大直徑鋁合金雙曲率薄壁件拉深成形技術

馮蘇樂，李林才，羅益民，沈宏華，徐愛杰，楊學勤

(1. 上海航天精密機械研究所，上海 201600； 2. 湖南航天環宇通信科技股份有限公司，湖南 長沙 412000)

0 引言

作為貯存推進劑的大型壓力容器，貯箱承受著運載火箭的氣動力、發動機的推力和其他各種載荷的壓力，是運載火箭箭體結構的重要組成部分，與渦輪泵、氣液導管、活門附件等構成了推進劑的輸送系統。因此，貯箱制造質量直接影響運載火箭產品的射程、運載能力等使用性能。

拉深成形是板材立體沖壓成形中重要的塑性加工方法[1]。該方法借助于設備的動力和模具、材料間的相互作用，使金屬平板坯料外凸緣部分縮小，形成帶底的零件。本文研究對象為某新型運載火箭的貯箱瓜瓣零件，瓜瓣零件是橢球箱底的一部分。目前，瓜瓣常用的加工方法主要有壓彎成形、拉形成形、拉深成形等。其中：壓彎成形具有對設備要求低、模具簡單、材料節省等優點，但成形的零件精度不高，容易出現表面起皺、型面偏差等缺陷，對后續產品的焊接裝配產生不良影響；拉形成形具有產品成形精度高、模具簡單、材料節省等優點，但需配備大噸位、價格昂貴的拉形機；拉深成形具有產品成形精度高、表面質量好、設備通用性強等優點，但材料變形復雜，容易在成形過程中出現破裂、變薄、起皺等問題[2]。對此，目前工業設計中大量采用了有限元仿真手段對成形過程進行模擬，對可能發生的各種缺陷進行預判，以實現降低成本、提高效率的目的[3]。本文采用有限元仿真方法對大直徑貯箱瓜瓣的拉深成形進行研究。

1 瓜瓣零件結構分析

某新型運載火箭貯箱的箱底圓環采用2219鋁合金，由8塊瓜瓣零件拼焊而成，如圖1所示。瓜瓣型面理論上為橢球面，長短軸比值為1.6，長軸半徑約為1 900 mm，坯料壁厚為6 mm。瓜瓣零件各部位的曲率半徑不一致，深度不均勻，屬于大直徑雙曲率薄壁件，零件型面的壁厚減薄率不大于10%，且不能出現褶皺等缺陷。瓜瓣成形難點主要有兩方面：一是要保證零件形狀尺寸和最小壁厚的要求；二是工藝補充面及壓料面不能太大，否則坯料尺寸過大，不利于經濟性[4]。因此，本文重點研究了壓邊力、壓料方式、壓延筋結構、模具間隙等關鍵參數對瓜瓣拉深成形的影響，以獲取最佳工藝參數。

圖1 瓜瓣零件結構示意Fig.1 Schematic diagram of melon petal part stucture

2 瓜瓣拉深成形數值模擬

2.1 瓜瓣材料參數測試

為了解2219鋁合金的材料性能，對其力學性能進行分析，從而對數值模擬過程中的材料選擇提供支撐。2219鋁合金材料的屬性參數見表1。

2.2 有限元模型建立

瓜瓣拉深建立有限元模型采用以下方式：

1) 由于凸模、壓邊圈、凹模在實際成形過程中幾乎未變形，因此將其定義為剛體，選擇以四邊形網格為主的殼單元，網格大小設為20 mm；

表1 2219鋁合金材料屬性

2) 將凸凹模初始間隙設為6.6 mm；

3) 將壓邊圈與坯料、凸模與坯料、凹模與坯料的接觸方式定義為滑動庫倫摩擦。摩擦系數設為0.125，最終得到的瓜瓣拉深有限元模型如圖2所示[5]。

圖2 瓜瓣拉深有限元模型Fig.2 Finite element model of melon petal deep drawing

2.3 工藝參數對成形過程的影響

2.3.1 壓邊力對成形的影響

在其他條件不變的情況下，成形工藝中最易調整的是壓邊力。因此，分析不同壓邊力對成形性能的影響，對于瓜瓣拉深成形具有重要意義。在其他條件不變的情況下，分析了壓邊力為2 000，2 500，3 000，3 500 kN時的成形性能，對比結果如圖3所示。壓邊力與壁厚的關系如圖4所示。

圖3 不同壓邊力作用下的模擬結果Fig.3 Simulation results of different blank holder force

圖4 壓邊力與壁厚的關系Fig.4 Relationship between blank holderforce and wall thickness

從圖3，4中可以看出：當壓邊力為2 000 kN時，成形瓜瓣法蘭區產生起皺缺陷，成形零件的最小壁厚為4.75 mm，減薄率為20.85%；當壓邊力逐漸增大至2 500 kN時，零件起皺現象減輕，成形零件的最小壁厚增大至5.12 mm；當壓邊力增大至3 000 kN時，零件起皺進一步減輕，但較大的壓邊力造成材料流入凹模困難，導致材料減薄嚴重，最小壁厚為4.2 mm；當壓邊力為3 500 kN時，過大的壓邊力會使側壁區域處產生破裂?？傊瑝哼吜^小能有效控制法蘭區材料流動，使坯料法蘭區受壓失穩，引起起皺；壓邊力過大會過分抑制法蘭區材料流動，側壁區過分減薄，引起拉裂[6]。因此需優化工藝參數，使壓邊力設置達到最佳拉深狀態。

2.3.2 壓邊面對成形的影響

在對瓜瓣等大型復雜曲面零件拉深過程中需設定合理的壓邊面形狀，使壓邊面與凸模形狀保持一定的幾何關系，從而保證毛坯在拉深過程中均勻變形，并能平穩、漸進地緊貼凸模，防止產生皺紋[7]。為了合理設置壓邊面形狀，分別對平壓邊面、雙曲面壓邊面等進行對比分析。

方案一：平壓邊面。對平壓邊面進行仿真，其結構形式如圖5所示，該結構形式的優勢在于模具結構簡單、加工方便，其仿真結果如圖6所示。由圖可見，零件采用平壓邊面拉深后，最小壁厚為5.55 mm，由于材料流動不均勻(中間流動較快，前后端流動較慢)，因此瓜瓣零件在4個角處存在明顯的起皺缺陷。

圖5 平壓邊面結構形式Fig.5 Plane blank holder surface structure

圖6 平壓邊面數值模擬結果Fig.6 Simulation result of plane blank holder surface

方案二：曲面壓邊面。該結構形式在模具側邊采用了不同曲率(見圖7(a))，其優勢在于壓料后壓邊平整，材料流動相對均勻。為了合理設置壓邊面形狀，分別對零件的不同區域進行定義。其中，窄壁部分為A區，小圓角部分為B區，大圓弧部分為C區，大圓角部分為D區，寬壁部分為E區。分別對壓邊面的尺寸形狀進行有限元分析，以達到優化結果[8]。

當C，E區壓邊面同時存在圓弧且C區下曲量為200 mm時，對拉深過程進行數值模擬，結果如圖7(b)所示。由圖可見：B，D，E區存在一定程度的起皺，材料最小壁厚為5.34 mm。原因主要是C，E區壓邊面的下曲量相對B，D區過大，導致材料在B，D區產生堆積。因此，需適當減小C，E區壓邊面的下曲量，進一步減輕起皺缺陷。

圖7 模具初始壓邊面(下曲量為200 mm)Fig.7 Initial blank holder surface(withreduction of 200 mm)

對C，E區的下曲量進行優化。優化后的C區下曲量減小至175 mm，E區下曲量減小為0，數值模擬后得到壁厚分布，如圖8所示。由圖可見，材料的起皺和減薄現象有所減輕，最小壁厚為5.68 mm，較前者(下曲量200 mm)減少了0.34 mm，而B，E區仍存在輕微起皺。壓邊面處的材料由于壓邊力不足造成起皺，因此需進一步調整壓延筋、模具間隙等參數。

圖8 壓邊面B，C，D區下曲量減小至175 mm的結果Fig.8 Blank holder surface of 175 mmreduction in B, C and D areas

2.3.3 壓延筋與模具間隙對成形的影響

為解決在拉深成形過程中容易產生失穩起皺等問題，除了考慮壓邊面對零件成形的影響外，還需考慮壓延筋的布置[9]。為減少起皺缺陷產生，對壓延筋結構進行設計優化，布置了單排壓延筋(見圖9)，同時優化了板坯尺寸，以促進成形過程中材料流動，并進行了有限元仿真，結果如圖10所示。由圖可見，壓延筋的增加使產品型面起皺現象得到了明顯消除，但在零件直壁處產生了開裂缺陷，因此需進一步調整凸凹模間隙大小及壓延筋高度參數。

圖9 壓延筋結構形式Fig.9 Draw-bead structure

圖10 增壓壓延筋后數值模擬結果Fig.10 Simulation result of draw-bead structure

由于側壁與凸緣區域為工藝余量區，該處間隙的調整不影響產品尺寸，因此應適當增加成形間隙大小，將原來的6.6 mm調整為18 mm，同時設計了工藝補充面，這樣不僅減緩了材料在側壁處減薄的趨勢，而且使模具對瓜瓣壁厚的適用范圍擴大至8 mm以上，便于后續產品的厚度調整。

為保證材料充分流動，將壓延筋高度從25 mm減小至20 mm，結果如圖11(a)所示。對重新優化后的數字模型再次仿真，結果如圖11(b)所示。由圖可見，前期出現的開裂和起皺現象得到了消除，在對瓜瓣四周余量切割后，最終零件的壁厚為5.78 mm，如圖12所示。

圖11 優化壓延筋對零件成形的影響Fig.11 Influence of draw-bead optimization on part forming

圖12 瓜瓣數值模擬優化結果Fig.12 Simulation result of melon petal part

3 瓜瓣拉深成形試驗

3.1 模具結構設計

在理論分析基礎上，設計了瓜瓣拉深成形模具，其包括凹模、壓邊圈、頂桿、凸模等結構，針對瓜瓣成形特點對模具結構進行了優化：

圖13 優化后單壓延筋模具結構Fig.13 Optimized die structure with single draw-bead

1) 凹模采用“雙曲面+單拉延筋”設計，不僅能實現拉深過程均勻變形，而且縮短了模具加工周期。優化后的凹模結構如圖13(a)所示。

2) 壓邊圈采用錐形結構設計，不僅能有效降低拉深成形減薄率，而且在成形過程中受力集中均勻，擴大了拉深成形對設備的適用范圍。優化后的壓邊圈如圖13(b)所示。

3) 凸模采用蜂窩網格結構，并通過凸臺與壓邊圈導向，提高了零件的成形精度，有效減輕模具50%以上的重量。優化后的凸模結構如圖13(c)所示。

3.2 拉深工藝試驗

在3 000 t液壓機上開展瓜瓣拉深試驗。將凹模的對中線(見圖13(a))與液壓機的臺面對齊，并將模具固定在液壓機下臺面上，同時將凸模與液壓機上臺面固定；用頂桿對壓邊圈加壓，通過壓邊圈對坯料施加壓邊力；液壓機上臺面下行帶動凸模，使坯料產生拉深變形，結果如圖14(a)所示。

對首次拉深試驗后的壓延筋局部進行了修磨，提高材料流動性。在壓邊力為210 t，拉深速度為7 mm/s、拉深限位高度為1 320 mm的條件下，使用32#潤滑油進行潤滑，成形瓜瓣拉深成形后未出現起皺和破裂，瓜瓣實物如圖14(b)所示。經測量，瓜瓣零件的最小壁厚為5.6 m，滿足減薄率不大于10%的設計指標要求，且與數值模擬結果接近。

圖14 瓜瓣拉深成形過程及實物Fig.14 Deep drawing process and product

4 結束語

本文對瓜瓣拉深成形過程進行數值模擬和試驗研究，設計了瓜瓣拉深成形模具，通過工藝試驗一次成形出表面光滑、無褶皺的瓜瓣零件，得出以下結論：

1) 建立了瓜瓣拉深成形有限元模型，對拉深過程中的壓邊力、壓邊面、壓延筋、模具間隙等參數進行優化。當模具壓邊面下曲量為175 mm、壓延筋為單筋結構、凸凹模間隙為18 mm時，成形效果較理想。

2) 對模具結構進行優化，壓邊圈采用錐形結構，凸模采用蜂窩網狀結構，有效減緩材料在側壁處變薄的趨勢，同時減輕模具50%以上的質量，達到了輕量化效果。

3) 當壓邊力為210 t、拉深速度為7 mm/s時，完成了瓜瓣零件的拉深成形，產品壁厚為5.6 m，滿足減薄率不大于10%的設計指標要求。

通過該研究，減少了模具試模道次，提高了貯箱瓜瓣零件成形效率。后續將開展大型貯箱加工制造的研究，進一步支撐大直徑重型運載火箭研制生產，為實現新一代載人運載火箭的成功研制提供技術支持。