基于充液成形技術的盒形件成形工藝研究

充液擠出技術是一種新型的金屬加工技術，廣泛應用于汽車、航空、航空航天等領域的零件生產(chǎn)和制造。本文講述了采用充液拉深工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性模拉深工藝成形某盒形件的過程，通過數(shù)值模擬的方法研究典型盒形件充液拉深過程，根據(jù)數(shù)值模擬試驗試模，并采用調(diào)整壓邊間隙和壓邊力的方法解決試模中出現(xiàn)的法蘭起皺問題。結(jié)果表明：調(diào)整壓邊間隙可以改善零件成形質(zhì)量，但是不能徹底消除法蘭面的皺痕；采用變壓邊力方式，通過調(diào)整壓邊力可以消除法蘭面的皺痕，表面質(zhì)量好，貼模性好，滿足成形技術要求。充液成形技術特點充液成形技術是一種先進的鈑金柔性成形技術，是現(xiàn)代精密制造的代表性技術之一。充液成形技術是使用液態(tài)的水、油或黏性物質(zhì)作為傳力介質(zhì)，在成形時，坯料在傳力介質(zhì)的作用下與模具緊密貼合，從而成形出設計的零件形狀。根據(jù)加工坯料形狀的不同，充液成形技術一般有3類：板材充液成形、管材充液成形和殼體充液成形。圖1所示為充液拉深成形與普通拉深成形的對比。充液拉深成形的特點是在凹模中充滿液體，利用凸模帶動板料進入凹模，從而建立反向液壓。反向液壓減小了普通拉深成形中凸、凹模之間坯料的懸空區(qū)，并且使該部分坯料緊貼凸模，進而產(chǎn)生“摩擦保持效果”，緩和板料在凸模圓角處（傳統(tǒng)拉深時的危險斷面）的徑向應力，提高傳力區(qū)的承載力，抑制坯料減薄和開裂，可有效地提高成形極限，并減少成形道次。成形時液體從坯料與凹模上表面間溢出，在板料與凹模表面間形成流體潤滑，從而減小了板料與凹模之間的摩擦系數(shù)。油液的保護作用降低了成形零件表面產(chǎn)生劃傷的概率，同時減小了法蘭變形所需的徑向應力。零件特點描述圖2所示為本文所研究的盒形件的三維數(shù)模，壁厚1.7mm，凹模入口圓角R12.7mm，凸模底部圓角R11.1mm，棱邊圓角R16.7～R21.85mm，短邊高81.7mm，長邊高80.242mm，高度差1.5mm。零件要求輪廓度0.1mm，減薄率不超過25%。零件材料為321不銹鋼，321不銹鋼是Ni-Cr-Ti型奧氏體不銹鋼，根據(jù)單拉試驗，其力學性能如表1所示。對于零件能否一次拉深成形，根據(jù)圖3和圖4，做出如下判定，式中各字母的數(shù)據(jù)如圖3所示。彎曲部分的展開長度為：圓角拉深部分展開后的毛坯圓角半徑R為：進而得到：根據(jù)上述計算結(jié)果，此盒形件位于圖4所示“紅點”位置，可以一次拉深成形。零件成形工藝設計由理論計算可知零件可以一次拉深成形，首先利用數(shù)值模擬軟件模擬盒形件剛性拉深成形過程，其工藝分析模型如圖5所示。數(shù)值模擬參數(shù)如下所示：凸模圓角半徑16mm，壓邊圓角半徑10mm，凹模型面圓角半徑12.7mm，網(wǎng)格尺寸1.5mm。摩擦系數(shù)設置為：凸模0.17(粗糙)，凹模0.05(潤滑)，壓邊圈0.05(潤滑)。成形過程中初步設定壓邊間隙為1.76mm，凸凹模間隙為2mm。采用剛性拉深工藝成形的最終零件的減薄云圖和應力分布如圖6和圖7所示，成形后的零件凸模圓角減薄嚴重，最大減薄率為30%，靠近棱角處的法蘭應力集中嚴重，最終零件會有較大的回彈，不能滿足輪廓度和減薄要求。因此下面研究盒形件的充液拉深成形工藝，解決剛性成形產(chǎn)生的問題。為降低零件減薄率，減小回彈量，零件成形采用充液拉深工藝。當凸模下行至距離最終位置95mm時，反脹壓力6MPa，最終實際拉深高度85mm，最大成形壓力30MPa，反脹高度10mm。液體壓力設置如圖8所示。充液拉深過程中盒形件的直線部分和圓角部分的變形趨勢分別如圖9和圖10所示。最終零件的成形極限圖如圖11所示，最終零件的減薄云圖如圖12所示。由分析結(jié)果可知，零件最大減薄23%，無明顯起皺破裂趨勢，此工藝方案可行。零件調(diào)試本次試制零件3件，編號試件1、試件2、試件3，料厚實測均為1.7mm。成形檢測結(jié)果參照數(shù)值模擬，試件1成形時壓邊噸位設置為325t，拉深噸位設置為350t，板料雙面潤滑。試件1最終成形結(jié)果如圖13所示，零件無破裂和頸縮現(xiàn)象，但法蘭面上有輕微皺痕，成形質(zhì)量不滿足零件技術要求?，F(xiàn)將零件切割成數(shù)塊，并測量每個區(qū)域的厚度，測量區(qū)域如圖14所示，測量結(jié)果如表2所示。由測量結(jié)果可以看出，棱角處底部圓角減薄最大，法蘭處增厚明顯，靠近棱角的法蘭處增厚最大，皺痕最明顯，其產(chǎn)生原因是拉深過程中零件法蘭受到的拉力不足。試件成形結(jié)果改善法蘭面上的皺痕現(xiàn)象，可以通過調(diào)整壓邊間隙、調(diào)整壓邊力等方法增大法蘭拉力。試件2采用增加墊片，減小壓邊間隙進而增大法蘭拉力的方法成形。墊片厚度為0.4～0.45mm，根據(jù)試件1成形后法蘭不同區(qū)域的厚度分布，放置不同厚度的墊片。墊片放置的位置如圖15所示。試件2的成形結(jié)果如圖16所示，零件無破裂和頸縮現(xiàn)象，法蘭有輕微起皺，但是相較試件1，皺痕有明顯地改善。分析原因主要是模具在壓制過程中壓邊法蘭產(chǎn)生彈性變形，再加上模具法蘭加工研配產(chǎn)生的誤差，導致調(diào)整后實際的壓邊間隙與想要的壓邊間隙存在一定誤差，因此通過調(diào)整壓邊間隙會對零件產(chǎn)生一定有益的效果，但當零件對壓邊間隙非常敏感時就很難達到理想的狀態(tài)。測試3壓邊間隙的調(diào)整⑴通過對充液成形與剛性成形工藝分析對比可以看出采用充液拉深工藝成形盒形件能減少傳統(tǒng)剛性成形工藝產(chǎn)生的凸模圓角處減薄嚴重，棱角處法蘭邊應力集中嚴重等問題。⑵通過本零件的試模過程可以得出由于模具彈性變形和加工研配誤差等原因，很難通過墊片間隙的調(diào)整獲得理想的壓邊間隙。然而本零件對壓邊間隙較為敏感，所以很難完全消除零件上的褶皺。⑶調(diào)整壓邊力可以消除盒形件法蘭面上的皺痕，最終零件表面質(zhì)量好，貼模性好，滿足成形技術要求。由試件2的成形結(jié)果可知，調(diào)整壓邊間隙可以改善法蘭的褶皺現(xiàn)象，但是不能完全消除。再取試件3進