大直徑鋁合金雙曲率薄壁件拉深成形技術(shù)

馮蘇樂，李林才，羅益民，沈宏華，徐愛杰，楊學(xué)勤

(1. 上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600； 2. 湖南航天環(huán)宇通信科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 412000)

0 引言

作為貯存推進(jìn)劑的大型壓力容器，貯箱承受著運(yùn)載火箭的氣動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和其他各種載荷的壓力，是運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，與渦輪泵、氣液導(dǎo)管、活門附件等構(gòu)成了推進(jìn)劑的輸送系統(tǒng)。因此，貯箱制造質(zhì)量直接影響運(yùn)載火箭產(chǎn)品的射程、運(yùn)載能力等使用性能。

拉深成形是板材立體沖壓成形中重要的塑性加工方法[1]。該方法借助于設(shè)備的動(dòng)力和模具、材料間的相互作用，使金屬平板坯料外凸緣部分縮小，形成帶底的零件。本文研究對(duì)象為某新型運(yùn)載火箭的貯箱瓜瓣零件，瓜瓣零件是橢球箱底的一部分。目前，瓜瓣常用的加工方法主要有壓彎成形、拉形成形、拉深成形等。其中：壓彎成形具有對(duì)設(shè)備要求低、模具簡(jiǎn)單、材料節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，但成形的零件精度不高，容易出現(xiàn)表面起皺、型面偏差等缺陷，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的焊接裝配產(chǎn)生不良影響；拉形成形具有產(chǎn)品成形精度高、模具簡(jiǎn)單、材料節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，但需配備大噸位、價(jià)格昂貴的拉形機(jī)；拉深成形具有產(chǎn)品成形精度高、表面質(zhì)量好、設(shè)備通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但材料變形復(fù)雜，容易在成形過程中出現(xiàn)破裂、變薄、起皺等問題[2]。對(duì)此，目前工業(yè)設(shè)計(jì)中大量采用了有限元仿真手段對(duì)成形過程進(jìn)行模擬，對(duì)可能發(fā)生的各種缺陷進(jìn)行預(yù)判，以實(shí)現(xiàn)降低成本、提高效率的目的[3]。本文采用有限元仿真方法對(duì)大直徑貯箱瓜瓣的拉深成形進(jìn)行研究。

1 瓜瓣零件結(jié)構(gòu)分析

某新型運(yùn)載火箭貯箱的箱底圓環(huán)采用2219鋁合金，由8塊瓜瓣零件拼焊而成，如圖1所示。瓜瓣型面理論上為橢球面，長(zhǎng)短軸比值為1.6，長(zhǎng)軸半徑約為1 900 mm，坯料壁厚為6 mm。瓜瓣零件各部位的曲率半徑不一致，深度不均勻，屬于大直徑雙曲率薄壁件，零件型面的壁厚減薄率不大于10%，且不能出現(xiàn)褶皺等缺陷。瓜瓣成形難點(diǎn)主要有兩方面：一是要保證零件形狀尺寸和最小壁厚的要求；二是工藝補(bǔ)充面及壓料面不能太大，否則坯料尺寸過大，不利于經(jīng)濟(jì)性[4]。因此，本文重點(diǎn)研究了壓邊力、壓料方式、壓延筋結(jié)構(gòu)、模具間隙等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)瓜瓣拉深成形的影響，以獲取最佳工藝參數(shù)。

圖1 瓜瓣零件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of melon petal part stucture

2 瓜瓣拉深成形數(shù)值模擬

2.1 瓜瓣材料參數(shù)測(cè)試

為了解2219鋁合金的材料性能，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，從而對(duì)數(shù)值模擬過程中的材料選擇提供支撐。2219鋁合金材料的屬性參數(shù)見表1。

2.2 有限元模型建立

瓜瓣拉深建立有限元模型采用以下方式：

1) 由于凸模、壓邊圈、凹模在實(shí)際成形過程中幾乎未變形，因此將其定義為剛體，選擇以四邊形網(wǎng)格為主的殼單元，網(wǎng)格大小設(shè)為20 mm；

表1 2219鋁合金材料屬性

2) 將凸凹模初始間隙設(shè)為6.6 mm；

3) 將壓邊圈與坯料、凸模與坯料、凹模與坯料的接觸方式定義為滑動(dòng)庫倫摩擦。摩擦系數(shù)設(shè)為0.125，最終得到的瓜瓣拉深有限元模型如圖2所示[5]。

圖2 瓜瓣拉深有限元模型Fig.2 Finite element model of melon petal deep drawing

2.3 工藝參數(shù)對(duì)成形過程的影響

2.3.1 壓邊力對(duì)成形的影響

在其他條件不變的情況下，成形工藝中最易調(diào)整的是壓邊力。因此，分析不同壓邊力對(duì)成形性能的影響，對(duì)于瓜瓣拉深成形具有重要意義。在其他條件不變的情況下，分析了壓邊力為2 000，2 500，3 000，3 500 kN時(shí)的成形性能，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。壓邊力與壁厚的關(guān)系如圖4所示。

圖3 不同壓邊力作用下的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of different blank holder force

圖4 壓邊力與壁厚的關(guān)系Fig.4 Relationship between blank holderforce and wall thickness

從圖3，4中可以看出：當(dāng)壓邊力為2 000 kN時(shí)，成形瓜瓣法蘭區(qū)產(chǎn)生起皺缺陷，成形零件的最小壁厚為4.75 mm，減薄率為20.85%；當(dāng)壓邊力逐漸增大至2 500 kN時(shí)，零件起皺現(xiàn)象減輕，成形零件的最小壁厚增大至5.12 mm；當(dāng)壓邊力增大至3 000 kN時(shí)，零件起皺進(jìn)一步減輕，但較大的壓邊力造成材料流入凹模困難，導(dǎo)致材料減薄嚴(yán)重，最小壁厚為4.2 mm；當(dāng)壓邊力為3 500 kN時(shí)，過大的壓邊力會(huì)使側(cè)壁區(qū)域處產(chǎn)生破裂?？傊?，壓邊力過小能有效控制法蘭區(qū)材料流動(dòng)，使坯料法蘭區(qū)受壓失穩(wěn)，引起起皺；壓邊力過大會(huì)過分抑制法蘭區(qū)材料流動(dòng)，側(cè)壁區(qū)過分減薄，引起拉裂[6]。因此需優(yōu)化工藝參數(shù)，使壓邊力設(shè)置達(dá)到最佳拉深狀態(tài)。

2.3.2 壓邊面對(duì)成形的影響

在對(duì)瓜瓣等大型復(fù)雜曲面零件拉深過程中需設(shè)定合理的壓邊面形狀，使壓邊面與凸模形狀保持一定的幾何關(guān)系，從而保證毛坯在拉深過程中均勻變形，并能平穩(wěn)、漸進(jìn)地緊貼凸模，防止產(chǎn)生皺紋[7]。為了合理設(shè)置壓邊面形狀，分別對(duì)平壓邊面、雙曲面壓邊面等進(jìn)行對(duì)比分析。

方案一：平壓邊面。對(duì)平壓邊面進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢(shì)在于模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，其仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可見，零件采用平壓邊面拉深后，最小壁厚為5.55 mm，由于材料流動(dòng)不均勻(中間流動(dòng)較快，前后端流動(dòng)較慢)，因此瓜瓣零件在4個(gè)角處存在明顯的起皺缺陷。

圖5 平壓邊面結(jié)構(gòu)形式Fig.5 Plane blank holder surface structure

圖6 平壓邊面數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Simulation result of plane blank holder surface

方案二：曲面壓邊面。該結(jié)構(gòu)形式在模具側(cè)邊采用了不同曲率(見圖7(a))，其優(yōu)勢(shì)在于壓料后壓邊平整，材料流動(dòng)相對(duì)均勻。為了合理設(shè)置壓邊面形狀，分別對(duì)零件的不同區(qū)域進(jìn)行定義。其中，窄壁部分為A區(qū)，小圓角部分為B區(qū)，大圓弧部分為C區(qū)，大圓角部分為D區(qū)，寬壁部分為E區(qū)。分別對(duì)壓邊面的尺寸形狀進(jìn)行有限元分析，以達(dá)到優(yōu)化結(jié)果[8]。

當(dāng)C，E區(qū)壓邊面同時(shí)存在圓弧且C區(qū)下曲量為200 mm時(shí)，對(duì)拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖7(b)所示。由圖可見：B，D，E區(qū)存在一定程度的起皺，材料最小壁厚為5.34 mm。原因主要是C，E區(qū)壓邊面的下曲量相對(duì)B，D區(qū)過大，導(dǎo)致材料在B，D區(qū)產(chǎn)生堆積。因此，需適當(dāng)減小C，E區(qū)壓邊面的下曲量，進(jìn)一步減輕起皺缺陷。

圖7 模具初始?jí)哼吤?下曲量為200 mm)Fig.7 Initial blank holder surface(withreduction of 200 mm)

對(duì)C，E區(qū)的下曲量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的C區(qū)下曲量減小至175 mm，E區(qū)下曲量減小為0，數(shù)值模擬后得到壁厚分布，如圖8所示。由圖可見，材料的起皺和減薄現(xiàn)象有所減輕，最小壁厚為5.68 mm，較前者(下曲量200 mm)減少了0.34 mm，而B，E區(qū)仍存在輕微起皺。壓邊面處的材料由于壓邊力不足造成起皺，因此需進(jìn)一步調(diào)整壓延筋、模具間隙等參數(shù)。

圖8 壓邊面B，C，D區(qū)下曲量減小至175 mm的結(jié)果Fig.8 Blank holder surface of 175 mmreduction in B, C and D areas

2.3.3 壓延筋與模具間隙對(duì)成形的影響

為解決在拉深成形過程中容易產(chǎn)生失穩(wěn)起皺等問題，除了考慮壓邊面對(duì)零件成形的影響外，還需考慮壓延筋的布置[9]。為減少起皺缺陷產(chǎn)生，對(duì)壓延筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，布置了單排壓延筋(見圖9)，同時(shí)優(yōu)化了板坯尺寸，以促進(jìn)成形過程中材料流動(dòng)，并進(jìn)行了有限元仿真，結(jié)果如圖10所示。由圖可見，壓延筋的增加使產(chǎn)品型面起皺現(xiàn)象得到了明顯消除，但在零件直壁處產(chǎn)生了開裂缺陷，因此需進(jìn)一步調(diào)整凸凹模間隙大小及壓延筋高度參數(shù)。

圖9 壓延筋結(jié)構(gòu)形式Fig.9 Draw-bead structure

圖10 增壓壓延筋后數(shù)值模擬結(jié)果Fig.10 Simulation result of draw-bead structure

由于側(cè)壁與凸緣區(qū)域?yàn)楣に囉嗔繀^(qū)，該處間隙的調(diào)整不影響產(chǎn)品尺寸，因此應(yīng)適當(dāng)增加成形間隙大小，將原來的6.6 mm調(diào)整為18 mm，同時(shí)設(shè)計(jì)了工藝補(bǔ)充面，這樣不僅減緩了材料在側(cè)壁處減薄的趨勢(shì)，而且使模具對(duì)瓜瓣壁厚的適用范圍擴(kuò)大至8 mm以上，便于后續(xù)產(chǎn)品的厚度調(diào)整。

為保證材料充分流動(dòng)，將壓延筋高度從25 mm減小至20 mm，結(jié)果如圖11(a)所示。對(duì)重新優(yōu)化后的數(shù)字模型再次仿真，結(jié)果如圖11(b)所示。由圖可見，前期出現(xiàn)的開裂和起皺現(xiàn)象得到了消除，在對(duì)瓜瓣四周余量切割后，最終零件的壁厚為5.78 mm，如圖12所示。

圖11 優(yōu)化壓延筋對(duì)零件成形的影響Fig.11 Influence of draw-bead optimization on part forming

圖12 瓜瓣數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果Fig.12 Simulation result of melon petal part

3 瓜瓣拉深成形試驗(yàn)

3.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在理論分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了瓜瓣拉深成形模具，其包括凹模、壓邊圈、頂桿、凸模等結(jié)構(gòu)，針對(duì)瓜瓣成形特點(diǎn)對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化：

圖13 優(yōu)化后單壓延筋模具結(jié)構(gòu)Fig.13 Optimized die structure with single draw-bead

1) 凹模采用“雙曲面+單拉延筋”設(shè)計(jì)，不僅能實(shí)現(xiàn)拉深過程均勻變形，而且縮短了模具加工周期。優(yōu)化后的凹模結(jié)構(gòu)如圖13(a)所示。

2) 壓邊圈采用錐形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能有效降低拉深成形減薄率，而且在成形過程中受力集中均勻，擴(kuò)大了拉深成形對(duì)設(shè)備的適用范圍。優(yōu)化后的壓邊圈如圖13(b)所示。

3) 凸模采用蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并通過凸臺(tái)與壓邊圈導(dǎo)向，提高了零件的成形精度，有效減輕模具50%以上的重量。優(yōu)化后的凸模結(jié)構(gòu)如圖13(c)所示。

3.2 拉深工藝試驗(yàn)

在3 000 t液壓機(jī)上開展瓜瓣拉深試驗(yàn)。將凹模的對(duì)中線(見圖13(a))與液壓機(jī)的臺(tái)面對(duì)齊，并將模具固定在液壓機(jī)下臺(tái)面上，同時(shí)將凸模與液壓機(jī)上臺(tái)面固定；用頂桿對(duì)壓邊圈加壓，通過壓邊圈對(duì)坯料施加壓邊力；液壓機(jī)上臺(tái)面下行帶動(dòng)凸模，使坯料產(chǎn)生拉深變形，結(jié)果如圖14(a)所示。

對(duì)首次拉深試驗(yàn)后的壓延筋局部進(jìn)行了修磨，提高材料流動(dòng)性。在壓邊力為210 t，拉深速度為7 mm/s、拉深限位高度為1 320 mm的條件下，使用32#潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，成形瓜瓣拉深成形后未出現(xiàn)起皺和破裂，瓜瓣實(shí)物如圖14(b)所示。經(jīng)測(cè)量，瓜瓣零件的最小壁厚為5.6 m，滿足減薄率不大于10%的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，且與數(shù)值模擬結(jié)果接近。

圖14 瓜瓣拉深成形過程及實(shí)物Fig.14 Deep drawing process and product

4 結(jié)束語

本文對(duì)瓜瓣拉深成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了瓜瓣拉深成形模具，通過工藝試驗(yàn)一次成形出表面光滑、無褶皺的瓜瓣零件，得出以下結(jié)論：

1) 建立了瓜瓣拉深成形有限元模型，對(duì)拉深過程中的壓邊力、壓邊面、壓延筋、模具間隙等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)模具壓邊面下曲量為175 mm、壓延筋為單筋結(jié)構(gòu)、凸凹模間隙為18 mm時(shí)，成形效果較理想。

2) 對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，壓邊圈采用錐形結(jié)構(gòu)，凸模采用蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效減緩材料在側(cè)壁處變薄的趨勢(shì)，同時(shí)減輕模具50%以上的質(zhì)量，達(dá)到了輕量化效果。

3) 當(dāng)壓邊力為210 t、拉深速度為7 mm/s時(shí)，完成了瓜瓣零件的拉深成形，產(chǎn)品壁厚為5.6 m，滿足減薄率不大于10%的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

通過該研究，減少了模具試模道次，提高了貯箱瓜瓣零件成形效率。后續(xù)將開展大型貯箱加工制造的研究，進(jìn)一步支撐大直徑重型運(yùn)載火箭研制生產(chǎn)，為實(shí)現(xiàn)新一代載人運(yùn)載火箭的成功研制提供技術(shù)支持。