飛行平臺罩爆炸拉深實驗研究和有限元分析

文／王呼和·內蒙古工業大學

飛行平臺罩爆炸拉深實驗研究和有限元分析

文／王呼和·內蒙古工業大學

王呼和，博士，講師，主要從事爆炸力學、金屬板材爆炸成形工藝及數值模擬研究工作，參與國家自然科學基金項目2項以及橫向項目1項，發表論文10余篇，獲發明專利1項。

爆炸拉深是通過傳壓介質將爆炸能量加載到金屬坯料上，使之被加工成各類凸凹形、碟形、球冠形等曲面零件的爆炸加工方法。按工件拉深方法不同，爆炸拉深可分為自由爆炸拉深和有模爆炸拉深兩種。本文著重介紹了爆炸拉深概念和特點，通過實際工程試驗和有限元分析，為爆炸拉深成形飛行平臺罩工藝提供了理論指導依據。

自由爆炸拉深

自由爆炸拉深的裝置較為簡單，不需要整體式模具，僅用拉深環、炸藥包形狀及大小來控制變形程度和拉深形狀。由于這種拉深成形工藝完全依靠工藝參數的調整來獲得所需拉深件的形狀和尺寸，容易受到偶然因素的影響，所以這種拉深方法僅適用于拉深形狀簡單，且精度要求不高的零件。圖1為自由爆炸拉深成形裝置示意圖。

圖1 自由爆炸拉深成形裝置

有模爆炸拉深

有模爆炸拉深是通過坯料與凹模的貼合來保證成形精度的，所以模腔的形狀和尺寸精度決定著拉深件的形狀和尺寸精度。由于模具可有效保證拉深件的質量，所以有模爆炸拉深適用于批量較大、精度較高和相對厚度較小的拉深件。在爆炸拉深前，需將模具型腔內抽成真空，防止爆炸拉深過程壓縮空氣阻礙金屬坯料與模具貼合，影響成形精度。圖2為有模爆炸拉深成形裝置示意圖。

爆炸拉深主要工藝參數

⑴裝藥量。裝藥量的大小不僅影響爆炸拉深的效果，而且也影響模具的使用壽命。裝藥量常用依據爆炸成形模型律進行模擬試驗選定。

圖2 有模爆炸拉深成形裝置

⑵藥包形狀。藥包形狀決定著沖擊波波陣面，而波陣面在某種程度上又決定著沖擊載荷在坯料上的分布特征。球形藥包產生球面沖擊波，其作用在平板坯料上的載荷是不均勻的，它適用于成形深度不大或變薄要求不嚴的球底形零件，如圖3a所示。柱形藥包產生柱面沖擊波，其側面沖擊波強度較大，故不易在拉深時使用，大多在爆炸脹形時使用，如圖3b所示。錐形藥包的頂部沖擊波較弱，而兩側較強，它利于凸緣部分坯料流入模腔，故適用于變薄要求較嚴的橢球底零件的成形，常用錐角為90°～120°之間，如圖3c所示。環形藥包適用于大型封頭類零件，這是因為藥包更接近凹模圓角部分，利于凸緣坯料流入模腔，一般環形藥包直徑D為模口直徑的80%～85% 。在使用環形藥包時，采用“兩端”引爆，并且在引爆端對側空出10～16mm，如圖3d所示。

圖3 常用藥包形狀示意圖

⑶藥位。藥位包含兩方面的尺寸內容。一是炸藥包中心距毛坯表面的高度，也稱之為“吊高”；另一尺寸是炸藥包中心距零件某一基準的縱向或橫向平面距離。多數情況下藥位的確定主要是根據板料的強度、厚度和幾何尺寸等通過試驗進行調整選定，如強度高、厚度大，幾何尺寸大者，藥位應適當偏低。

⑷真空度。在相對厚度較薄的坯料進行有模爆炸拉深時，由于毛料變形速度較快，模腔內的氣體來不及自行排出，因此應在引爆藥包前將模腔內的空氣抽空。

⑸水深。水深系指炸藥裝藥中心至水面的距離。水的深淺一方面可以確定爆炸能量從水介質自由面卸載所需要的時間，另一方面對高壓氣團能量進行傳遞分配。在實際操作中，水深應選擇大于或等于模口的半徑。對于薄板類零件成形，水深取1/3～1/2模口直徑。

⑹壓邊力。壓邊力的大小直接影響爆炸成形質量。過大的壓邊力，在成形過程中使凸緣部分的坯料不易流入凹模的模腔內，過小的壓邊力易在凸緣部分起皺，影響零件成形精度和表面質量。在實際操作中，應恰當施加壓邊力，并保持周邊的壓邊力均勻。

有模抽真空爆炸拉深實例

某爆炸拉深的航天飛行器零件尺寸，如圖4所示，厚度2mm，材料為高強度輕質鋁合金。由于工件的相對厚度t/D較小，而相對拉深深度W/D又較大，且形狀較復雜。所用坯料形狀如圖5所示。

為避免坯料過度減薄，并保證成形精度，實際采取三次成形。第一、二次拉深為逐步進料過程，第三次是坯料完全貼模的校形過程。

爆炸成形裝置如圖2所示。壓邊圈為80mm厚的灰鑄鐵，通過8個M24的螺栓施加壓邊力，壓邊力的大小通過力矩扳手進行調節。起爆前將模腔中抽為真空。模腔的密封是通過坯料下面的橡膠密封條來實現。

圖4 拉深工件圖

圖5 坯料尺寸和形狀圖

飛行平臺罩爆炸拉深有限元數值模擬

有限元模型

數值模擬中所用的材料為LF21M，其成形性能較好，硬化現象不太嚴重，密度為2700kg/m3，屈服強度為254MPa，其應變強化系數K和硬化指數n分別為：K ＝300MPa，n＝0.20。板料的有限元模型如圖6所示，最上一層是壓邊圈，中間一層是板料，最下一層是凹模，單元類型為Shell163，選用BW（Belystchko-Wong）算法。

圖6 有限元模型圖

模型中采用面面接觸中的Surface to surface-Forming（FSTS）的接觸類型，分別定義板料與凹模、板料與壓邊圈的接觸，將爆炸載荷簡化成按照時間迅速變化的，并且在同一時刻按照一定梯度衰減的壓力。保持板料、模具以及壓邊圈不變，改變炸藥量和藥包的吊高，進行了三炮成形的有限元分析。

板料變形

板料采取了三炮成形，圖7是板料在每炮成形后的形狀圖。從圖中我們可以很明顯的看出，第一炮成形結束后，進料明顯不足，僅有整個變形的70%左右，并且還有一定程度的起皺現象；第二炮成形后，成形深度已經達到了最高拉深深度，但板料仍不完全貼模；第三炮成形幾乎不進料，基本上是貼模校形。經過三炮成形以后，板料的形狀已與最終產品基本相同了。

圖7 板料在每炮成形后的形狀圖

板料成形后的位移云圖如圖8所示，我們可以很清楚的看出，板料發生了很大的變形，其中底部中心部位的位移量最大，而長邊法蘭部分位移量最小。另外工件法蘭部分由于加了適當的壓邊裝置，因此起皺現象得到了明顯的改善，這一點與前面實驗相符。

圖9是板料中心部位的位移曲線。從曲線中我們可以看出，由于爆炸載荷作用的特殊性，它總是在起始時候的作用最強，然后以指數的規律逐漸衰減，因此，在變形的起始階段材料的位移增量最大，然后位移增量逐漸減小，最后達到最大值后位移保持不變。

板料經過爆炸拉深成形后的應力分布規律，如圖10所示。從圖中我們可以很清楚的看出，工件底部與直邊部分接觸的部位應力最為集中，這說明該部位是變形過程中減薄量最大的地方，也就是說該部位是整個變形過程中的危險截面。這一點也與實驗相符，在實驗中就是該部位最容易出現斷裂，即該部位變形量最大，在改進工藝時應當給予足夠的注意。

圖8 成形后板料的位移云圖

圖9 板料中心點的位移圖

圖10 板料的應力分布云圖

結束語

航天飛行平臺罩的形狀比較復雜，有其自己獨特的特點，難以用普通的冷壓力加工的方式進行加工，那么用金屬爆炸拉深的方法就很適合了。金屬爆炸拉深技術與普通的冷壓力加工技術有很大區別，因此必定會有與常規冷壓加工方法不同的現象，在實驗中應給予高度重視。用顯式動力學有限元方法可較好地模擬復雜曲面爆炸拉深成形過程，其結果與實驗結果較吻合，說明應用顯式動力學彈塑性有限元方法分析復雜曲面爆炸拉深成形過程是可行的，對工程應用有一定的參考價值。