空心薄壁構件液壓鍛造技術的研發和應用

文/徐勇，張士宏，馬彥，陳大勇·中國科學院金屬研究所

空心薄壁構件液壓鍛造技術的研發和應用

文/徐勇，張士宏，馬彥，陳大勇·中國科學院金屬研究所

隨著汽車、航空航天制造業對產品性能和輕量化要求的不斷提升，采用空心結構替代傳統的實心部件已成為重要發展趨勢。管材液壓成形技術作為主要的輕量化成形技術之一，適于成形具有復雜變截面的整體化空心構件，可以大量替代傳統鑄造和沖焊工藝，因而近年來得到廣泛應用。但是，液壓成形仍不能完全解決具有大變形量和小圓角特征結構的零件制造加工。為了進一步提高材料的成形性并避免起皺和破裂等缺陷的發生，中國科學院金屬研究所塑性加工先進技術課題組結合液壓成形與精密鍛造的技術特點和優勢，研發出了一種適用于空心薄壁構件的液壓鍛造新技術并開展了示范性應用。

材料和零件

本文以某奧氏體不銹鋼Ω形零件成形為例，其具體結構尺寸如圖1所示。零件的端部直徑為φ128mm，中部直徑達到φ175mm，其最大變形量將近40%，零件邊緣位置的過渡圓角僅為1mm，壁厚為1.5mm。

液壓鍛造工藝原理

液壓鍛造工藝采用空心管件作為初始坯料，而不是傳統鍛造工藝中采用的實心固體材料。在這種工藝中，流動介質被注入空心管件中，同時應用可移動的沖頭密封部件兩端，并對液態介質加壓，同時配合相應的軸向進給，將工件成形到指定形狀。

液壓鍛造工藝原理如圖2所示。整個成形過程主要分三個階段：低壓預脹形、中壓鍛造和高壓整形。首先將液體注入管狀坯料，然后應用兩個沖頭進行密封。通過液壓成形工藝，將管坯加工到過渡形狀，用外部增壓器對內部液體進行增壓，用以代替沖頭運動，具體如圖2(a）所示。當內部液體壓力保持或者隨著實際鍛造力增加，將過渡形鍛造到近終形狀，如圖2(b）所示。在鍛造過程中，盡管沒有必要軸向進給管材，但是因鍛造過程引起了軸向長度減小，為了密封管材兩個端部，必須給定沖頭行程，并且該行程要等于鍛造工具的行程。最后，繼續對內部液體進行增壓，迫使管材充分填充模具型腔，尤其是邊界位置，具體如圖2(c）所示。沖頭和鍛造工具同時保持靜止。當成形結束后，沖頭和鍛造模具返回初始位置，打開閉合模具。

圖1 目標零件的結構尺寸

有限元模擬和實驗驗證

應用有限元模擬軟件ETA.Dynaform 5.9.1進行數值模擬分析。圖3給出模擬所采用的有限元模型，所用管坯長度為212mm，外徑為φ128mm。模擬過程也分為三個階段：低壓脹形、中壓鍛造和高壓整形。為了簡化模型，只模擬工具與管材接觸面。建立Belytschko-Tsay 5節點四邊形殼體單元，管材單元的數目為3976。沖頭、工具和外模具設置成三維分析的剛度單元，由于單元的類型緣故，剛度體不劃分網格和分析。基于罰函數原理規定模具和管材之間的接觸。應用庫倫摩擦法則，將模擬中管材和模具表面的摩擦系數定義為0.1。

圖3 有限元模擬模型

模擬和實驗中所采用的三種載荷路徑，也就是內部載荷和沖頭行程之間的關系，如圖4所示。三種載荷路徑分別定義為路徑1、2和3。三種載荷路徑的不同主要集中在液壓和鍛造工步，而最后階段的整形壓力相同。

圖4 數值模擬和實驗中所采用的載荷路徑

在路徑1中，液壓脹形力為50MPa，在后續的鍛造階段保持該數值。在路徑2中，液壓力為30MPa，在后續的鍛造階段保持不變。在路徑3中，液壓力在鍛造階段，由最初的30MPa增加到50MPa。沖頭和鍛造工具的行程對于所有的載荷路徑都相同。除此之外，將管材自由脹形成“Ω形”，并將該形狀作為液壓階段的過渡形。模擬和實驗都圍繞三種不同的載荷路徑展開分析。

通過應用載荷路徑1，如圖5所示，鍛造階段，管材中間區域發生脹破。由于模具的設計為一模兩件，所以在液壓成形過程中每一部分只有一側的軸向進給。所以當內部壓力的增加速度大于沖頭軸向進給的行程時，不能夠提供足夠的材料用以周向擴展，而導致液壓過渡形的嚴重減薄。

圖6給出了采用載荷路徑1的變形工件的壁厚分布，管材在液壓脹形階段為自由脹形。某種程度上講，最大的變形位于變形區的中部，最小壁厚已經減小到1.08mm，液壓脹形后的減薄率為28%。因此在隨后的鍛造階段，將管材成形到近終形狀時，容易在過度減薄區域產生脹破。

圖5 鍛造階段管材中間部位脹破

圖6 采用載荷路徑1的變形工件的壁厚分布

如圖7所示給出了載荷路徑2的模擬結果。從圖中可以發現，液壓階段當內部液壓力保持在30MPa時，能夠避免壁厚過度減薄。圖7(a）給出成形部件的厚度分布圖，厚度減薄率在15%以下。然而，由于后續的鍛造階段管材內部的液壓力相對較低而引起的塑性不穩定，致使鍛造工具壓縮管材到過渡形時出現折疊和褶皺缺陷。從圖7(b）看出，鍛造階段折疊較為嚴重。情況最嚴重時，即使后續整形壓力非常高也無法消除褶皺，如圖7(c）所示。圖8所示為應用載荷路徑2所做實驗中的折疊。

根據路徑1、2得到的模擬和實驗結果，本研究設定了加載路徑3。圖9顯示采用載荷路徑3成形的工件沒有裂紋和折疊，數值模擬和實驗均體現出該趨勢。

結束語

圖7 載荷路徑2下的模擬結果

圖8 應用載荷路徑2所做實驗中的折疊

圖9 采用載荷路徑3液壓脹形的工件

本文提出一種適用于空心薄壁構件的液壓鍛造新技術并開展了示范性應用。與傳統的液壓成形工藝相比，液壓鍛造工藝可以顯著提高薄壁構件的成形性，有效解決具有大變形量和小圓角結構特征的制造加工。模擬和實驗的分析結果表明，過度減薄容易發生在低壓預脹形階段，而褶皺和破裂易出現在后續的中壓鍛造階段，內壓加載路徑的控制是液壓鍛造工藝的關鍵。通過工藝參數的優化，最終能夠獲得優異的成形效果。因此，空心薄壁構件液壓鍛造技術未來在汽車、航空航天等關鍵制造領域具有良好的應用前景和價值。

徐勇，工學博士，碩士生導師，副研究員。主要從事高性能薄壁零件先進液壓成形技術和裝備的研發應用及計算機輔助精確成形仿真技術的研究，擁有專利17項。