機(jī)械工程學(xué)報(bào)：不銹鋼外板對(duì)5A06鋁合金板材液壓脹形行為的影響
2022-12-20【作 者】張志超;徐永超;苑世劍
【前 言】
5A06 鋁合金由于比強(qiáng)度高，抗腐蝕能力強(qiáng)，可焊性能好，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的整流罩、燃料貯箱等復(fù)雜深腔零件。該類超薄壁厚零件整體成形時(shí)，坯料徑厚比達(dá) 375 以上，通過普通拉深方法成形，極易發(fā)生起皺和破裂缺陷，采用充液拉深方法能有效改善懸空區(qū)坯料受力狀態(tài)，避免起皺和破裂缺陷的發(fā)生，然而，對(duì)于超薄壁厚深腔零件，通過單獨(dú)增加液室壓力增大懸空區(qū)徑向拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致懸空區(qū)破裂，切向力作用下的懸空區(qū)失穩(wěn)起皺仍然無法克服。采用雙層板充液拉深方法，增加外層板厚度或者強(qiáng)度提高曲面零件懸空區(qū)抗失穩(wěn)能力和承載能力，可以施加更大的液室壓力，從而形成更大的內(nèi)層板懸空區(qū)表面壓力，可以解決整體成形起皺問題。但是，液室壓力高，拉深力較大，大型零件成形所需拉深力將超過 100 MN，現(xiàn)有設(shè)備難以滿足噸位要求，且對(duì)于大型的凹模-充液室的模具結(jié)構(gòu)承載能力也是考驗(yàn)；通過液壓脹形方法，所需脹形壓力相對(duì)較小，但是脹形頂部易集中性變形失穩(wěn)，板料過度減薄最終發(fā)生破裂[1-4]。針對(duì)以上問題，提出雙層板液壓脹形成形方法，在內(nèi)層板外側(cè)增加外層板的方法來抑制起皺和破裂缺陷的發(fā)生，降低成形壓力和設(shè)備噸位。
為了研究外層板提高內(nèi)層板成形極限和均勻變形能力的機(jī)制，本文采用液壓脹形方法，以航空航天領(lǐng)域常用的鋁合金 5A06 板材為研究對(duì)象，研究 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼外層板條件下的雙層板液壓脹形行為。通過理論和數(shù)值模擬，分析雙層板界面上法向壓力、切應(yīng)力對(duì)內(nèi)層板應(yīng)力、應(yīng)變的影響規(guī)律，給出內(nèi)層板應(yīng)力應(yīng)變分布結(jié)果。試驗(yàn)驗(yàn)證雙層板協(xié)調(diào)變形行為，討論外層板提高內(nèi)層板均勻變形能力及極限變形的機(jī)制。
【結(jié) 論】
(1) 雙層板液壓脹形屈服時(shí)內(nèi)外層板曲率半徑不同，極限彈性變形量越大，則屈服半徑越小，脹形時(shí)越早發(fā)生屈服。1Cr18Ni9Ti 不銹鋼板材屈服半徑為 440.6 mm，5A06 鋁合金板材屈服半徑為 345.2mm，雙層板脹形時(shí)，不銹鋼外層板先于鋁合金內(nèi)層板發(fā)生屈服。
(2) 雙層板液壓脹形存在界面經(jīng)向摩擦力和法向應(yīng)力，經(jīng)向摩擦力導(dǎo)致內(nèi)層板材經(jīng)向應(yīng)力減小，在頂點(diǎn)處經(jīng)向應(yīng)力減小明顯；法向應(yīng)力導(dǎo)致經(jīng)向和緯向的應(yīng)力減小，但是不改變應(yīng)力偏量。外層板能明顯減小內(nèi)層板變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變梯度，使得半球頂部位經(jīng)向和緯向應(yīng)變下降 10%，半球頂部位經(jīng)向和緯向應(yīng)力下降 6.7%，整個(gè)脹形區(qū)的應(yīng)變和應(yīng)力分布更加均勻。
(3) 采用 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼外層板能明顯提高5A06 鋁合金內(nèi)層板的極限脹形高度，由鋁合金單板脹形極限高度 38.5 mm 提高到50.9 mm，提高了32%。鋁合金內(nèi)層板半球頂部極限應(yīng)變顯著提高，由單板脹形的極限應(yīng)變 49.7%提高到 75.4%，提高了 51.7%。
以下是正文：
