盒形件橡膠隔膜液壓成形工藝研究

甄善鶴，柏玲磊，趙坤民

(合肥工業大學工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009)

盒形件橡膠隔膜液壓成形工藝研究

甄善鶴，柏玲磊，趙坤民

(合肥工業大學工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009)

橡膠隔膜液壓成形是一種新的板料成形方法。本文通過對普通盒形件的液壓成形過程的探究，基于有限元軟件ABAQUS重點分析了不同的液體壓力和不同的預脹壓力等其他成形因素對最終成形質量的影響，并得到了最適宜的液體加載曲線，分析了普通沖壓和液壓成形的減薄量對比，得到了此工藝能提升工件成形質量的結論。

液壓成形；盒形件；ABAQUS；橡膠隔膜；減薄量

液壓成形工藝在板料成形方面具有諸多優點，在成形件質量、曲面復雜程度、材料的成形極限等方面都有著十分顯著的改善和提高。

有限元仿真技術的發展大大促進了板材沖壓成形技術的研究。與傳統做實驗相比，其仿真技術能準確模擬成形過程中的每一個彈塑性變形步驟，因而可準確預測成形缺陷，得到各種成形數據。仿真技術的準確性和合理性已被證實，其成形數據對實際成形的生產實驗具有十分重要的指導作用。

1 橡膠隔膜液壓成形原理

板材液壓成形工藝可分兩種類型：一類是以液體介質代替凹模，被動式的充液拉深工藝；另一類是以液體代替凸模的高壓脹形工藝。本文研究的工藝為在橡皮囊成形工藝基礎上改進的一種高壓脹形工藝，如圖1所示，與普通充液拉深工藝和高壓脹形工藝不同。其一，沒有設置相應的壓邊圈，故與充液拉深相比，此工藝并沒有施加相應的壓邊力，其中大部分壓邊力依靠液壓室內高壓液體的壓力加載獲得，經實驗理論證明是完全可行的。其二，有運動成形的沖頭，故與高壓脹形工藝相比，此工藝零件成形范圍更廣，可以成形更多結構表面復雜的鈑金件。

圖1 橡膠隔膜液壓成形原理簡圖

理論上盒形件成形在變形性質上與筒形件相仿，凸緣變形區分別受到徑向和切向拉、切應力，大致可以分為直邊區域和圓角區域，兩部分的變形情況并非簡單的彎曲和拉深，而是兩者的變形相互影響，影響程度跟圓角的大小和直邊長度的比值有關。一般來說，比值越小影響越顯著(當值為0.25時即為圓筒形件)。即變形區圓角處與直邊處的金屬由于位移不同而誘發的剪應力能降低圓角處傳力區的軸向拉應力，即于變形區直邊處產生拉深變形，減小了圓角處變形區的變形抗力?？紤]到盒形件成形時金屬流動情況更具有普遍性，所以本文對盒形件的液壓成形過程進行了仿真模擬，探究包括液壓室壓力曲線等諸多因素對盒形件的最終成形結果的影響。

2 橡膠隔膜液壓成形的有限元仿真

2.1 模型的建立

采用有限元軟件Abaqus進行直接建模，由于是對稱結構故取四分之一模型進行分析。由實際加工經驗可知，方盒形件的沖壓成形上坯料選擇八邊形板料，矩形和圓形板料在成形時，圓角處的板料流不動，造成四個角起皺甚至出現堆料情況，可視為成形失敗。本人并通過仿真對三種板料進行成形分析，仿真結果完全支持上述實際經驗，為免去不必要的運算，坯料形狀設為八邊形形狀。沖頭和凹模單邊間隙設為1mm，速度設為400mm/s。本文以Q195作為材料，其屈服強度195MPa，抗拉強度315MPa，彈性模量212000MPa，泊松比為0.286，具體力學實驗參數如圖2所示。

圖2 Q195應力應變實驗曲線

利用Abaqus軟件對模型的各個部件進行網格劃分，其中板料網格單元設為S4R降積分單元，平臺以及沖頭設為R3D4剛體單元，考慮到橡膠膜的作用是作為容器盛裝高壓液體，并將液體壓力傳遞到板料表面，故可作簡化處理忽略橡膠膜的作用，這是完全可行的，液體壓力的作用力可以簡化為用均布載荷代替并直接作用在板料上，具體模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

2.2 成形過程分析

與傳統的沖壓拉深以及充液成形過程有所不同，由于液壓室在上加載液體壓力時會使板料與凹模緊緊貼在一起，二者之間產生的摩擦力緩解了板料危險截斷面的拉應力，這稱之為摩擦保持效果，會使材料的破裂危險點從沖頭圓角處不斷向下移動。如果液體壓力驟然降低，板料將停止成形并在沖頭的作用下使其脫離且不會發生材料的破壞而斷裂，故液體壓力從成形開始階段就必須能夠提供摩擦保持效果所需的力，稱為預脹壓力。在一定壓力下沖頭開始成形，直至成形完成。

2.3 成形的評價標準

對成形過程分析可知，成形缺陷主要分為直壁及圓角處的破裂和起皺，而材料破裂的力學原因就是板料所受拉應力和切應力超過了材料所能承受極限，所以可從最終材料所受的應力大小來判斷材料成形的好壞；另一方面板料的成形厚度是多方面各個力作用的結果，也可以作為直觀判斷材料成形好壞的因素，而且一般來說減薄率在30％以下都不會發生破裂缺陷，為合格品。取安全系數0.9，所以減薄率在27％以下即認為成形良好。而壁厚的增厚率一般達到5％～15％是起皺發生的臨界區間，本文取10％作為起皺的臨界判斷值。通過金屬塑性成形分析可知壁厚減薄量最大處在圓角附近并向底部移動，而壁厚最大處為圓角處底部或者直邊底部的法蘭部分，壁厚分布大致如圖4所示。此外還要考慮到盒形件側壁厚度變化的均勻性，亦即成形好的壁厚變化都是均勻的，如果壁厚變化量很大，亦會使成形出現缺陷。

圖4 最終成形壁厚分布圖

3 仿真結果及分析

由于本工藝沒有壓邊力，所以要進行一個預脹加壓，使板料能定位并和壓邊圈貼合，然后進行成形。考慮到實際加工時板料和沖頭之間的摩擦，取其剪切摩擦系數為0.15。此外，還要考慮液體壓力曲線對成形的結果，一般來說壓力過小的話不能完全提供成形所需壓力則會造成圓角處起皺等缺陷，液體壓力過大，導致板料和凹模的摩擦變大，會造成破裂等缺陷，為了說明其對成形結果的影響，采用了如下液體壓力加載路徑，如圖5所示，設板料的預脹壓力分別為5、10、15MPa，最大液體壓力從15MPa取到35MPa，得到盒形件的減薄量和增厚量。

圖5 液體壓力加載曲線

分析圖6、圖7可知，液壓成形與普通沖壓相比，其減薄量有顯著減少，而且不同的最大液體壓力得到的減薄量亦不同。同時，對于此加載曲線，預脹不同在一定范圍內得到的減薄量與增厚量變化不大，減薄量與增厚量對預脹大小變化并不敏感。

分析圖8、圖9可知，在保證成形良好的情況下，整體趨勢是液體壓力越大其得到的減薄量也是最大的，最大增厚量呈逐漸減小趨勢，但增厚量的減弱趨勢明顯低于減薄量的趨勢，亦即一般來說，減薄量對最大液體壓力變化非常敏感，而增厚量并不敏感，所以實際加工時出現成形失敗的情況大多是減薄量導致的破裂，只要稍加控制液體壓力即可很好地控制起皺現象。而壁厚的變化量隨著液壓力的增大呈逐漸增大趨勢，一般實際加工時要求在滿足所有其他條件下取變化量最小即可。

圖6 預脹壓力對減薄量的影響

圖7 預脹壓力對增厚量的影響

圖8 預脹為5MPa壁厚變化量

圖9 預脹為10MPa壁厚變化量

綜合分析可知，對于本次試件加工時，最大液體壓力取到25MPa～30MPa比較合適，壓力太大，出現破裂，壓力太小則易出現起皺。此時液壓成形的減薄量在24％左右，而普通成形減薄量為27％，為臨界值，可以判定為成形失敗。這也說明液壓成形能提高工件成形時的極限拉深比。

4 結論

(1)橡膠隔膜液壓成形工藝改變了傳統沖壓工藝成形時的應力應變狀態，得到的工件厚度分布均勻，提高了板料的成形性能。

(2)根據成形結果分析各仿真參數的影響可知，在合適的摩擦情況下，設置合理的預脹壓力和最大液體壓力，能得到一個使成形結果最佳的液體壓力加載曲線。

(3)仿真中忽略橡膠膜的作用，采用簡化替代方式是完全可行的。接下來也可以繼續研究成形中的橡膠材料等其他因素對成形結果的影響。

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Study onfluid cellhydro-forming process of rectangular box

ZHEN Shanhe,BAI Linglei,ZHAO Kunmin
(Industry and Equipment Technology Research Institute,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China)

The hydro-forming process of regular rectangle box has been studied in the text.The influence of other factors like different fluid pressure and pre-expansion pressure to the final forming quality has been mainly analyzed on the basis of finite element software ABAQUS.The optimized liquid pressure loading curve has been obtained.The thickness reduction comparison between conventional stamping and hydroforming method has been analyzed.It is concluded that hydro-forming process can improve the forming quality of the workpiece.

Fluid cell hydro-forming;Rectangular box;Thickness reduction;Liquid pressure loading curve

TG386.3；TG394

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.018

1672-0121(2017)05-0061-04

2017-04-08；

2017-05-18

國家自然科學基金資助項目(11472072)

甄善鶴(1991-)，男，碩士在讀，主攻板材液壓成形工藝模擬與優化。E-mail：zhenshanhe@mail.hfut.edu.cn；通訊作者趙坤民(1971-)男，博士，教授，博導，國家第八批“千人計劃”引進專家。主要研究方向為金屬沖壓成形回彈分析與控制，智能材料與結構的基礎研究等。E-mail：kmzhao@dlut.edu.cn