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，中國航空航天、高鐵、汽車等行業(yè)蓬勃發(fā)展。隨著機械結構的現(xiàn)代化、整體化和復雜性的發(fā)展，大量復雜的薄板零件得到了廣泛應用。錐盒形件是一類典型的非軸對稱零件,在其成形過程中,坯料各部分應力、應變分布很不均勻,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、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點,已在國民生產(chǎn)中得到了廣泛應用,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,由于新材料和復雜形狀零件的大量出現(xiàn),橡皮囊成形、液壓機械拉深、充液拉深和周向液壓充液拉深等技術得到了廣泛研究與應用。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“流體潤滑”效果,可提高成形極限、零件尺寸和表面精度,抑制起皺、簡化模具、節(jié)省成本和提高生產(chǎn)效率等[10—16]。文中對2024鋁合金難成形高錐盒形件充液成形過程進行了數(shù)值模擬分析,并對工藝進行了改進,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281mm,寬217mm,高95mm,壁厚2mm,在長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,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,力學性能參數(shù):屈服強度為75MPa,抗拉強度為180MPa,應變強化系數(shù)K為302.5MPa,應變硬化指數(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式充液成形和被動式充液成形,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,這是主動式充液成形,如圖2a所示。主動式充液成形過程比較簡單,采用流體作為凸模來進行成形,僅僅有凹模,屬于半模成形方法,成形簡單,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,這是被動式充液成形,如圖2b所示。在合適的液室壓力下,液體強行從板料與凹模之間流出,形成“流體潤滑”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,使坯料預反脹,可提前補料,減小成形后期產(chǎn)生起皺、破裂等缺陷的趨勢。嘗試用主動式充液成形和被動式充液成形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ETA公司開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件Dynaform進行有限元模擬。模型中,板材采用4節(jié)點BT殼單元進行網(wǎng)格劃分,凸凹模及壓邊圈視為剛性體,采用剛性4節(jié)點網(wǎng)格單元進行劃分。充液成形模型中,坯料與凹模、壓邊圈的摩擦因數(shù)設置為0.05,與凸模的摩擦因數(shù)設置為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)值模擬結果如圖3所示,錐盒形件底部圓角處破裂,斜壁轉角處起皺。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,導致凸模有力摩擦效應對傳力區(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。盒形件直壁和轉角處坯料流動速度不同,兩者交界存在較大剪應力,導致斜壁轉角處起皺,大錐度引起的懸空區(qū)同樣加大了起皺趨勢。若采用多道次拉深和中間退火,成形過程復雜,廢品率高,零件質量差。3.2形并貼向凹模的壓壓圖4是主動式充液成形數(shù)值模擬結果,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重。此錐盒形件較高,板材受液壓脹形并貼向凹模時,首先與凹模四周斜壁相接觸,形成很大的進料摩擦阻力,進一步加大液室壓力時,零件底部由于補料不足接近純脹狀態(tài),破裂趨勢加大。圖5是被動式充液成形數(shù)值模擬結果,與傳統(tǒng)拉深相比,零件未出現(xiàn)破裂缺陷,但是斜壁轉角處起皺程度依然嚴重。由于“摩擦保持”效果,坯料一旦在液壓作用下貼在凸模上,其進一步減薄程度會比傳統(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區(qū)。3.3預成形件終成形數(shù)值模擬結果與傳統(tǒng)拉深相比,主動式充液成形雖破裂但不起皺,被動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處,取長補短。首先,由被動式充液成形進行預成形,如圖6所示;然后,由主動式充液成形進行終成形,如圖7所示,稱這種方式為被動式-主動式充液成形。被動式充液成形預成形為主動式充液成形終成形儲料,避免因補料不足而導致底部成形后期發(fā)生破裂,如圖8所示,可知零件在轉角處依然有皺,此皺在終成形中被整平。終成形數(shù)值模擬結果如圖9所示,零件成形良好,未出現(xiàn)起皺、破裂等缺陷。預成形具有一定的拉深高度,避免了終成形底部圓角的破裂;預成形轉角處褶皺被整平后,相當于為終成形轉角補料,避免了終成形轉角的破裂。預成形模具形狀的設計對終成形有很大的影響。若預成形凸模底部圓角是等值,R=15mm,如圖10a所示,其終成形數(shù)值模擬結果如圖10b,c所示,零件在長邊起皺,而且A側起皺程度大于B側。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象,是因為長邊錐度較大,所需坯料較之短邊少,而預成形凸模拉深時在四周的補料量幾乎均等,導致長邊聚料多而起皺。又由于A側長邊錐度大于B側長邊,因此A側截面線長度小于B側,如圖11所示,A側長邊所需坯料較之B側長邊少,在預成形相同的情況下,致使A側起皺程度大于B側。由以上分析可知,在預成形階段需減少長邊補料量來消除起皺缺陷,而且A側長邊補料量要小于B側長邊。修改預成形凸模底部圓角大小,使A側長邊底部圓角R=40mm,B側長邊底部圓角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充液成形技術模擬1)充液成形技術與傳統(tǒng)拉深相比,成形極限高,可成形復雜薄壁零件。2)以主動式充液成形技術成形高錐盒形件,易發(fā)生底部破裂缺陷;以被動式充液成形技術成