摩擦學學報：軸對稱件超塑約束脹形中的摩擦效應
2023-04-28【作 者】李運興;胡平;柳玉啟
【前 言】
近年來 ，超塑脹形作為一種金屬成形方法已經廣泛地應用于機電和航空航天工業(yè)領域 ，借以制造諸如機翼壁板之類形狀復雜的構件。超塑成形方法的突出優(yōu)點不只在于能夠一次成形出構形復雜的零件 ，而且所用模具的加工費用很低 ，生產成本僅相當于常規(guī)成形法的20%等。故其正日漸受到世界各國的普遍關注。
超塑脹形分為自由脹形和約束脹形兩種 ，都是將周邊夾緊 ，一側加壓 ，區(qū)別只在于后者有凹模 ，隨著壓力的增大而將板料脹入凹模型腔內。通常 ，把有凹模的脹形稱為約束脹形過程。超塑脹形最突出的問題是沿脹形件輪廓厚度 的不均勻性。尤其在約束脹形過程中 ，一旦板料與凹模壁接觸就在界面發(fā)生摩擦 ，這對板料已貼模部分相對于凹模的運動會產生約束 ，從而對板料在脹形過程中的厚度變化及其向凹模角部的充填性都將帶來很大的影響。因此 ，對 約束脹形過程中摩擦效應的研究 ，不僅是生產工藝中亟待解決的問題 ，而且也具有重要的理論價值 。然而截至目前 ，有關超塑約束脹形理論的研究報道還很不多。特別是對脹形過程的有限元 (FEM)模擬研究就更為罕見。
Nakamaehi等【采用彈塑性 FEM 研究了硬化材料的約束脹形 ，但因計算不穩(wěn)定而只涉及部分摩擦情況。本文采用大變形和膜單元剛粘塑性FEM模擬了軸對稱件向直壁圓筒形凹模內超塑約束脹形的整個貼模過程 ，著重研究了界面摩擦對脹形件的厚度分布不均勻性及其向凹模角部充填性的影響 ，并將數值模擬與試驗結果作了對比，獲得了對生產實際具有指導意義的結論。
【結論】
采用大變形剛粘塑性有限元模擬了軸對稱件向圓筒形凹模內超塑約束脹形的變形過程。著重研究了工具一工件之界面摩擦對脹形過程的影響 ，由此得出如下主要結論 ：
a． 隨著摩擦的降低 ，脹形件側向較厚部分能有所減薄 ，可以改善整個脹形件厚度分布的均勻性 ，但當Am ≤ 0．2(即μ ≤ 0．12)時 ，脹形件極頂部分的減薄過大。
b． 摩擦較小時 ，脹形板料向凹模角部的充填性較好。
c． 在考慮到極點附近厚度適度減薄和脹形板料向凹模角部充填性好的前提下 ，工藝上應當適當減小摩擦 ，其最佳 狀態(tài)是摩擦系數值約為 0．3。
d． 計算結果與試驗驗證結果基本一致 ，只是在凹模角部上呈現出比較大的偏差 ，這是因為在本文的計算中忽略了單元的彎曲效應且沒有考慮凹模圓角的結果。
以下是正文：
