，et al.Study of Variable Draw Bead Technology for Rectangular Box Drawing Based on Numerical Simulation[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2011，3(4):4—6.

[2]劉欣，徐永超，苑世劍.鋁合金復雜曲面薄壁件液壓成形技術[J].精密成形工程，2010，2(1):42—45.LIU Xin，XU Yong － chao，YUAN Shi－ jian.Hydro －forming for Aluminum Alloy Complex－shaped Components[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2010，2(1):42—45.

[3]楊玉英.盒形件成形機理的探討[J].鍛壓技術，1989(6):13—17.YANG Yu － ying.An Approach on the Forming Mechanism of Square Cups[J].Forging ＆ Stamping Technology，1989(6):13—17.

[4]王永志，楊玉英，金朝海.方盒件拉深法蘭區不均勻流動的模擬分析[J].材料科學與工藝，2004，12(1):99—102.WANG Yong － zhi，YANG Yu － ying，JIN Chao － hai.Simulated Analysis of Uneven Deformation of Flange Metal in Square Cup Deep － drawing[J].Materials Science ＆Technology，2004，12(1):99—102.

[5]邢忠文，楊玉英.盒形件拉深時法蘭變形區的剪應力與剪切變形[J].材料科學與工藝，1993，1(1):82—87.XING Zhong － wen，YANG Yu － ying.Shear Stress and Shear Deformation of the Flange Deformed Area in Box Drawing[J].Materials Science ＆ Technology，1993，1(1):82—87.

[6]LIU Xin，XU Yong － chao，YUAN Shi－ jian.Hydro －forming of Aluminum Alloy Complex－shaped Components[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21:s417—s422.

[7]劉兵，彭超群，王日初，等.大飛機用鋁合金的研究現狀及展望[J].中國有色金屬學報，2010，20(9):1705—1715.LIU Bing，PENG Chao － qun，WANG Ri－ chu，et al.Recent Development and Prospects for Giant Plane Aluminum Alloys[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，20(9):1705—1715.

[8]楊中玉，張津，郭學博，等.鋁合金的織構及測試分析研究進展[J].精密成形工程，2013，5(6):1—6.YANG Zhong － yu，ZHANG Jin，GUO Xue － bo，et al.Research Progress on Aluminum Alloy Texture and Test A-nalysis[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2013，5(6):1—6.

[9]洪慎章.鋁合金液態模鍛的應用及發展[J].精密成形工程，2012，4(3):64—66.HONG Shen － zhang.Application and Development of Liquid Die Forging for the Aluminium Alloy[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2012，4(3):64—66.

[10]ZHANG Shi－ hong，LANG Li－ hui，KANG Da － chang，et al.Hydromechanical Deep － drawing of Aluminum Parabolic Workpieces－Experiments and Numerical Simulation[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2000，40(10):1479—1492.

[11]SIEGERT K，HAUSSERMANN M，LOSCH B，et al.Recent Developments in Hydroforming Technology[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，98(2):251—258.

[12]郎利輝，王永銘，謝亞蘇，等.某鋁合金異形盒形件充液成形坯料形狀優化[J].精密成形工程，2013，5(3):19—23.LANG Li－ hui，WANG Yong － ming，XIE Ya － su，et al.The Blank Optimization of Aluminum Alloy Irregular Box Sheet Hydroforming Process[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2013，5(3):19—23.

[13]郎利輝，謝亞蘇，王永銘.飛機大型復雜雙曲度蒙皮充液成形數值模擬及實驗研究[J].精密成形工程，2011，3(6):112—116.LANG Li－ hui，XIE Ya － su，WANG Yong － ming.Aircraft Large Complex Double Curvature Skin Hydroforming Nu-merical Simulation and Experiment Research[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2011，3(6):112—116.

[14]HARTL C.Research and Advances in Fundamentals and Industrial Applications of Hydroforming[J].Journal of Materials Processing Technology，2005，167(2/3):383—392.

[15]郎利輝，張士宏，康達昌，等.板液壓成形及無模充流拉深技術[J].塑性工程學報，2002，9(4):29—34.LANG Li－ hui，ZHANG Shi－ hong，KANG Da － chang，et al.About Sheet Hydroforming and Hydromechanical Deep Drawing without Draw Die[J].Journal of Plasticity Engineering，2002，9(4):29—34.

[16]中國機械工程學會塑性工程工程學會.鍛壓手冊:第2卷——沖壓[M].北京:機械工業出版社，2008.China Society for Technology of Plasticity，Chinese Mechanical Engineering Society.Forging Handbook:Volume Second－ Stamping[M].Beijing:China Machine Press，2008.