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復雜薄壁航空整體鈑金件液壓成型工藝分析

引言

傳統航空板材的制造過程多數由人工完成,非自動化的方式導致行為低效,且難以保證板材的精確度。隨著自動化技術的發展,航空領域在制備板材時采取自動化和控制性較好成型工藝,液壓成型工藝憑借其優良性能,使磨具的成本降低,并縮短生產周期,并達到精確控制鈑金成型的要求。


液壓成型工藝原理和特點分析

現代化的液壓成型工藝在板材成型過程中以液體代替或者輔助成型。液壓拉伸成型通過在凹模中充加液體,液壓室作用在液體上的壓力會使毛坯和凸模結合的更為緊密,保證成型的精確性,液體還充當一定的潤滑作用,減小成型過程中摩擦力的阻礙,提高成型極限,并減小拉伸過程中帶來的的局部缺陷,使板件的質量得到較高的提升。液體的使用使成型過程中摩擦阻力減小,并具有溢流潤滑的作用,可以減少鈑金件成型和退火次數,提高鑄件效率,降低成本,并且鑄件精確度得到提高,符合柔性加工的需要,復合材料在成型室溫下具有較好的焊接效果。但在復雜航空整體鈑金件的成型過程中由于凹模型腔內的液壓壓力會對凸模下行產生阻抗,對設備的噸位提出較高要求,此外液壓的使用使得密封技術的應用對板件成型具有重要影響,板件成型中要不斷補充液體,也會導致生產效率問題。

板材液壓拉伸的過程控制


板材液壓過程出現的問題

板材成型過程中的液室壓力和液體在流動時板材成型應力是主要影響因素。國內外的學者在研究液壓成型技術中不斷克服技術難題,通過復合材料各異性對成型可靠性進行分析,通過殼體應力本構方程方法的實施以及工藝參數的設置等對液壓成型技術進行完善。但復雜航空板件的成型,由于設計復雜性不斷提高,導致成型過程出現更多不可控因素。板材拉伸過程中經常出現過度施壓導致的褶皺和過度施加拉力導致的破裂,因此,壓力和拉力的控制成為板件成型需要控制的關鍵工藝參數。

起皺的控制

鈑金件法蘭區起皺的主要原因是壓邊力過低或者壓扁縫隙過大使板坯流人凹模所致,此類缺陷一般使用增加大壓邊力或者減小壓邊縫隙的方式進行改進。而懸空區起皺現象,則是液壓壓力過小引起的切向壓應力過大所致,增大液室壓力和壓邊力能夠解決該問題。

破裂的控制

凸模圓角處破裂是成型過程中易發生的缺陷,可以在成型初期通過強制性增加液室壓力或者對比例溢流閥進行控制防止液壓室較大波動,并增加凸模圓角半徑來減小局部拉應力避免破裂問題。


復雜航空整體鈑金件液壓成型的工藝分析

國產鋁鎂合金5A0 6 是具有代表性的航空用材,由于材料性能優良,質量輕,在復雜曲面薄壁鈑金件加工中廣泛應用。但常溫下其成型受到限制,一般用于拉伸比較低的鈑金件制造。以下對5A0 6 復雜薄壁整體鈑金件的成型工序和缺陷控制,進行充液成型的工藝分析。


鈑金件成型的過程使用E T A 軟件進行模擬分析,主要檢測充液成型后板料不同區域的變形情況,并對分析結果設計復雜薄壁鈑金件的模具。


成型工藝分析

鈑金件為曲面保護罩,使用材料為鋁鎂合金,厚度1m m ,保護罩設計長度118m m ,寬為160m m ,深度60m m ,沿周為20m m 法蘭,保護罩端面為混合曲面。由于零件的拉伸高度為0.5,經分析,成型過程中主要存在以下困難:板料比較薄延展性較差;轉角一次成形困難,會出現起皺或破裂問題;曲面模具設計具有一定難度;三維曲面設計需不斷進行試驗,成本控制和制造周期存在難題,曲面薄壁板材的焊接加工存在困難。


有限元模型的建立與分析

由于復雜曲面薄壁鈑金件的充液成形具有一定的復雜性,需要進行可行性分析,因此建立數據模型p]。沖壓成形的數據模擬以有限元方法為主,本次使用E T A 軟件進行仿真模擬,仿真過程使用H ill屈服材料模型,并使用B T 板料單元。根據初步設定的方案在C A T IA 中建立板料、凹模、凸模的型面模型。通過數據化命令,建立三維模型坐標。為保證另一平面零件下面產生,要求高于最底面1m m ,并結合模型對相對位置進行設定。采用自動模擬設置,壓邊使用固定間隙的方法,設定凹模沖壓速度為3000mm/s 。

由于板料充液成型中會存在缺陷,在壓邊力和充液壓力變化不大時,對成型影響較大的因素是壓邊間隙。保護罩的設計壓邊間隙為1.2m m 和0.8m m ,對成型模擬結果進行分析,在1.2m m 時,由于間隙過大圓角區存在較大褶皺,而設定0.8m m 時,由于壓力間隙過小發生鈑金件破裂。經過分析優化,多次模擬調試最終確定該鈑金件的充液成形工藝參數,壓力間隙為板料厚度的1.05~1.1倍。并形成液壓室的壓力加載路徑。使用軟件的關鍵詞二次開發實現數字模擬,并按照模擬結果得到的液壓室的壓力路徑完成初始膨脹階段和合模進給結算。液壓室的控制現象增加到10M P a,然后保持成型。根據鈑金件的液壓室極限圖進行分析,發現主要成型區沒有起皺現象,而圓角區存在起皺趨勢,法蘭邊緣區存在較嚴重的起皺現象,分析法蘭區的變形多位于四周工藝補充面不影響最終成型。最終的成型結果位于安全區,且無破裂出現。零件最薄的區域位于混合曲面處,大部分主型面厚度為0.925±0.025m m ,由于復雜斷面板材的流動性較差,體積分布不均,板料的厚度云圖顯示最薄處為0.831m m ,在設計成型所允許的變薄范圍內,且板料的最大延伸率為17.3%符合招鎮材料的最大延伸范圍。

模具機構設計

仿真結果構建的模具結構主要包括凹模、凸模和壓邊圈,將凸模和壓邊圈固定在壓力為4000k N 的雙動液壓機的上模塊和壓邊模塊上。在成型階段,將液體充人凹模液壓室,將毛坯放人凹模面上,滑動壓邊模塊使板料受壓力均勻的貼合在凸模上。凸模的設計尺寸根據零件的最初設計尺寸設定,凸模使用45 鋼硬度為36HRC 。


若鈑金件的尺寸不大時,凹模的結構可以采用整體式縮口結構的模具設計。在其他條件一致時,整體式的模具設計具有更高的抗壓性。為減輕施工量凹??诔叽鐟∮趦惹?5mm。凹模的材料選用45軋鋼,可以保證在較大的壓強下不發生滲漏。壓力圈材料同樣使用45鋼,硬度和凹模一致,磨具型面部分保證粗糙度為0.8,壓扁間隙設定為1.1mm。最終設計制造出合格的鈑金件。


本文采用有限元數值模擬方法分析了充液拉深成型的過程,使用該制造工藝可以避免起皺和破裂,成型出完好的保護罩。局部壓邊力在調節材料流動、控制法蘭處金屬的拉人和避免起皺和破裂方面有重要的作用。有限元模擬得到的理想局部壓邊力的設置,和一些工藝參數,能夠保證鈑金件的精確性和可靠性。凹模充液拉深成型拉深為主要步驟,成型過程中起皺是最大危險,在背向液體壓力作用下,板料與沖頭之間的摩擦力增大,避免了沖頭圓角處板料急劇減薄。且成型過程產生的小鼓包對板料的后續成型有預強化作用,能提高板料成型性。充液拉深工藝在厚度方向壓應力和摩擦力的控制具有較好的成型性能。


結束語

隨著航空鈑金件對制造工藝的要求不斷提高,復雜薄壁鈑金件的成型工藝不斷改進,充液成型基于有限元的分析,對成型過程進行模擬控制,提高成型間隙的控制,以此,制造的鈑金件模具合格率提高。

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