飛機(jī)復(fù)雜曲面蒙皮零件充液拉深工藝研究

飛機(jī)復(fù)雜曲面蒙皮零件充液拉深工藝研究

充液拉深形成指用石油或乳液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性凹模，使板材材料在高壓液體傳壓介質(zhì)中與凸模結(jié)合，屬于柔性介質(zhì)輔助形成技術(shù)。飛機(jī)零件呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、落差深、特征變化幅度大、局部拉深系數(shù)較小等特點(diǎn),使用傳統(tǒng)工藝成形時(shí),零件的復(fù)雜型面或小特征尺寸難以保證,成形精度和疲勞壽命不高,表面質(zhì)量差,且中間需要多次退火工藝,工序復(fù)雜,模具成本高。為此文中以燈罩蒙皮零件為研究對(duì)象,對(duì)復(fù)合特征曲面構(gòu)件充液成形的工藝過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬仿真,分析了關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)成形結(jié)果的影響,研究了復(fù)雜曲面零件充液成形的失效形式,優(yōu)化了坯料、模具和關(guān)鍵工藝參數(shù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。1零件中央壓力大,預(yù)脹儲(chǔ)料不穩(wěn)定圖1a為某型號(hào)飛機(jī)燈罩蒙皮零件,該零件沿長(zhǎng)度方向高度變化明顯,落差很深,若充液拉深成形初期液室壓力過(guò)小,預(yù)脹儲(chǔ)料不足,將導(dǎo)致零件頂部劇烈減薄甚至發(fā)生破裂失穩(wěn)。相反地,若成形初期液室壓力過(guò)大,預(yù)脹儲(chǔ)料過(guò)多且隨著成形深度的增加無(wú)法轉(zhuǎn)移,將導(dǎo)致零件中部產(chǎn)生內(nèi)皺。為使該復(fù)雜零件能采用充液成形工藝制造,需要添加必要的工藝補(bǔ)充面,將零件兩端開(kāi)口應(yīng)用光滑曲面補(bǔ)充,并調(diào)整零件沖壓角度,工藝補(bǔ)充后的零件如圖1b所示。為保證零件成形高度,工藝補(bǔ)充后零件的成形高度最小應(yīng)為112mm,如圖1c所示。工藝補(bǔ)充后的零件根據(jù)截面外輪廓特征分為錐壁區(qū)、圓角區(qū)和直壁區(qū)3個(gè)區(qū)域。2工藝參數(shù)設(shè)計(jì)2.1力學(xué)性能指標(biāo)該零件使用的材料為鋁合金LY12M,厚度為1.5mm。3個(gè)方向的力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。為了判定成形過(guò)程中的破裂失穩(wěn),采用不同寬度的脹形試件測(cè)定了不同應(yīng)變路徑下的破裂應(yīng)變,獲得了成形極限曲線(xiàn),如圖2所示。2.2面心方晶材料fcc材料的屈服準(zhǔn)則在有限元仿真過(guò)程中,屈服準(zhǔn)則用于判斷材料是否進(jìn)入塑性狀態(tài),對(duì)仿真結(jié)果有著重要影響式中:m為Barlat指數(shù),對(duì)于面心立方晶格(FCC)材料m=8,對(duì)于體心立方晶格(BCC)材料m=6,當(dāng)m=2時(shí)式(1)即為Hill48屈服準(zhǔn)則;x和y分別為軋制方向和垂直軋制方向;a,h,p為表征各向異性的材料參數(shù),可根據(jù)應(yīng)力計(jì)算的方法或各向異性指數(shù)r式中的p值沒(méi)有解析解,需要通過(guò)下式迭代求解:式中:σ2.3拉深位移與液室壓力之間的關(guān)系液室壓力加載路徑是充液成形過(guò)程的核心工藝參數(shù)之一,其表示拉深位移與液室壓力之間的關(guān)系。對(duì)于特定的零件,液室壓力路徑存在一個(gè)適合零件成形的區(qū)間3經(jīng)過(guò)加工的模仿分析3.1毛料初始形狀與尺寸在完成工藝補(bǔ)充后,設(shè)計(jì)模具間隙為1.8mm,凹模法蘭保證大于毛料尺寸,凹模和壓邊圈圓角半徑均為6mm。將模具模型導(dǎo)入DYNAFMORM軟件中進(jìn)行初始網(wǎng)格劃分,凸、凹模及壓邊圈視為剛體,板料單元類(lèi)型選擇常用的Belytschko-Tsay殼單元,在求解過(guò)程中軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)會(huì)根據(jù)變形情況對(duì)板料網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化,導(dǎo)入并定位后的結(jié)果見(jiàn)圖4。利用DYNAFRORM軟件的Mstep模塊進(jìn)行毛料初始形狀與尺寸的估算,如圖5所示。可見(jiàn),該零件的毛料外形不規(guī)則,長(zhǎng)度方向和寬向尺寸分別為560mm和330mm。利用Mstep模塊反算的毛料形狀僅可作為下料參考,實(shí)際毛料尺寸需根據(jù)缺陷情況進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。3.2板料部分貼凸模充液拉深主要包括壓邊、初始反脹、成形中、成形結(jié)束4個(gè)階段,如圖6所示。其中初始反脹是指在凸模未與板料建立接觸時(shí),施加液室壓力從而使板料部分貼靠凸模。這樣不僅使成形過(guò)程中板料與凹模圓角脫離接觸從而減小摩擦力、提高成形極限,而且增大了板料與凸模的接觸面積,從而產(chǎn)生了與凸模間的有益摩擦,使板料不容易與凸模產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)從而發(fā)生破裂起皺是一種由壓應(yīng)力作用下的失穩(wěn)引起的屈曲現(xiàn)象同時(shí),通過(guò)調(diào)整毛料形狀及尺寸,發(fā)現(xiàn)增大毛料中段對(duì)應(yīng)零件高度過(guò)渡區(qū)域兩側(cè)尺寸可減少內(nèi)皺的產(chǎn)生,但是零件頂部過(guò)渡區(qū)域內(nèi)皺卻無(wú)法消除,如圖8所示。3.3拉延筋仿真分析基于工藝窗口和有限元模擬分析,緊靠單獨(dú)調(diào)整工藝參數(shù)或毛料形狀難以消除內(nèi)皺,因此考慮設(shè)置拉延筋。在成形初始反脹階段,圖9中A、B區(qū)在液室壓力作用下同樣聚集材料,而B(niǎo)區(qū)成形高度明顯低于A區(qū)。B區(qū)所需材料較少,這樣在A區(qū)和B區(qū)的交界區(qū)域I、Ⅱ部分材料隨著成形的進(jìn)行會(huì)向B區(qū)流動(dòng),多余材料就會(huì)在液室壓力作用下形成長(zhǎng)條狀內(nèi)皺。這種內(nèi)皺一旦產(chǎn)生,將無(wú)法消除,導(dǎo)致零件報(bào)廢。要防止內(nèi)皺產(chǎn)生,就要求成形初期C區(qū)和D區(qū)的材料不能向B區(qū)流動(dòng)。為進(jìn)一步限制材料流動(dòng),可以在C和D區(qū)處設(shè)置拉延筋來(lái)增加材料流動(dòng)阻力,抑制內(nèi)皺的產(chǎn)生。在分析起皺機(jī)理的基礎(chǔ)上,增設(shè)壓延筋后的模具見(jiàn)10a和10b,有限元仿真結(jié)果見(jiàn)圖c?？梢?jiàn),通過(guò)引入拉延筋和合理優(yōu)化液室壓力加載路徑,零件內(nèi)皺和起皺缺陷可以消除。4液體充注工藝的實(shí)驗(yàn)4.1截面厚度測(cè)量位置及厚度分布采用圖7a所示的液室壓力加載路徑以及圖10所示的拉延筋,成形的燈罩蒙皮零件見(jiàn)圖1a。截面厚度測(cè)量位置及厚度分布見(jiàn)圖11b。可見(jiàn),零件沒(méi)有發(fā)生破裂及起皺缺陷,且厚度分布與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢(shì)一致,最大誤差不超過(guò)18%,證明了上述分析結(jié)果的有效性,采用帶拉延筋的充液拉深工藝方案可行。4.2材料不足,冷凝性差成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的主要缺陷包括零件頂部區(qū)域過(guò)度減薄甚至破裂,以及零件過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)皺,如圖12所示。燈罩蒙皮零件由于法蘭,當(dāng)壓邊力過(guò)大時(shí)材料將流動(dòng)困難,無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充到液室型腔中,造成材料過(guò)度減薄以致破裂。另一方面,零件高度落差大,隨著成形過(guò)程的進(jìn)行,懸空區(qū)域不斷變化,材料流動(dòng)不均,抗起皺能力下降,若不采用拉延筋控制材料流動(dòng),就會(huì)在過(guò)渡區(qū)域產(chǎn)生內(nèi)皺,如圖12b所示。5毛料破裂消除起深入穩(wěn)定性分析了鋁合金燈罩蒙皮零件充液拉深成形的工藝性,通過(guò)工藝窗口分析和數(shù)值模擬方法研究了成形過(guò)程中壓延筋、液室壓力加載路徑和不同毛料形狀尺寸對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律,確定了工藝方案,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。1)為防止毛料過(guò)度減薄而破裂,需要適當(dāng)調(diào)整凸模圓角尺寸,增大受力面積,減小毛料抗力,轉(zhuǎn)移危險(xiǎn)截面。液壓成形后期,液室壓力不宜過(guò)大,防止零件在凹模圓角處破裂。2)增大毛料中段兩側(cè)尺寸可減少內(nèi)皺的產(chǎn)生,但是零件頂部過(guò)渡區(qū)域內(nèi)皺無(wú)法消除。調(diào)整液室壓力的方法無(wú)法在保證不發(fā)生拉裂和貼模問(wèn)題的前提下消除起皺缺陷