板材充液成形技術

文/ 郎利輝，孫志瑩，孔德帥·北京航空航天大學

張淳，張建民·天津市天鍛壓力機有限公司

板材充液成形技術

文/ 郎利輝，孫志瑩，孔德帥·北京航空航天大學

張淳，張建民·天津市天鍛壓力機有限公司

本文介紹了充液成形工藝及裝備，結合塑性成形機理，對板材典型難成形的鋁合金深錐形件進行研究，采用有限元分析技術及實驗驗證相結合，驗證了充液成形柔性制造技術提高成形極限的優勢，減少了深錐形件的成形次數和退火次數以及配套模具數量和成本。

近年來，由于結構輕量化、整體化、精密化、精品化以及復合成形技術的需要，板材液壓柔性成形技術也獲得了國內外越來越多的重視。充液成形工藝是一種利用流動液體高壓成形的先進柔性成形技術。隨著先進成形技術的快速發展，充液成形走在前列并日漸成熟。板材充液成形是針對沖壓件采用柔性的液壓介質代替部分傳統剛性模具，即為柔性制造，而柔性制造具有質量好、精度高、能量利用率高等諸多優點。目前在汽車與航空航天制造業得到了快速發展，在國內外學者和企業的關注下，其應用正在不斷擴展，其國產化配套設備也達到國際較高水平。本文通過國產液壓成形設備的介紹及典型難成形的深錐形件的研究試制，驗證充液成形技術提高成形極限的優勢以及國產設計的可靠性與精度。

板材充液成形技術原理及特點

板材充液成形模具的基本結構主要由凸模、壓邊圈、凹模圈、液室等組成，如圖1所示。首先在液室中充滿液體，放置坯料（圖1a），壓邊圈以初始壓邊力將坯料壓在凹模圈上（圖1b），必要時可使液室內液體建立一定的預壓；凸模下行將板材拉入液壓室（圖1c，1d），由于凸模下行將板材壓入使液室中的液體建立起壓力，液壓力由溢流閥調整后將板材緊緊壓在凸模上，從而使板材與凸模間產生很大的摩擦力，該摩擦力使危險斷面不斷轉移，傳力區的承載能力提高；采用液體凹模，降低了材料在凹模圓角等處的摩擦阻力，提高了板材的成形極限。

板材充液成形優點

圖1 板材充液拉深原理示意圖

由于液體的作用，使得板材充液成形具有摩擦保持、溢流潤滑等特點。與傳統工藝相比其具有如下優越性：

⑴僅需要單面凸模或凹模，另一半被液體介質所代替，減少了模具費用，一般模具費用可降低30%以上，降低了零件的生產成本。另外，模具材料可以用便宜的材料加工，加工精度要求較低，通用性好，配套零件數量少，非常適合于現代小批量多品種的柔性加工的要求。

⑵能提高產品質量，并能大大改善產品性能。充液成形的零件重量輕、強度高，成形零件的回彈性小，零件的表面質量和尺寸精度得到提高。

⑶成形極限提高，減少了工件的成形次數和退火次數以及配套模具數量和成本。

⑷由于液體的應用，可以成形室溫下一些難成形的材料如鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金以及復雜結構拼焊板等。

⑸可以成形結構形狀復雜的零件。

工藝及設備

由于板材充液技術有很多的優點，所以在國內外受到了普遍的重視，越來越多地應用在了在航空航天、汽車等領域。一般來說，充液成形技術是面向產品生產整個工序過程中的一道工序。國際上著名的設備生產廠家有SPS、AP&T、MURARO等，最大的生產設備達到了10000t，生產零件的品種也在迅速增加，圖2所示是一些具有代表性的零件。

為了適合產品的快速增長需求，天津市天鍛壓力機有限公司（以下簡稱“天鍛”）開發了板材充液成形設備的系列產品，噸位從200t到5000t，最大的噸位可以達到20000t，結合比例伺服、快速換模、沖擊成形、快速反應超高壓系統等技術，面向智能制造，達到了集成式的柔性制造系統。下面以一種具有代表性的板材充液成形設備進行介紹。該設備為小型充液成形工藝專用機，其主要由主機、液壓系統、超高壓源及水系統四部分組成。本機主缸噸位5500kN，其主體框架如圖3所示，本設備可實現成形程序存儲、手工調試及程序共享調用功能等智能化操作。

深錐形零件試制

有限元分析

圖2 具有代表性的板材充液成形零件

圖3 550t液壓機主體框架

充液成形分為主動式成形和被動式成形兩種模式。一般來說，被動式充液成形模式應用較為廣泛，以下是一個典型零件的被動式充液成形分析過程。實施過程在如圖3所示的設備中進行，通過實驗可以看出：⑴所開發的系列化充液成形設備產品是可行的，具有柔性化、智能化、精確化的特征；⑵板材充液成形可以成形非常復雜的零件，如下面所講述的深圓錐形零件。

選用2Al2-O（LY12-M）鋁合金作為實驗材料，該合金為具有代表性的硬鋁合金，是航空航天等部門使用量較多的材料，其密度為2.73g/cm3，材料機械性能參數如表1所示。

表1 2Al2-O材料機械性能

通過對鋁合金2Al2-O板料單向拉伸試驗，測得試驗件上斷口附近測試點的應力-應變值，并根據材料應力-應變冪指數的本構關系，擬合得到鋁合金材料的真實應力-應變本構關系，如圖4所示。

圖4 2Al2-O板材真實應力-應變曲線

本實驗件為航空類典型深錐形罩類零件，其數模如圖5所示。該錐形件通過沖壓成形工藝制造需要至少7個道次，合格率較低。為提高生產中的合格率，通過多種充液成形方案工藝分析，確定了穩定的成形工藝。

圖5 零件外形圖

通過對錐形零件進行展開，坯料近似為圓形，其直徑為430mm，厚度為1.2mm。根據充液拉深成形工藝，凹模圓角R＝8mm，凸凹模型面均由零件內外表面提取。模擬中，網格劃分為3，凸模、凹模以及壓邊圈摩擦系數分別為0.15、0.05和0.1，壓邊間隙1.32(1.1t），最大減薄量為9.32%，整體零件減薄率分布圖，如圖6所示。通過大量實驗證明，通過模擬分析鋁合金零件減薄率在10%內，滿足技術要求，且可得到合格件。

圖6 零件減薄率數值模擬分布圖

試驗

本實驗在5500kN充液成形專用機上完成，通過成形錐形零件，驗證工藝的可靠性與有限元分析結果一致。最終成形的錐形件，如圖7所示，該零件較深，側壁表面很容易起皺，為確保零件的質量，模具設計成充液模具帶沖壓特征的凹模，利用柔性制造的特點，并有剛性模具的優勢，確保消除加工過程中的起皺。

圖7 充液成形試驗件

結束語

目前，國產充液成形專用設備已經完成實驗階段，達到國內外企業推廣水平。結合有限元分析和實驗驗證，本數學模型可靠，對實際操作有較準確的指導作用。錐形件通過三道次充液成形完成，合格率較高，驗證了充液成形技術的優勢及可靠性。