盒形件橡膠隔膜液壓成形工藝研究

甄善鶴，柏玲磊，趙坤民

(合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

盒形件橡膠隔膜液壓成形工藝研究

甄善鶴，柏玲磊，趙坤民

(合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

橡膠隔膜液壓成形是一種新的板料成形方法。本文通過(guò)對(duì)普通盒形件的液壓成形過(guò)程的探究，基于有限元軟件ABAQUS重點(diǎn)分析了不同的液體壓力和不同的預(yù)脹壓力等其他成形因素對(duì)最終成形質(zhì)量的影響，并得到了最適宜的液體加載曲線，分析了普通沖壓和液壓成形的減薄量對(duì)比，得到了此工藝能提升工件成形質(zhì)量的結(jié)論。

液壓成形；盒形件；ABAQUS；橡膠隔膜；減薄量

液壓成形工藝在板料成形方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在成形件質(zhì)量、曲面復(fù)雜程度、材料的成形極限等方面都有著十分顯著的改善和提高。

有限元仿真技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了板材沖壓成形技術(shù)的研究。與傳統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)相比，其仿真技術(shù)能準(zhǔn)確模擬成形過(guò)程中的每一個(gè)彈塑性變形步驟，因而可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成形缺陷，得到各種成形數(shù)據(jù)。仿真技術(shù)的準(zhǔn)確性和合理性已被證實(shí)，其成形數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際成形的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)具有十分重要的指導(dǎo)作用。

1 橡膠隔膜液壓成形原理

板材液壓成形工藝可分兩種類型：一類是以液體介質(zhì)代替凹模，被動(dòng)式的充液拉深工藝；另一類是以液體代替凸模的高壓脹形工藝。本文研究的工藝為在橡皮囊成形工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種高壓脹形工藝，如圖1所示，與普通充液拉深工藝和高壓脹形工藝不同。其一，沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)的壓邊圈，故與充液拉深相比，此工藝并沒(méi)有施加相應(yīng)的壓邊力，其中大部分壓邊力依靠液壓室內(nèi)高壓液體的壓力加載獲得，經(jīng)實(shí)驗(yàn)理論證明是完全可行的。其二，有運(yùn)動(dòng)成形的沖頭，故與高壓脹形工藝相比，此工藝零件成形范圍更廣，可以成形更多結(jié)構(gòu)表面復(fù)雜的鈑金件。

圖1 橡膠隔膜液壓成形原理簡(jiǎn)圖

理論上盒形件成形在變形性質(zhì)上與筒形件相仿，凸緣變形區(qū)分別受到徑向和切向拉、切應(yīng)力，大致可以分為直邊區(qū)域和圓角區(qū)域，兩部分的變形情況并非簡(jiǎn)單的彎曲和拉深，而是兩者的變形相互影響，影響程度跟圓角的大小和直邊長(zhǎng)度的比值有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，比值越小影響越顯著(當(dāng)值為0.25時(shí)即為圓筒形件)。即變形區(qū)圓角處與直邊處的金屬由于位移不同而誘發(fā)的剪應(yīng)力能降低圓角處傳力區(qū)的軸向拉應(yīng)力，即于變形區(qū)直邊處產(chǎn)生拉深變形，減小了圓角處變形區(qū)的變形抗力。考慮到盒形件成形時(shí)金屬流動(dòng)情況更具有普遍性，所以本文對(duì)盒形件的液壓成形過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，探究包括液壓室壓力曲線等諸多因素對(duì)盒形件的最終成形結(jié)果的影響。

2 橡膠隔膜液壓成形的有限元仿真

2.1 模型的建立

采用有限元軟件Abaqus進(jìn)行直接建模，由于是對(duì)稱結(jié)構(gòu)故取四分之一模型進(jìn)行分析。由實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)可知，方盒形件的沖壓成形上坯料選擇八邊形板料，矩形和圓形板料在成形時(shí)，圓角處的板料流不動(dòng)，造成四個(gè)角起皺甚至出現(xiàn)堆料情況，可視為成形失敗。本人并通過(guò)仿真對(duì)三種板料進(jìn)行成形分析，仿真結(jié)果完全支持上述實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為免去不必要的運(yùn)算，坯料形狀設(shè)為八邊形形狀。沖頭和凹模單邊間隙設(shè)為1mm，速度設(shè)為400mm/s。本文以Q195作為材料，其屈服強(qiáng)度195MPa，抗拉強(qiáng)度315MPa，彈性模量212000MPa，泊松比為0.286，具體力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如圖2所示。

圖2 Q195應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線

利用Abaqus軟件對(duì)模型的各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中板料網(wǎng)格單元設(shè)為S4R降積分單元，平臺(tái)以及沖頭設(shè)為R3D4剛體單元，考慮到橡膠膜的作用是作為容器盛裝高壓液體，并將液體壓力傳遞到板料表面，故可作簡(jiǎn)化處理忽略橡膠膜的作用，這是完全可行的，液體壓力的作用力可以簡(jiǎn)化為用均布載荷代替并直接作用在板料上，具體模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

2.2 成形過(guò)程分析

與傳統(tǒng)的沖壓拉深以及充液成形過(guò)程有所不同，由于液壓室在上加載液體壓力時(shí)會(huì)使板料與凹模緊緊貼在一起，二者之間產(chǎn)生的摩擦力緩解了板料危險(xiǎn)截?cái)嗝娴睦瓚?yīng)力，這稱之為摩擦保持效果，會(huì)使材料的破裂危險(xiǎn)點(diǎn)從沖頭圓角處不斷向下移動(dòng)。如果液體壓力驟然降低，板料將停止成形并在沖頭的作用下使其脫離且不會(huì)發(fā)生材料的破壞而斷裂，故液體壓力從成形開始階段就必須能夠提供摩擦保持效果所需的力，稱為預(yù)脹壓力。在一定壓力下沖頭開始成形，直至成形完成。

2.3 成形的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)成形過(guò)程分析可知，成形缺陷主要分為直壁及圓角處的破裂和起皺，而材料破裂的力學(xué)原因就是板料所受拉應(yīng)力和切應(yīng)力超過(guò)了材料所能承受極限，所以可從最終材料所受的應(yīng)力大小來(lái)判斷材料成形的好壞；另一方面板料的成形厚度是多方面各個(gè)力作用的結(jié)果，也可以作為直觀判斷材料成形好壞的因素，而且一般來(lái)說(shuō)減薄率在30％以下都不會(huì)發(fā)生破裂缺陷，為合格品。取安全系數(shù)0.9，所以減薄率在27％以下即認(rèn)為成形良好。而壁厚的增厚率一般達(dá)到5％～15％是起皺發(fā)生的臨界區(qū)間，本文取10％作為起皺的臨界判斷值。通過(guò)金屬塑性成形分析可知壁厚減薄量最大處在圓角附近并向底部移動(dòng)，而壁厚最大處為圓角處底部或者直邊底部的法蘭部分，壁厚分布大致如圖4所示。此外還要考慮到盒形件側(cè)壁厚度變化的均勻性，亦即成形好的壁厚變化都是均勻的，如果壁厚變化量很大，亦會(huì)使成形出現(xiàn)缺陷。

圖4 最終成形壁厚分布圖

3 仿真結(jié)果及分析

由于本工藝沒(méi)有壓邊力，所以要進(jìn)行一個(gè)預(yù)脹加壓，使板料能定位并和壓邊圈貼合，然后進(jìn)行成形。考慮到實(shí)際加工時(shí)板料和沖頭之間的摩擦，取其剪切摩擦系數(shù)為0.15。此外，還要考慮液體壓力曲線對(duì)成形的結(jié)果，一般來(lái)說(shuō)壓力過(guò)小的話不能完全提供成形所需壓力則會(huì)造成圓角處起皺等缺陷，液體壓力過(guò)大，導(dǎo)致板料和凹模的摩擦變大，會(huì)造成破裂等缺陷，為了說(shuō)明其對(duì)成形結(jié)果的影響，采用了如下液體壓力加載路徑，如圖5所示，設(shè)板料的預(yù)脹壓力分別為5、10、15MPa，最大液體壓力從15MPa取到35MPa，得到盒形件的減薄量和增厚量。

圖5 液體壓力加載曲線

分析圖6、圖7可知，液壓成形與普通沖壓相比，其減薄量有顯著減少，而且不同的最大液體壓力得到的減薄量亦不同。同時(shí)，對(duì)于此加載曲線，預(yù)脹不同在一定范圍內(nèi)得到的減薄量與增厚量變化不大，減薄量與增厚量對(duì)預(yù)脹大小變化并不敏感。

分析圖8、圖9可知，在保證成形良好的情況下，整體趨勢(shì)是液體壓力越大其得到的減薄量也是最大的，最大增厚量呈逐漸減小趨勢(shì)，但增厚量的減弱趨勢(shì)明顯低于減薄量的趨勢(shì)，亦即一般來(lái)說(shuō)，減薄量對(duì)最大液體壓力變化非常敏感，而增厚量并不敏感，所以實(shí)際加工時(shí)出現(xiàn)成形失敗的情況大多是減薄量導(dǎo)致的破裂，只要稍加控制液體壓力即可很好地控制起皺現(xiàn)象。而壁厚的變化量隨著液壓力的增大呈逐漸增大趨勢(shì)，一般實(shí)際加工時(shí)要求在滿足所有其他條件下取變化量最小即可。

圖6 預(yù)脹壓力對(duì)減薄量的影響

圖7 預(yù)脹壓力對(duì)增厚量的影響

圖8 預(yù)脹為5MPa壁厚變化量

圖9 預(yù)脹為10MPa壁厚變化量

綜合分析可知，對(duì)于本次試件加工時(shí)，最大液體壓力取到25MPa～30MPa比較合適，壓力太大，出現(xiàn)破裂，壓力太小則易出現(xiàn)起皺。此時(shí)液壓成形的減薄量在24％左右，而普通成形減薄量為27％，為臨界值，可以判定為成形失敗。這也說(shuō)明液壓成形能提高工件成形時(shí)的極限拉深比。

4 結(jié)論

(1)橡膠隔膜液壓成形工藝改變了傳統(tǒng)沖壓工藝成形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，得到的工件厚度分布均勻，提高了板料的成形性能。

(2)根據(jù)成形結(jié)果分析各仿真參數(shù)的影響可知，在合適的摩擦情況下，設(shè)置合理的預(yù)脹壓力和最大液體壓力，能得到一個(gè)使成形結(jié)果最佳的液體壓力加載曲線。

(3)仿真中忽略橡膠膜的作用，采用簡(jiǎn)化替代方式是完全可行的。接下來(lái)也可以繼續(xù)研究成形中的橡膠材料等其他因素對(duì)成形結(jié)果的影響。

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Study onfluid cellhydro-forming process of rectangular box

ZHEN Shanhe,BAI Linglei,ZHAO Kunmin
(Industry and Equipment Technology Research Institute,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China)

The hydro-forming process of regular rectangle box has been studied in the text.The influence of other factors like different fluid pressure and pre-expansion pressure to the final forming quality has been mainly analyzed on the basis of finite element software ABAQUS.The optimized liquid pressure loading curve has been obtained.The thickness reduction comparison between conventional stamping and hydroforming method has been analyzed.It is concluded that hydro-forming process can improve the forming quality of the workpiece.

Fluid cell hydro-forming;Rectangular box;Thickness reduction;Liquid pressure loading curve

TG386.3；TG394

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.018

1672-0121(2017)05-0061-04

2017-04-08；

2017-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11472072)

甄善鶴(1991-)，男，碩士在讀，主攻板材液壓成形工藝模擬與優(yōu)化。E-mail：zhenshanhe@mail.hfut.edu.cn；通訊作者趙坤民(1971-)男，博士，教授，博導(dǎo)，國(guó)家第八批“千人計(jì)劃”引進(jìn)專家。主要研究方向?yàn)榻饘贈(zèng)_壓成形回彈分析與控制，智能材料與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究等。E-mail：kmzhao@dlut.edu.cn