薄壁橢球瓜瓣構(gòu)件充液成形工藝研究

瓜瓣組件是卡車的重要部件之一。儲存箱由幾個瓜瓣制成，主要用于裝載燃料。瓜瓣產(chǎn)品的質(zhì)量和性能直接影響整個儲存箱的可靠性。瓜瓣類零件多為橢球型面結(jié)構(gòu)鈑金件,屬于大尺寸薄壁結(jié)構(gòu)件,其力學(xué)性能及型面精度要求較高。傳統(tǒng)成形方式采用剛性模拉深成形,兩道次拉深,配合中間淬火處理。主要問題是型面精度不易保證,成形后需大量手工修整,生產(chǎn)周期長,勞動強度大,修整痕跡對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大,產(chǎn)品的工藝可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性不易保證,現(xiàn)已經(jīng)成為各運載型號新一輪高密度發(fā)射任務(wù)的薄弱環(huán)節(jié)。充液成形技術(shù)作為先進的鈑金制造技術(shù),采用柔性介質(zhì)來成形板材零件,其原理如圖1所示,其中F為壓邊力,P為液室壓力。充液成形技術(shù)的優(yōu)點為:具有摩擦保持和流體潤滑效果,可有效提高材料的成形極限,保證制件具有一致的形狀尺寸;避免直接剛性接觸,零件表面無劃傷;一次拉深成形制件,無需多次退火,避免了晶粒粗大和內(nèi)部組織損傷,保證制件飛行環(huán)境下使用的可靠性和安全性1材料與材料概況圖2為橢球瓜瓣構(gòu)件示意圖,尺寸約為1350mm×1350mm,懸高差達240mm,內(nèi)型面為旋轉(zhuǎn)橢球面。所用原材料為6mm厚度的2219鋁合金板料,2219為可變形強化鋁合金。其產(chǎn)品的減薄率、壁厚分布均勻性、型面精度是表征產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)其力學(xué)性能指標(biāo)要求和回彈控制的關(guān)鍵指標(biāo)。2有限分析過程2.1工藝參數(shù)設(shè)定前處理模塊中不等于工藝參數(shù)的時瓜瓣構(gòu)件成形采用新淬火態(tài)2219鋁合金,根據(jù)單拉試驗獲得其力學(xué)性能,見表1。將模具及零件數(shù)模導(dǎo)入Dynaform軟件,利用前處理模塊劃分網(wǎng)格并設(shè)定工藝參數(shù)。建立的有限元分析模型如圖3所示,坯料劃分為4節(jié)點B-T殼單元,凸凹模、壓邊圈為剛體,劃分采用4節(jié)點網(wǎng)格單元,凸模與板坯間的摩擦因數(shù)為0.15,壓邊圈與板坯及凹模與板坯間的摩擦因數(shù)為0.05,采用庫倫摩擦模型,液室壓力范圍為0.5～5MPa,模擬采用定力模式,壓邊力設(shè)定4500～5000kN。2.2拉深成礦分析以壁厚分布、減薄率及成形質(zhì)量為指標(biāo),最終確定初始反脹壓力為0.5MPa,成形過程中的液室壓力為2MPa,即可滿足圖紙技術(shù)條件和控制設(shè)備噸位的要求。圖4為具體模擬結(jié)果。從FLD應(yīng)變分布云圖可知,零件本體區(qū)域無破裂、起皺情況發(fā)生;從材料流動云圖可知,大小頭圓角兩側(cè)為控制流料的關(guān)鍵區(qū)域,整體材料流動均勻;從減薄分布云圖可見,零件本體減薄分布約為3.238%～5.703%,形變強化效果明顯,變形分布均勻;從厚度分布云圖可見,零件同板差僅為0.174mm,滿足設(shè)計要求。進一步對拉深噸位預(yù)測可知,預(yù)測最大成形噸位為600t;分析成形后合模間隙云圖(圖5a)和貼模度情況(圖5b)可知,零件起皺高度范圍可控,貼模情況良好,滿足工藝要求。3充液拉深成形工藝試驗驗證依據(jù)前期分析過程,開展現(xiàn)場試驗。試驗過程重點分析零件充液拉深成形后缺陷形成機制和預(yù)防措施,以試驗件成形壁厚分布、減薄率、型面精度、力學(xué)性能為技術(shù)指標(biāo),驗證關(guān)鍵工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響。3.1壓邊力對成形過程的影響試驗分析過程中,一共出現(xiàn)了4種缺陷形式。其中缺陷1和缺陷2是由于壓邊力不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷,在現(xiàn)場試驗過程中,壓邊力過小,會造成法蘭處起皺劇烈,無法建立液室壓力,如圖6a所示,當(dāng)壓邊力過大時,成形后期零件底部破裂,如圖6b所示,最終采用壓邊力隨凸模行程曲線變化的加載形式。合理的潤滑可以降低拉深過程中的摩擦系數(shù),降低開裂風(fēng)險,缺陷3為由于潤滑條件不足產(chǎn)生的法蘭撕裂,如圖6c所示,潤滑條件最終采用法蘭大量潤滑方式。由于瓜瓣構(gòu)件曲面較復(fù)雜,成形初期存在較大的懸空區(qū),為避免成形缺陷并提高材料的剛度要求,采用初始液壓反脹加液室載荷加載相結(jié)合的方法,但初始液室壓力過大,成形初期的反脹鼓包高度過大,加劇了鼓峰處材料的減薄,缺陷如圖6d所示。3.2型面精度檢測最終采用優(yōu)化后的工藝方案,獲得的試驗件(帶法蘭)及去除加工余量后的零件如圖7所示。采用理論型面型胎靠胎檢測型面精度,獲得試驗件實際型面與理論型面的間隙<2mm,減薄率控制在3.4%～4.94%,壁厚分布均勻,同板差為0.180mm,最小壁厚分布在大端曲面最高點為5.643mm,與仿真結(jié)果一致。同時,對充液拉深瓜瓣進行了力學(xué)性能、化銑、焊接性能檢測,各項技術(shù)指標(biāo)均滿足圖紙要求。4混合式瓜瓣型面檢測(1)針對大尺寸薄壁瓜瓣充液拉深成形工藝,通過數(shù)值模擬分析,以壁厚分布、產(chǎn)品質(zhì)量為指標(biāo),獲得合理的工藝參數(shù)范圍,得出最佳液室壓力為2MPa,即可滿足瓜瓣型面精度、減薄率、壁厚均勻性要求。(2)通過現(xiàn)場試驗,研究缺陷形成機理及控制方式,通過壓邊力加載曲線、控制初始液室壓力和法蘭大量潤滑,解決了充液拉深成形過程產(chǎn)生的起皺和開裂缺陷。(3)實現(xiàn)了充液拉深工藝在大尺寸薄壁瓜瓣