錐盒形件充液成形工藝方案數(shù)值模擬

錐盒形件充液成形工藝方案數(shù)值模擬

近年來，中國(guó)航空航天、高鐵、汽車等行業(yè)蓬勃發(fā)展。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化、整體化和復(fù)雜性的發(fā)展，大量復(fù)雜的薄板零件得到了廣泛應(yīng)用。錐盒形件是一類典型的非軸對(duì)稱零件,在其成形過程中,坯料各部分應(yīng)力、應(yīng)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(xiàn)起皺、破裂等缺陷。鋁合金錐盒形件常規(guī)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(huán)境惡劣等缺陷,急需新的制造工藝。鋁合金材料因具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),已在國(guó)民生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)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(tǒng)成形方法成形鋁合金材料零件難度大、效率低。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(fù)雜形狀零件的大量出現(xiàn),橡皮囊成形、液壓機(jī)械拉深、充液拉深和周向液壓充液拉深等技術(shù)得到了廣泛研究與應(yīng)用。與傳統(tǒng)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(rùn)滑”效果,可提高成形極限、零件尺寸和表面精度,抑制起皺、簡(jiǎn)化模具、節(jié)省成本和提高生產(chǎn)效率等[10—16]。文中對(duì)2024鋁合金難成形高錐盒形件充液成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并對(duì)工藝進(jìn)行了改進(jìn),獲得了較優(yōu)的成形方案。1成形缺陷分析研究的高錐盒形件外形尺寸如圖1所示,長(zhǎng)281mm,寬217mm,高95mm,壁厚2mm,在長(zhǎng)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(diǎn),其主要的成形缺陷是懸空區(qū)起皺和底部圓角破裂。所用材料是2024鋁合金,用途較廣,力學(xué)性能參數(shù):屈服強(qiáng)度為75MPa,抗拉強(qiáng)度為180MPa,應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)K為302.5MPa,應(yīng)變硬化指數(shù)n為0.195,厚向異性指數(shù)r為0.88。2平面壓液成形工藝根據(jù)流體作用方式的不同,板材充液成形分為主動(dòng)式充液成形和被動(dòng)式充液成形,2種方式最大的區(qū)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(dòng)式充液成形,如圖2a所示。主動(dòng)式充液成形過程比較簡(jiǎn)單,采用流體作為凸模來進(jìn)行成形,僅僅有凹模,屬于半模成形方法,成形簡(jiǎn)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(dòng)式充液成形,如圖2b所示。在合適的液室壓力下,液體強(qiáng)行從板料與凹模之間流出,形成“流體潤(rùn)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(yīng)力,提高傳力區(qū)承載能力;在成形初期抬高凸模,施加液室壓力,使坯料預(yù)反脹,可提前補(bǔ)料,減小成形后期產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷的趨勢(shì)。嘗試用主動(dòng)式充液成形和被動(dòng)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網(wǎng)格劃分單元采用美國(guó)ETA公司開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件Dynaform進(jìn)行有限元模擬。模型中,板材采用4節(jié)點(diǎn)BT殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,凸凹模及壓邊圈視為剛性體,采用剛性4節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分。充液成形模型中,坯料與凹模、壓邊圈的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.05,與凸模的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15。3.1大錐度引起的典型缺陷傳統(tǒng)拉深一道次成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示,錐盒形件底部圓角處破裂,斜壁轉(zhuǎn)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(chǎn)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(duì)斜壁傳力區(qū)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(dǎo)致凸模有力摩擦效應(yīng)對(duì)傳力區(qū)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(zhuǎn)角處坯料流動(dòng)速度不同,兩者交界存在較大剪應(yīng)力,導(dǎo)致斜壁轉(zhuǎn)角處起皺,大錐度引起的懸空區(qū)同樣加大了起皺趨勢(shì)。若采用多道次拉深和中間退火,成形過程復(fù)雜,廢品率高,零件質(zhì)量差。3.2形并貼向凹模的壓壓圖4是主動(dòng)式充液成形數(shù)值模擬結(jié)果,與傳統(tǒng)拉深相比,零件未出現(xiàn)起皺缺陷,但是底部破裂程度更加嚴(yán)重。此錐盒形件較高,板材受液壓脹形并貼向凹模時(shí),首先與凹模四周斜壁相接觸,形成很大的進(jìn)料摩擦阻力,進(jìn)一步加大液室壓力時(shí),零件底部由于補(bǔ)料不足接近純脹狀態(tài),破裂趨勢(shì)加大。圖5是被動(dòng)式充液成形數(shù)值模擬結(jié)果,與傳統(tǒng)拉深相比,零件未出現(xiàn)破裂缺陷,但是斜壁轉(zhuǎn)角處起皺程度依然嚴(yán)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(jìn)一步減薄程度會(huì)比傳統(tǒng)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(xiǎn)區(qū)。3.3預(yù)成形件終成形數(shù)值模擬結(jié)果與傳統(tǒng)拉深相比,主動(dòng)式充液成形雖破裂但不起皺,被動(dòng)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(zhǎng)處,取長(zhǎng)補(bǔ)短。首先,由被動(dòng)式充液成形進(jìn)行預(yù)成形,如圖6所示;然后,由主動(dòng)式充液成形進(jìn)行終成形,如圖7所示,稱這種方式為被動(dòng)式-主動(dòng)式充液成形。被動(dòng)式充液成形預(yù)成形為主動(dòng)式充液成形終成形儲(chǔ)料,避免因補(bǔ)料不足而導(dǎo)致底部成形后期發(fā)生破裂,如圖8所示,可知零件在轉(zhuǎn)角處依然有皺,此皺在終成形中被整平。終成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示,零件成形良好,未出現(xiàn)起皺、破裂等缺陷。預(yù)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(yù)成形轉(zhuǎn)角處褶皺被整平后,相當(dāng)于為終成形轉(zhuǎn)角補(bǔ)料,避免了終成形轉(zhuǎn)角的破裂。預(yù)成形模具形狀的設(shè)計(jì)對(duì)終成形有很大的影響。若預(yù)成形凸模底部圓角是等值,R=15mm,如圖10a所示,其終成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖10b,c所示,零件在長(zhǎng)邊起皺,而且A側(cè)起皺程度大于B側(cè)。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象,是因?yàn)殚L(zhǎng)邊錐度較大,所需坯料較之短邊少,而預(yù)成形凸模拉深時(shí)在四周的補(bǔ)料量幾乎均等,導(dǎo)致長(zhǎng)邊聚料多而起皺。又由于A側(cè)長(zhǎng)邊錐度大于B側(cè)長(zhǎng)邊,因此A側(cè)截面線長(zhǎng)度小于B側(cè),如圖11所示,A側(cè)長(zhǎng)邊所需坯料較之B側(cè)長(zhǎng)邊少,在預(yù)成形相同的情況下,致使A側(cè)起皺程度大于B側(cè)。由以上分析可知,在預(yù)成形階段需減少長(zhǎng)邊補(bǔ)料量來消除起皺缺陷,而且A側(cè)長(zhǎng)邊補(bǔ)料量要小于B側(cè)長(zhǎng)邊。修改預(yù)成形凸模底部圓角大小,使A側(cè)長(zhǎng)邊底部圓角R=40mm,B側(cè)長(zhǎng)邊底部圓角R=30mm,其他底部圓角R=15mm,如圖12a所示,其終成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖9、圖12b所示,零件未起皺,成形狀況良好。4充液成形技術(shù)模擬1)充液成形技術(shù)與傳統(tǒng)拉深相比,成形極限高,可成形復(fù)雜薄壁零件。2)以主動(dòng)式充液成形技術(shù)成形高錐盒形件,易發(fā)生底部破裂缺陷;以被動(dòng)式充液成形技術(shù)成