長環形薄壁唇口整體充液成形方法研究

魯帆， 李奎

（中航西安飛機工業集團股份有限公司， 陜西 西安 710089）

0 引 言

飛機發動機唇口是航空發動機的氣流通道，具有恢復進氣壓力、增加發動機工作效率等作用，因此對唇口的外形精度、尺寸精度、裝配精度要求較高。目前國內外發動機唇口多采用分瓣成形，成形完成后進行鉚接裝配對接。由于分瓣成形時唇口應力不均勻，零件截面呈U字形，成形后零件存在回彈現象，導致零件貼模度較差，外形精度不高。分瓣成形時在唇口內側易起皺，影響唇口的表面質量，需要進行手工修復；在分瓣裝配過程中，由于尺寸公差的累積，在裝配最終位置處易產生較大的裝配應力，飛機發動機在飛行過程中的震動使裝配應力集中處產生松動，甚至產生脫落現象。

近年來，由于一些使用新材料和曲率、界面多變、結構流線的復雜拉深件不斷增加，充液成形技術在汽車、航空、航天等領域得到了廣泛應用[1-4]。液體的潤滑效果使模具零件與板料表面的剛性接觸變為柔性接觸，減少了傳統拉深貼模效果差的缺點，提升了板料成形的極限。同時，有限元模擬仿真技術的出現解決了傳統制造業中依靠經驗和試驗確定工藝參數的問題，通過建立有限元模型對板料成形過程進行數值模擬，預測成形過程中可能出現的開裂、起皺等缺陷并加以避免，縮短了零件的加工周期，降低了企業的生產成本[5-8]。

現針對此類零件充液拉深中常見的失穩形式，通過設計零件的工藝補充面，以數值模擬為基礎，對長環形薄壁唇口的成形過程進行仿真計算，并試驗驗證結果。

1 零件概述

深U形窄長狀唇口零件如圖1所示，零件長度約794 mm，最大寬度約378 mm，長寬比近似2∶1，唇口內側高度約136 mm，外側最大高度約97 mm，所用材料為2024-O鋁合金板材，坯料厚度為2 mm。

圖1 零件結構

2 方案分析

環形唇口件有大拉深比的復雜型面薄壁結構，成形時唇口應力狀態不均，可能產生以下缺陷：唇口為非旋轉體曲面形狀零件，且內、外側翻邊高度不等高，成形過程中環形蒙皮內外側進料阻力不一致，拉深時容易因受力不均而開裂，或局部材料流動堆積造成褶皺；由于零件大拉深比易產生應力集中現象，導致材料減薄量大、零件局部開裂。

2.1 拉深成形

唇口拉深成形后的材料厚度云圖如圖2所示，法蘭區長度中部區域材料厚度變化較大，而板料進入盆形凹腔，在圓角處產生最大減薄，因而零件無法采用拉深成形。

圖2 拉深成形零件材料厚度變化

2.2 多道次充液成形

針對深U形長環形薄壁唇口塑性低、拉深比大等特點，提出多道次充液拉深成形方法。由于零件為長環形且底面不封閉，將零件兩端頭的工藝補充面設計成盆形結構，首先成形整體零件的外圈圓筒狀部分，零件整體結構封閉，可有效減小熱處理后產生的回彈變形，之后充液翻邊成形零件的內圈部分，通過成形工序件內、外表面的相互轉換，抵消了工序件內部的殘余應力。

液體介質在一定的液壓下使板料法蘭區脫離凹模，形成潤滑油膜，降低毛坯在法蘭區的摩擦阻力，減少徑向拉應力，促進材料流動；液體壓力使毛坯緊貼凸模，增大有益摩擦，減輕了圓角局部區域減薄趨勢；通過潤滑減輕凸模圓角附近的徑向拉應力，抑制材料減薄。

第一步充液成形的主要目的是成形唇口外側部分，建立有限元分析模型如圖3所示，模型由凸模、壓邊圈、板料、凹模組成。

圖3 第一步充液成形有限元分析模型

在第一步成形的基礎上進行第二步充液成形分析，建立有限元分析模型如圖4所示。將第一步充液成形的零件放在第二步成形的凹模上，其中凸模的尺寸與唇口內側部分相同。

圖4 第二步充液成形

3 最大液壓室壓力對于成形的影響

最大液壓室壓力是充液成形工藝過程的關鍵因素，研究液壓室壓力對零件成形的影響。當液壓室壓力過小時，隨著凸模下行，零件的凸模圓角區為主要減薄區；隨著液壓室壓力的進一步增加，初始反脹壓力增大，零件的最大減薄率隨著初始反脹壓力的增加而減小，零件減薄區轉移至側壁；當液壓室壓力過大時，反脹壓力過大造成零件懸空區為主要減薄區。因此，模擬了最大液壓室壓力在零件長邊側壁為2、4、6、8、10 MPa的整體減薄率變化規律，如圖5所示。

圖5 最大液壓室壓力對最大減薄率的影響

4 零件充液成形的數值模擬結果分析

4.1 第一步工序數值模擬

圖6所示為第一步充液成形極限圖，零件成形后均處在安全區域內，無明顯破裂的趨勢。圖7所示為第一步成形后的減薄云圖，減薄主要集中在長邊的側壁及圓弧邊的側壁中部，其中最大減薄在圓弧邊的側壁處；法蘭邊在長邊的兩端頭有較大的增厚現象，增厚率達到26.5%。

圖6 第一步充液成形極限圖

圖7 第一步充液成形減薄云圖

4.2 第二步工序數值模擬

圖8所示為第二步充液成形極限圖，與圖6的成形極限圖無明顯變化，成形后仍處于較為安全的狀態。圖9所示為第二步充液成形減薄云圖，第二步成形過程中零件的減薄沒有再增加，在零件兩端頭部區域有明顯的增厚現象，增厚率約30%左右。

圖8 第二步充液成形極限圖

圖9 第二步充液成形減薄云圖

5 試驗驗證

5.1 充液成形結構

零件的整體成形設備包括第一步充液成形模具和第二步充液成形模具，主要有上模、下模、上模板、下模板、凸模、壓邊圈、充液接頭等部件，模具結構如圖10所示。

圖10 模具結構

5.2 充液成形試驗

在模具安裝好后，對零件進行試壓，零件未發生破裂現象，但在法蘭區起皺明顯，如圖11所示，主要原因可能有板料在拉深過程中產生收縮變形、壓邊力不足、液體壓力較小導致材料變形不充分，因此在后續的拉深過程中需逐步增大壓邊力和液壓力，增大板料的變形。

圖11 零件起皺

第一步拉深試驗后在零件凸緣處出現開裂現象，如圖12所示，該處對應的法蘭無起皺現象，板料光滑有光澤，此處壓邊力較大，導致進料阻力較大，因此產生開裂。

圖12 零件開裂

結合數值模擬分析，采用被動式充液成形時，零件在反脹壓力和壓邊力的作用下，零件靠近法蘭長邊的側壁、圓弧邊的側壁中部減薄明顯。在拉深過程中，隨著最大液壓室壓力的增加，在液體壓力的反脹作用下可抑制零件法蘭區的起皺現象，若液壓室壓力進一步加大，板料成形時材料流動過少可能會造成懸空區減薄嚴重。

為了解決上述問題，提出優化板料、適當減小法蘭區面積、增大壓邊間隙、使坯料流入合理等，最終得到了表面質量良好的合格零件，如圖13所示。

圖13 多步充液成形的合格零件

6 結束語

（1）采用先外后內的二次被動充液成形方法，利用板料與凸模之間產生的有益摩擦，可提高板料成形極限，實現唇口整體充液成形。

（2）傳統拉深成形最大減薄區集中在凸模圓角區，而采用被動式充液成形的液壓力使板料與凸模之間產生較大的良性摩擦，抑制了零件在凸模圓角處的減薄。

（3）在采用被動式充液成形過程中，零件凸緣部位存在較大的懸空區，在液體壓力和壓邊力的作用下，隨著最大液壓室壓力的增加，板料成形時材料流動過少會造成懸空區減薄嚴重。

（4）在液壓室加載曲線、壓邊條件、反脹、坯料形狀等多參數優化匹配條件下，既可提高零件表面成形質量，又可提高成品率。