曲面板材零件液壓成形技術(shù)

1、曲面板材零件液壓成形技術(shù)來(lái)源： 作者： 發(fā)布時(shí)間：2008-12-20針對(duì)傳統(tǒng)板材沖壓成形中存在的成形極限低、模具型腔復(fù)雜，以及零件表面品質(zhì)差等缺點(diǎn)，發(fā)展了板材液壓成形技術(shù)。其基本原理是采用液體作為傳力介質(zhì)以代替剛性的凸?；虬寄?lái)傳遞載荷，使坯料在液體壓力作用下貼靠凹模或凸模，從而實(shí)現(xiàn)金屬板材零件的成形。 自從該技術(shù)推出以來(lái)，在航空航天及汽車(chē)領(lǐng)域不斷獲得應(yīng)用，特別適于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件及冷成形性能差的材料成形，如鋁合金、高強(qiáng)鋼、高溫合金以及拼焊板等。板材液壓成形技術(shù)現(xiàn)也日漸成為國(guó)內(nèi)外業(yè)界的研究熱點(diǎn)，并產(chǎn)生了可控徑向加壓充液拉深技術(shù)及液體凸模拉深成形新技術(shù)。 板材液壓成形原理及分類(lèi) 板材液壓成形

2、是利用液體作為傳力介質(zhì)來(lái)傳遞載荷，使板材成形到單側(cè)模具上的一種板材成形方法，根據(jù)液體介質(zhì)取代凹?；蛲鼓？蓪⒅M(jìn)一步分類(lèi)為充液拉深成形和液體凸模拉深成形。 前者（圖1）是用液體介質(zhì)代替凹模傳遞載荷，液壓則作為輔助成形的手段，可減小普通拉深成形中凸、凹模之間坯料的懸空區(qū)，使該部分坯料緊貼凸模，零件形狀尺寸最終靠凸模來(lái)保證。 圖1 充液拉深成形原理充液拉深成形中的液壓作用形成了坯料與凸模之間的摩擦保持效果，提高了凸模圓角區(qū)板料的承載能力，抑制坯料減薄和開(kāi)裂，可有效提高成形極限、減少成形道次。同時(shí)，液體從坯料與凹模上表面間溢出可形成流體潤(rùn)滑，促進(jìn)外圍板材進(jìn)入凹模，緩解了零件表面的劃傷。 這一成形技術(shù)因

3、其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在國(guó)際上受到普遍重視，發(fā)展出主動(dòng)背壓（預(yù)脹）拉深法，其過(guò)程是預(yù)先脹形，然后拉深，通過(guò)預(yù)先脹形達(dá)到變形硬化的效果。 液體凸模拉深成形（圖2）則是以液體介質(zhì)代替凸模傳遞載荷，液壓作為主驅(qū)動(dòng)力使坯料變形，坯料法蘭區(qū)逐漸流入凹模，最終在高壓作用下使坯料貼靠凹模型腔，零件形狀尺寸靠凹模來(lái)保證。這一成形法通過(guò)合理控制壓邊力可使坯料產(chǎn)生拉-脹成形，應(yīng)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(qiáng)鋼等輕合金板料形狀復(fù)雜（特別是局部帶有小圓角）、深度較淺的零件成形。 圖2 液體凸模拉深成形技術(shù)板材液壓成形的優(yōu)點(diǎn)及典型零件 與傳統(tǒng)板材沖壓加工相比，板材液壓成形技術(shù)具有

4、以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 成形極限高 由于充液拉深成形中液壓的作用，使坯料與凸模緊緊貼合，產(chǎn)生“摩擦保持效果”，提高了傳力區(qū)的承載能力。更為重要的是，對(duì)于汽車(chē)制造領(lǐng)域的復(fù)雜曲面零件，反向液壓的作用形成“軟拉深筋”，消除懸空區(qū)，坯料與模具之間建立起有益摩擦使得凸模底部圓角處坯料的徑向拉應(yīng)力減小，應(yīng)變軌跡在成形極限圖上向左偏移，可大幅提高成形極限，而傳統(tǒng)拉深的等雙拉應(yīng)力狀態(tài)則容易導(dǎo)致拉裂。 2. 尺寸精度高、表面品質(zhì)好 液體從板材與凹模表面間溢出形成流體潤(rùn)滑，利于板材進(jìn)入凹模，減少零件表面劃傷，所成形零件外表面得以保持原始板材的表面品質(zhì)，尤其適合鍍鋅板等帶涂層的板材成形。 3. 道次少 可成形復(fù)雜薄殼零件

5、，減少中間工序，并可成形具復(fù)雜形狀的零件，減少退火等耗能工序。 4. 成本低 復(fù)雜零件在一道工序內(nèi)完成，減少多任務(wù)序成形所需的模具，降低生產(chǎn)成本。由于具有上述特點(diǎn)，從零件結(jié)構(gòu)看，適合于成形高徑比大或深的筒形件、盒形件、復(fù)雜曲面零件等；從材料角度看，適合高強(qiáng)鋼、高性能鋁合金和低塑性材料的成形。 圖3 為鋁合金拋物線(xiàn)形零件的充液拉深成形和普通拉深成形的比較。采用充液拉深可一道次實(shí)現(xiàn)該零件的成形；普通拉深成形則需六道次，中間過(guò)程退火?？梢?jiàn)，充液拉深在復(fù)雜曲面零件成形中具顯著優(yōu)勢(shì)，減少成形道次，避免了尖錐底處的破裂。 圖3 充液拉深與普通拉深的道次比較圖4是瑞典AP&T公司充液拉深成形的典型零

6、件。采用這一成形技術(shù)可以將直徑300mm壁厚1mm的不銹鋼坯料幾乎全部拉入直徑100mm的凹模中，從而形成高度超過(guò)200mm的筒形零件，而且，這個(gè)過(guò)程只需一次拉深即可完成，在傳統(tǒng)工藝中往往需要三個(gè)道次的拉深過(guò)程且每個(gè)道次之間需要進(jìn)行退火處理。 圖4 充液拉深成形的典型零件 采用液力成形可以克服鋁合金成形性能的局限性，實(shí)現(xiàn)高效的零件制造，并利用變形強(qiáng)化減少成形件的彈復(fù)，保證其尺寸精度。如某A1100鋁合金拋物線(xiàn)曲面接收器件，直徑達(dá)2.4m，壁厚4.5mm，采用液力成形制造，可以通過(guò)高壓液體介質(zhì)使板材各部位完全與模具貼合，成形件相比常規(guī)成形工藝具有更好的曲率精度和表面品質(zhì)。又如某型號(hào)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)A2

7、024唇口零件，采用液壓成形工藝，通過(guò)切邊壓邊拉脹復(fù)合成形即可完成所有結(jié)構(gòu)尺寸的精密成形，而若采用傳統(tǒng)沖壓工藝時(shí)，該零件的制造卻需要20個(gè)工序才能完成。 近年來(lái)，液壓成形技術(shù)從筒形零件充液拉深逐漸向復(fù)雜板料零件成形發(fā)展。圖5是液壓成形的復(fù)雜板材零件，圖5a是日本岡野鐵工所開(kāi)發(fā)的A6022鋁合金汽車(chē)翼子板，采用充液拉深可克服因材料塑性低導(dǎo)致的成形困難，為汽車(chē)輕量化提供技術(shù)手段。 圖5 復(fù)雜零件液壓成形圖5b為DC04碳鋼復(fù)雜板材零件，該零件形狀復(fù)雜，相對(duì)較淺，普通拉深凸凹模型面復(fù)雜且調(diào)試?yán)щy，而采用充液拉深成形技術(shù)只需制造與其形狀尺寸一致的凸模，液壓充當(dāng)軟凹模，無(wú)須加工與凸模匹配的復(fù)雜凹模型腔，

8、可降低模具成本。 可控徑向加壓充液拉深技術(shù) 可控徑向加壓充液拉深的原理如圖6所示。該技術(shù)是在現(xiàn)有充液拉深技術(shù)的基礎(chǔ)上，輔以獨(dú)立于液室壓力pc的可控徑向液壓力pr，來(lái)推動(dòng)法蘭區(qū)材料的流動(dòng)，配合凸模的拉深進(jìn)行成形。由于現(xiàn)有充液拉深成形技術(shù)還主要依靠液室壓力作用來(lái)增大板材與拉深凸模之間有益摩擦和建立坯料與凹模之間的流體潤(rùn)滑，從而緩解凸模圓角處坯料徑向拉應(yīng)力來(lái)提高板材零件的成形極限，適合制造普通拉深無(wú)法一道次拉深成形的復(fù)雜板材零件。而對(duì)于鋁合金等大高徑比、低塑性材料曲面（錐面、球面、拋物線(xiàn)截面等）零件和錐盒形零件，過(guò)大的液室壓力會(huì)導(dǎo)致曲面零件成形初期懸空區(qū)的破裂和錐盒形零件棱邊角部起皺。 圖6 可控徑向加壓充液拉深圖7 可控徑向加壓充液拉深成形件鋁合金復(fù)雜曲面零件液體凸模拉深技術(shù) 鋁合金為航空航天領(lǐng)域廣為應(yīng)用的材料，板材零件多為相對(duì)較淺的具復(fù)雜型面的超薄構(gòu)件。由于鋁合金硬化指數(shù)低，普通拉深使零件形狀的凍結(jié)性及剛度受到影響，必須使其產(chǎn)生充分的變形硬化，才能保證零件結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性及剛度。對(duì)于較淺的復(fù)雜曲面零件，成形模具簡(jiǎn)單，在成形過(guò)程中可通過(guò)控制壓邊力及成形液壓，既保證充分的變形強(qiáng)化，又可實(shí)現(xiàn)坯料法蘭區(qū)的合理流入，避免壁厚過(guò)度減薄。 圖8 液體凸模拉深成形復(fù)雜曲面件 圖8a為1mm厚的2024硬鋁合金板材件。通過(guò)液體凸模拉深技術(shù)，可使該件的材料變形硬化，同時(shí)避免曲