輕合金鈑金件覆層板成形及研究現狀

高鐵軍，張佳彬，李曉光，楊 踴

（1.沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧 沈陽 110136；2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

近年來，隨著航空、航天、汽車等領域的快速發展，能源與環境問題日益突出。為解決能源短缺、環境污染等問題，零部件的輕量化已成為人們長期追求的目標［1］。尤其對于航空領域，輕量化技術對飛行器性能的影響更大，飛機結構重量減輕1%，飛行性能就會提高（3～5）%，同時對燃油性能和載重的提高效果更明顯［2］。輕量化技術的實現，一方面可以選用密度小的輕合金（如鋁合金、鎂合金、鈦合金等），另一方面是通過結構的優化設計，實現零部件的結構減重。因此，形狀復雜的輕合金薄壁結構在航空航天等領域的應用越來越廣泛［3］。然而，對于大多數輕合金材料的延伸率較低，室溫變形能力較差，同時輕量化的要求導致零件形狀又比較復雜，這使得其在成形過程容易產生起皺、破裂等質量缺陷。如何提高輕合金材料的塑性變形能力已成為現階段的主要究熱點之一。

目前，對于提高金屬板材塑性的方法，一方面可以通過改善晶格類型、化學成分和組織等材料自身固有性質來實現；另一方面則可以選擇合適的變形溫度、變形速度等外部條件來實現；同時，也可以通過控制或改變板材受力狀態的方法來實現［4］。

2 覆層板成形原理

早在1959年文獻［5］針對強度較高的難變形金屬，提出了在板材（稱之為成形板）一側或兩側覆上相同或不同材料板材（稱之為覆板），利用覆板改變成形板受力狀態及變形規律的方法，提高成形板的成形性能和成形質量，如圖1所示。之后，眾多學者對覆層板成形方法進行關注，并在復雜形狀輕合金鈑金件的成形過程中取得到了較好的效果。

圖1 覆層板成形原理Fig.1 Principles of Overlapping Sheets Forming

與單層成形板成形相比較，覆層板成形過程一方面由于覆板的存在使成形板在法向方向受到一定的壓力，成形板由原來的二維受拉應力狀態轉變為平面內雙向受拉、法向受壓的三維應力狀態，消除了由于板材塑性變形而產生的部分損傷，抑制了材料減薄和破裂的產生［6］。另一方面，利用覆板的較好力學性能及對成形板的約束，改變了成形板的變形路徑和變形規律，迫使成形板的變形規律與覆板變形相似或相同，從而達到提高成形板成形性能的目的［7］，如圖2所示。

3 覆層板成形影響因素

覆板對成形板的作用機理比較復雜，影響因素也較多，目前主要圍繞覆板的厚度、力學性能及與成形板之間的界面摩擦等因素對覆層板成形力，成形板受力狀態、變形規律以及極限變形能力等方面的影響開展相關研究工作［8］。

3.1 覆板厚度對成形板成形性能的影響

現有研究結果表明，覆層板成形一般選取與成形板材料相同或者成形性能好于成形板的材料作為覆板。成形過程通過控制覆板的厚度，改善成形板的受力狀態，避免成形過程起皺、破裂等缺陷的產生，從而達到提高成形板成形性能的目的。文獻［9］在08F/FVS0812/08F覆層板拉深中發現，成形板FVS0812的壓應力數量不僅比單層板多而且數值也大，使得成形板在成形過程不容易破裂，并且采用“大厚度”覆板拉深件的壁厚減薄率遠低于單層板拉深件。文獻［10］進行的相同純鋁覆層板脹形實驗結果表明，成形板極限脹形高隨著覆板厚度增加而增大。文獻［9］在鋁板與不銹鋼覆層板總厚度不變條件下，得到了不銹鋼板與鋁板厚度比為3/1時，試件壁厚減薄量最小且成形板拉深比最大。文獻［11］進行的C1100/A1050覆層板盒型件拉深結果表明，隨著覆板A1050厚度的增加，C1100 成形極限不斷提高，如圖3 所示。文獻［12］對5A06/5A06覆層板充液拉深的研究結果也表明，適當厚度的覆板能夠抑制成形板的起皺并改善壁厚分布的均勻性。文獻［13］通過改變Al/Cu覆層板厚度比時發現，當厚度比到達一定值時，再增加覆板厚度對成形板成形極限的影響就較小，如圖4所示。因此在成形過程需要根據零件幾何形狀及材料性能，選取合適的覆板材料及厚度。同時，文獻［14］的研究結果表明，彎曲過程覆板還會使成形板中性層上移，使成形板更多區域處于受壓狀態，從而提高成形板的彎曲性能。

圖3 不同覆板厚度下拉深試件Fig.3 Deep-Drawn Specimens with Different Thickness of Overlapping Sheets

圖4 覆板與成形板厚度比對成形板成形極限圖的影響Fig.4 Influence of Thickness Ratio Between Overlapping and Forming Sheets on Forming Limit Diagram of Forming Sheet

3.2 覆板力學性能對成形板成形性能的影響

另外，覆板的強度、延伸率、加工硬化指數等力學性能也會影響成形板的變形規律和極限變形能力。關于覆板的力學性能對成形的影響，通常認為覆板力學性能的變化會改變成形板所受法向應力的大小及分布，影響成形板塑性流動規律。文獻［15］基于材料的冪硬化模型，在研究覆板強度系數K值和硬化指數n值對成形板成形性能影響中發現，覆板n值不變時，提高覆板K值會使得成形板所受法向壓應力增大，成形板雙向受拉狀態明顯削弱，極限變形能力增強，如圖5所示。相反，在覆板K值不變時，提高覆板n值將會顯著改善成形板的變形規律，使其變形流動過程更加均勻，幾何形狀更接近球形。文獻［16］的研究結果也表明，覆板強度系數K和加工硬化指數n越大，成形板等效應力越小，發生頸縮時的應變越大，越有利于成形板成形性能的提高。

圖5 覆板K值對成形板法向壓應力的影響Fig.5 The Influence of the K Value of the Overlapping Sheet on the Normal Compressive Stress of the Forming Sheet

3.3 界面摩擦對成形板成形性能的影響

除此之外，覆板與成形板之間的摩擦也是影響成形板成形性能的重要因素之一，覆板與成形板之間的界面摩擦會直接影響成形板的塑性流動、應力狀態以及成形性能的提高。通常認為摩擦帶來的切應力方向與成形板相對覆板滑動趨勢相反，當兩板材之間存在較大摩擦時，這樣就會導致成形板所受拉應力減小，從而有效減緩了成形板破裂的產生。文獻［17］在覆層板拉深過程，通過在Al/Cu覆層板之間添加不同潤滑劑的方法發現，隨著覆層板之間摩擦系數的增大，成形板的極限拉深比增大。文獻［15］進行的Al10609/1Cr 18Ni9Ti覆層板進脹形過程有限元分析結果表明，隨著覆層板之間界面摩擦系數的增大，試件脹形高度逐漸越大，并且相同高度條件下的壁厚分布的均勻性越好。文獻［18］進行的不同界面摩擦條件下覆層板脹形結果也表明，通過增大成形板和覆板之間的界面摩擦系數，可以有效降低成形板的經向拉應力，從而有助于成形板成形性能的提高，在一定摩擦和潤滑條件下成形板的成形性能接近于覆板，如圖6所示。

圖6 5A02/SUS304不同摩擦和潤滑條件下的極限脹形高度Fig.6 Ultimate Bulging Height of 5A02/SUS304 Under Different Friction and Lubrication Conditions

4 覆層板成形的應用

覆層板成形方法提出后，由于對提高成形板成形性能的效果比較明顯，操作過程也比較方便，因此在很多難變形輕合金鈑金件的成形過程中得到了應用。如拉深成形過程中極易出現的起皺、破裂等問題，傳統方法是采用壓邊圈和壓邊力控制來防止，對于難變形輕合金也可以借助覆層板成形的方法來解決［8］。文獻［9］對成形質量較差的鋁合金FVS0812半球形件，通過在成形板兩側覆上強度高、厚度大、塑性好的覆板的方法，得到了滿足設計要求的零件。文獻［19］采用覆層板成形方法，在合適的壓邊力加載曲線條件下，直接成形航空薄壁鋁合金半球形件，如圖7 所示。文獻［20］針對鋁合金拼焊板液壓成形大型薄壁復雜曲面件困難的問題，通過改變覆板的強度、厚度、界面摩擦系數等方法，有效提高了鋁合金拼焊板的成形性能。針對薄壁曲面零件充液拉深時容易出現的懸空區起皺及破裂問題，文獻［21］利用覆層板成形方法，解決了對厚徑比為3.03‰的薄壁曲面件進行了液壓成形過程中的起皺和壁厚分布不均勻問題，實現了此類零件的高質量成形，如圖8所示。文獻［22］針對鋁板彎曲回彈問題，通過在鋁板外側覆不銹鋼板的方法獲得了具有更小回彈的鋁板彎曲件。

圖7 航空薄壁鋁合金半球形件Fig.7 Aviation Thin-Walled Aluminum Alloy Hemispherical Parts

圖8 覆層板充液拉深無皺試件Fig.8 Wrinkle-Free Sheet Part Formed by Overlapping Sheets Hydroforming

另外，覆層板成形方法在多點成形、漸進成形、管材彎曲等新工藝、新方法中也得到了較好的應用。文獻［23］針對多點成形不連續和壓痕問題，基于覆層板成形原理，提出了在成形板與多點模具之間增加金屬護板的方法，實現了大型殼體結構的高質量、低成本制造，并在大型風洞收縮段殼體和鋁球殼體的制造中得到了應用。文獻［24-25］通過對成形板上下兩側加入彈性墊和離散鋼墊的方法，進一步提高了多點成形的質量，在避免材料浪費的同時進一步抑制了成形板邊緣的起皺和凹陷，如圖9所示。

文獻［26］在漸進成形過程，利用覆層板的方法解決了錐形零件漸進成形壁厚分布不均勻問題，實現了零件的高質量成形。文獻［27］還將覆層板成形方法應用于鋁合金薄壁管件的液壓彎曲過程，其研究結果表明覆管的加入使薄壁鋁成形管的穩定性和彎曲成形性能得到了較大幅度提高，如圖10所示。

圖10 薄壁鋁管的覆層彎曲成形Fig.10 Overlapping Bending of Thin Wall Aluminum Tube

5 總結

與傳統的塑性成形工藝相比，覆層板成形借助覆板對成形板的影響提高了成形板的成形性能和成形質量，從而為復雜形狀、難變形輕合金鈑金件的成形提供了可能。但在成形過程針對成形零件的材料及幾何形狀特點，選用哪種材料作為覆板以及覆板的厚度、力學性能等問題沒有統一的規范，還有待進一步的深入研究。

同時，輕合金覆層板成形過程由于在成形板一側或兩側增加了覆板，在使成形板的成形性能得到提高的同時，由于覆板的增加，導致零件制造成本大幅度提高。因此，如何根據成形板性能，選擇經濟性好、滿足工藝要求的覆板，對復雜形狀輕合金鈑金件的高質量、低成本制造具有重要意義。