鋁合金薄壁波紋板充液成形工藝研究

孔德帥，郎利輝，孫志瑩，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）

鋁合金波紋板因質量輕、具有一定的承載能力，同時也是一種性能良好的吸能原件［1］，因此在航空結構件中廣泛應用，但是鋁合金塑性差，延伸率低，在成形過程中常出現開裂缺陷。傳統的鋁合金波紋板常采用特種壓力加工方式即爆炸成形，爆炸成形受到場地、工作條件、工作環境等因素的限制，而且對真空度的要求較高，否則加工零件會出現燒傷、反鼓現象。充液成形工藝是一種利用柔性的液體介質替代部分傳統剛性模具，使坯料在高壓液體的作用下按照預先設計的輪廓發生塑性變形從而成形出所需零件的先進成形方法。板材充液成形技術主要分為兩種［2］:主動式和被動式，被動式充液成形即充液拉深。主動式板材充液成形是以液壓作為主驅動力使坯料變形，坯料法蘭逐漸流入凹模/凸模，最終在高壓作用下使坯料貼模，零件尺寸靠模具型面來保證。這一成形方法可以控制壓邊力使坯料產生拉-脹成形，應變硬化可提高曲面薄殼零件的剛性、壓曲抗力和抗沖擊能力，因此它非常適于鋁合金和高強鋼等輕合金板料形狀復雜（特別是局部帶有小圓角）、深度較小零件的成形。

隨著鋁合金等輕質材料在充液成形中的應用，對鋁合金變形的研究變得更為迫切。郎利輝［3］對周向加壓的充液拉深工藝進行了研究，優化了工藝參數，給出了周向壓力的施加方法，并獲得了材料Al1050-H0拉深比為3.11的筒形件;Huseyin等人［4］通過優化壓邊法蘭拉延筋的尺寸和反脹壓力等，將鋁合金AA5754-O的拉深比從2.65提高到了2.787，提高了4.15%。Meng.B等人［5］對復雜型面不銹鋼充液成形過程中的破裂、起皺等失效形式進行了研究，探討了內壓力、拉延筋等工藝參數對失效的影響規律，指出內壓力的加載曲線應與板料的非接觸區域的變化趨勢相協調;Jager等人［6］進行了板材充液熱拉深研究，指出流體溫度在220～250℃范圍內時，流體溫度對等效應變的影響是較小的，隨著凸模溫度的增加，凸模接觸區域的等效應變也隨之增加。上述文獻對板材充液拉深即被動式充液成形進行了深入的創新和拓展，并未對鋁合金的板材的主動式充液成形技術進行深入的研究。文中對鋁合金薄壁波紋板主動式充液成形過程中的應力狀態進行了分析，提出一種雙面脹形的充液成形的新方法，以解決破裂問題。

1 零件特征及材料

圖1為要成形的波紋板的三維模型，圖2為波紋截面特征及尺寸。零件壁厚僅有0.5 mm，波紋分布密集，采用主動式充液成形方法時該零件的膨脹率約為10.8%。所使用的材料為鋁合金2024-O。通過單向拉伸實驗得到力學性能如下:屈服強度為65.67 MPa，抗拉強度為 178.64 MPa，應變強化系數為323.25 MPa，應變強化指數為0.208，厚向異性指數為0.718。

圖1 波紋板數模Fig.1 Corrugated sheet model

圖2 截面尺寸Fig.2 Sectional dimension

2 充液成形工藝過程分析

2.1 零件變形狀態分析

根據零件的特征采用主動式充液成形。為了簡化分析，選擇一個典型的波紋單元作為研究對象，板材在成形過程中的貼模順序如3圖所示。其過程可分為3個階段，板料沿凸模下側圓角處的彎曲階段（圖2a—b）、板料波紋區域的自由脹形階段（圖2b—c）和板料的上圓角填充階段（圖2d—e）。

圖3 波紋單元變形過程Fig.3 Deformation process of a corrugation unit

考慮到零件特征的一致性和對稱性，為了便于對比分析，將一個典型的波紋板單元分為5個區域，如圖4所示。

圖4 典型波紋單元Fig.4 Typical corrugated unit

2.2 充液成形工藝設計

考慮到零件特征和變形規律，列舉了3種成形方案:方案a先彎曲成形圓角R3.5，然后再對圓角R8進行填充，如圖5a所示;方案b先彎曲成形圓角R8，再對圓角R3.5進行填充，如圖5b所示;方案c先利用預成形模具在較小的壓力下成形出R8的圓角，然后將預成形后的板料翻轉180°放入整形模具中，整形出R3.5圓角，如圖5c所示。

圖5 3種成形方案示意Fig.5 Schematic of the three forming schemes

在充液成形圓角填充的過程中所需的整形壓力［7］:

根據式（1）估算出方案a所需的成形壓力為7.5 MPa，方案b所需的成形壓力為17.3 MPa，考慮到板料面積，方案b對設備噸位的要求遠遠超過現有設備。方案c在現有設備能力基礎上，預成形使用8 MPa，整形壓力為6 MPa。

3 雙面脹形主動式充液成形方法

方案b的成形過程中對設備噸位的需求大于現有實驗設備的能力，因此不予考慮。為了對比a和c兩種方案的優劣，利用有限元分析模擬波紋板的成形過程。為了方便對比，模擬過程方案a和c采用相同的尺寸和相同大小的網格。在分析結果中選取對應圖4中的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ區域的單元如圖6所示。其中方案a選取的單元記為 A，B，C，D，E，方案 c選取的單元記為 A1，B1，C1，D1，E1。獲取成形過程的等效應變的變化趨勢，如圖7和圖8所示。

圖6 波紋單元各區域有限元網格Fig.6 The finite element meshes of different regions on corrugated unit

圖7 方案a成形過程中各區域等效應變變化曲線Fig.7 Effective strain variation curves of different regions in the forming process of scheme a

由圖7可以看出，方案a的單元 B在0.015～0.02 s（即2～4 MPa）區間急劇減薄，這是由于板料在內壓力的作用下開始沿著模具的下圓角彎曲，板料受到拉力和彎曲應力的綜合作用開始急劇減薄，出現破裂現象。而其他單元變形則比較均勻，最大等效應變在0.15左右。方案c（圖8）在0～0.025 s之間是預成形階段，0.025～0.045 s是整形階段，預成形階段單元B1處于彎曲區域，在壓力升至4 MPa后，B單元的變形程度最大，由于相對彎曲半徑較大，最大等效應變只有0.18。整形過程中，由于預成形變形和網格大小的影響，使單元E1和C1從彎曲到復直，產生較大的變形。也可以看出方案c的變形更加均勻。

圖9列出了各單元在2種成形方案下的等效應變的變化情況?？梢钥闯龇桨竎有效地提高了單元B1，C1，E1（即Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ區域）的變形，其等效應變分別提高79%，33%，124%，降低了方案a破裂危險區域Ⅳ的變形，等效應變降低61%。使波紋各部分變形更趨于平均，等效應變量在0.15至0.21左右，有效地提高了變形能力，避免了局部過度變形產生破裂缺陷。

圖8 方案c充液成形各區域等效應變曲線Fig.8 Effective strain variation curves of different regions in the new hydroforming process of scheme c

圖9 2種成形方案成形過程各區域等效應變對比Fig.9 Comparison of equivalent strain between two different forming processes on different regions

圖10 測點分布Fig.10 Distribution of measuring points

圖11 試驗和有限元模擬獲得的壁厚分布曲線Fig.11 Wall thickness distribution curves obtained by experiments and FEM simulation

通過對方案c的數值模擬，獲取最優的工藝參數如下:預成形凸凹模間隙為0.65 mm，成形壓力為8 MPa，充液整形凸凹模間隙為0.65 mm，成形壓力為6 MPa。利用優化的參數獲取的合格零件如圖12所示。為了驗證有限元模擬和試驗的一致性，對一個典型截面進行剖切測量厚度，測點分布如圖10所示，從圖11中可以看出試驗獲得的零件壁厚分布和有限元模擬獲得的數值基本一致。方案c獲取的合格零件如圖12所示。

圖12 方案c獲取的合格零件Fig.12 Qualified part formed by scheme（c）

4 結語

通過有限元模擬和試驗驗證，對鋁合金波紋板主動式充液成形工藝進行了研究，獲得如下結論。

1）對于薄壁鋁合金波紋板這類淺拉深大變形復雜形狀的零件，適合主動式充液成形方法。

2）雙面脹形充液成形方法能充分發揮材料的變形能力，使波紋板的各部分的形變趨于平均，有效地避免破裂失效。

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