2A16鋁合金錐形件多級充液熱成形仿真及優化分析

楊希英，郎利輝，郭禪，王永銘

（1.北京航空航天大學，北京100191;2.首都航天機械公司，北京 100076）

在航空、航天及汽車制造領域，通過使用輕質材料實現結構輕量化已成現代工業發展的趨勢［1］。然而，在常溫下，鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質材料的成形性較差，制約了其進一步應用［2］。板材充液熱成形技術兼具常溫下板材充液成形和板材溫熱成形的雙重優點，能顯著提高材料的成形性能，實現復雜零件的整體成形，保證成形質量、精度以及達到產品輕量化的要求［3—7］。該技術是將加熱到一定溫度的流體介質充入到經過預熱的模具型腔中，通過加熱和冷卻系統將模具和流體介質的溫度控制在一定范圍內，使板材能在溫熱狀態下按照設計的加載路徑成形［8］。

錐形件是一類典型的軸對稱零件，在其成形過程中易出現斷裂、起皺等缺陷［9—11］。落壓等常規工藝成形鋁合金錐形件，具有廢品率高、精度低、道次多、效率低等缺陷［12］?；谝陨显?，針對2A16鋁合金錐形件充液熱成形，文中提出了不同的工藝方案，并分別進行了數值仿真分析，討論工藝參數對零件成形及質量控制的影響，最終獲得了較優化的成形方案。

1 零件概述

1.1 零件幾何特征

文中研究的錐形件形狀尺寸如圖1所示，端部口徑φ296.5 mm，底部直徑 φ67.3 mm，高 173.6 mm，底部圓角R20 mm，壁厚為1.2 mm，傾斜錐角為43°，具有相對高度大、壁厚薄、懸空區易起皺、底部易拉裂等特點，難以采用常規沖壓成形。

圖1 零件形狀及尺寸Fig.1 The shape and size of the part

1.2 材料參數

該零件所用材料為2A16-O鋁合金，板料厚度為1.2 mm。材料力學性能采用單向拉伸測試獲得，測試溫度取3個特征點:20，210，300℃，應力應變曲線如圖2所示。在本文數值仿真過程中，應用210℃，v=1.5 mm/min應力應變曲線進行分析［13］。

圖2 2A16鋁合金應力應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of 2A16 aluminum alloy

2 工藝分析

2A16鋁合金材料在常溫下的成形性較差，導致該錐形件采用常溫充液成形亦難以成形，故采用充液熱成形試制2A16鋁合金錐形件。

根據該典型零件的特征，提出一步成形及兩步成形方案。其中兩步成形方案包括2種預成形凸模設計:①預成形凸模采用近終成形的圓弧過渡形狀，如圖3a所示;②預成形凸模為圓筒形，如圖3b所示。

圖3 預成形凸模設計方案Fig.3 Design scheme of pre-forming punch

3 數值仿真

選用板料成形CAE專用軟件Dynaform對充液熱成形過程進行有限元模擬［14］。模型中的凸、凹模及壓邊圈被視為剛性體，采用剛性四邊形單元進行網格劃分，坯料網格劃分采用4節點Belytschko-Tsay殼單元［15］。在溢流潤滑作用下，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。根據單向拉伸試驗數據設置材料參數，凸模下行速度設置為4000 mm/s。利用軟件自帶求解器MSTEP進行坯料反算，并考慮修邊余量及后續模擬迭代結果進行完善，最終確定為直徑D140 mm的圓坯料。

3.1 一步成形

錐形件成形中的缺陷主要包括:前期凸模圓角處的破裂、中期懸空區的起皺及后期凹模圓角處的破裂。在凸模與板料間預留反脹高度并增加反脹階段，可以降低前期破裂可能，調整中后期液室壓力加載路徑可以降低中期起皺及后期破裂可能。對錐形件進行一步成形工藝分析及仿真優化，最終獲得零件減薄分布云圖如圖4所示。

圖4 零件減薄分布云圖（%）Fig.4 Cloud chart of part thinning distribution

一步成形模擬結果減薄率在50%左右，凸模下行40～50 mm處時，零件即產生破裂，無法成形。使用2A16鋁合金板材進行充液熱成形實驗，改變壓邊間隙、反脹壓力坯料尺寸均無法成形零件，零件破裂位置與數值模擬結果一致，均為凸模圓角處。圖5為成形過程中的2種常見缺陷。

圖5 一步成形中的常見缺陷Fig.5 Common defects in one-step warm hydroforming

3.2 兩步成形

3.2.1 第一種方案

預成形壓邊間隙為1.3 mm，反脹高度為25 mm，液室壓力加載曲線如圖6所示。從圖7可知，在反脹結束后凸模下行初期，板料存在減薄率突變過程。該現象是由于板料未與凸模形成有益摩擦導致。隨著凸模下行，板料在液室壓力的作用下，貼在凸模表面，可以有效降低繼續減薄程度。預成形零件最終減薄率為10.55%，如圖8所示。

終成形壓邊間隙為1.32 mm，凸模初始位置為與預成形零件底部接觸，在凸模下行5 mm時，液室壓力按照圖9所示曲線進行加載。零件最大減薄率為11.33%，云圖如圖10所示。從圖11可知，雖然該成形方案可以保證零件不發生破裂，但在零件法蘭以下30～55 mm處的懸空區，零件具有明顯的起皺趨勢。

圖6 預成形階段液室壓力-時間曲線（方案一）Fig.6 Pressure loading vs time curve during the preforming process（scheme 1）

圖7 預成形階段減薄率突變云圖（方案一）（%）Fig.7 Cloud chart of thinning rate mutation during preforming（scheme 1）

圖8 預成形零件減薄率云圖（方案一）（%）Fig.8 Cloud chart of thinning rate of the preformed part（scheme 1）

圖9 終成形階段液室壓力-時間曲線（方案一）Fig.9 Pressure loading vs time curve in final forming（scheme 1）

圖10 零件減薄率分布云圖（方案一）（%）Fig.10 Cloud chart of thinning rate distribution of the part（scheme 1）

圖11 仿真結果FLD圖（方案一）Fig.11 The simulation results of FLD（scheme 1）

圖12 零件減薄率分布云圖（方案二）（%）Fig.12 Cloud chart of thinning rate distribution（scheme 2）

3.2.2 第二種方案

預成形為常規熱沖壓成形，壓邊間隙設置為1.25 mm，仿真結果如圖12所示，最大減薄率為1.66%，可知預成形變形量很小，對整個成形工藝影響不大。

終成形壓邊間隙為1.3 mm，反脹高度設置為15 mm，液室壓力加載曲線如圖13所示。零件最大減薄率為12.1%，可以保證零件不發生破裂，零件減薄率分布云圖如圖14所示。從仿真結果FLD圖（圖15）可知，在該成形方案下，成形后零件大部分表面貼膜效果良好，雖然在零件法蘭以下30～50 mm處的懸空區，同樣具有起皺趨勢，但并不明顯，可以通過后續整形進行消除。

圖13 預成型階段液室壓力-時間曲線（方案二）Fig.13 Pressure loading vs time curve during preforming（scheme 2）

圖14 零件減薄率分布云圖（方案二）（%）Fig.14 Cloud chart of thinning rate distribution of the part（scheme 2）

圖15 仿真結果FLD圖（方案二）Fig.15 The simulation results of FLD（scheme 2）

4 結語

1）對于2A16鋁合金錐形件，采用一步充液熱成形工藝，結合仿真分析和實驗驗證可知，在凸模行程至50 mm處即產生破裂，無法得到最終零件。

2）對文中兩步成形方案，由仿真優化結果可知，2種方案均可成形出最終零件，但第1種方案易在懸空區產生起皺缺陷。為保證零件成形精度及貼模度，最終確定第2種成形方案用于2A16鋁合金錐形件的成形。

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