航空制造技術(shù)：管材軸向壓力內(nèi)高壓脹形數(shù)值分析及驗(yàn)證
2022-03-11【作 者】董楹;黑東盛;白艷
內(nèi)高壓脹形工藝使金屬毛坯或成形件的局部區(qū)域產(chǎn)生變形，通過表面積增大而獲得有凸出形狀零件的沖壓加工方式。這類成形的主要優(yōu)勢在于可以獲得表面質(zhì)量好，回彈變形小，相對結(jié)構(gòu)重量較輕，高精度的零件。
從 20 世紀(jì) 70 年代末德國開始內(nèi)高壓成形的基礎(chǔ)研究 ,90 年代初德國、美國汽車公司開始在多個車型上應(yīng)用了內(nèi)高壓成形的零件，目前該成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、航空等機(jī)械制造領(lǐng)域的實(shí)際生產(chǎn)中 [2-4]。Tseng 等 [3] 通過數(shù)值仿真
模擬了板材液壓成形過程中各因素（包括施加力、摩擦力、背壓情況、毛坯尺寸等）對成形過程的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)對比，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。Chen 等 [4] 利用數(shù)值分析理論對管材內(nèi)高壓成形的褶皺形成原理及影響因素進(jìn)行了研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于模具設(shè)計及管材內(nèi)高壓成形工藝中。國內(nèi)，從 21 世紀(jì)初開始內(nèi)高壓成形的研究，但受設(shè)備的限制，大多只進(jìn)行數(shù)值分析和成形機(jī)理方面的研究 [5-11]。初冠南等 [5] 利用力學(xué)分析及數(shù)值仿真對薄壁高筋簡形件內(nèi)高壓成形的可行性進(jìn)行了理論分析，研究了成形規(guī)律并為工藝設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。郎利輝等 [6,12]利用薄膜理論與塑性理論相結(jié)合，建立了彎曲異形復(fù)雜管材的理論模型，通過模擬仿真與試驗(yàn)對比得出了異性復(fù)雜管材在自由脹形過程中的破裂位置變化規(guī)律，通過對管材自由脹形分析以及材料性能測試為工藝設(shè)計提供了可信的材料參數(shù)。高振莉等 [7] 利用數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合的方法，分析研究了管材液壓成形過程，研究了褶皺及破裂兩種失效模式，分析了壓力對成形過程的影響。Guo等 [8] 對基于 M-K 理論的管材自由脹形進(jìn)行了研究分析，建立了連續(xù)性方程，并對數(shù)值仿真及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，證實(shí)了 Oyane 韌性斷裂準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性。隨著相關(guān)院校、實(shí)驗(yàn)室及企業(yè)單位對內(nèi)高壓成形研究的深入，近些年該項(xiàng)成形技術(shù)的進(jìn)步突飛猛進(jìn)，已被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，在航空、航天領(lǐng)域也獲得實(shí)際應(yīng)用 [8]。此外，內(nèi)高壓脹形技術(shù)雖在管材、板料成形過程中與其他鈑金成形方法相比優(yōu)勢非常突出，由于專用設(shè)備價格昂貴，成形影響因素較多，工藝復(fù)雜，在我國航空制造領(lǐng)域應(yīng)用情況仍處于起步階段。
本文以航空用某卡箍類零件為例，對影響內(nèi)高壓脹形工藝的軸向材料補(bǔ)償量、內(nèi)壓力、加載路徑等因素進(jìn)行了深入研究，提出了一套簡單易行的管材軸向壓力內(nèi)高壓脹形工藝裝置 , 依托傳統(tǒng)液壓設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)零件成形。
【結(jié) 論】
（1）在管材承受徑向壓力的同時，對其施加一定的軸向壓力，使更多的材料參與零件成形，從而提高材料的脹形能力，降低材料成形區(qū)域的減薄量。
（2）在本文所述的徑向壓力加載路徑下，軸向材料補(bǔ)償量和加載時間的關(guān)系直接影響著脹形效果?？梢愿鶕?jù)體積不變原理，初步估算所需要材料補(bǔ)償量，在此基礎(chǔ)上逐步加大，并在徑向壓力加載前期完成材料補(bǔ)入，可以獲得較好脹形效果。
（3）本文所提供的工裝結(jié)構(gòu)，只需要配備傳統(tǒng)壓力裝置，便可以實(shí)現(xiàn)管材軸向壓力內(nèi)高壓脹形。在不具備專業(yè)內(nèi)高壓成形設(shè)備資源條件下，成形類似零件，可以借鑒本文所提供的方法。
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