摘 要：針對球形件整體成形中的充液脹形工藝，分析中間序零件的特點，制定成形工藝方法，通過數(shù)值模擬和實際試驗，研究補料量、脹形壓力對零件成形的影響，并通過數(shù)值模擬分析與試驗結(jié)果進行對比分析，證明了數(shù)值模擬可以給試驗提供正確方向，說明數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

　　球形件成形補料量對零件成形精度影響較大，如果補料量過大，則成形過程中會出現(xiàn)環(huán)形堆料、起皺等問題;如果補料量不足，則導(dǎo)致零件減薄增大，甚至出現(xiàn)破裂。此外，在合理的補料量條件下，需要根據(jù)不同合模階段建立合理的脹形壓力，如果脹形壓力建立不合理，同樣會出現(xiàn)減薄過大、起皺、堆料等問題。

　　關(guān)鍵詞：球形件;充液脹形;補料量;脹形壓力;減薄率

　　隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，長征運載火箭首次飛行任務(wù)取得圓滿成功，其標(biāo)志著我國運載火箭升級換代的里程碑工程，是我國起飛規(guī)模最大、運載能力最大、技術(shù)跨度最大的一型運載火箭，總體技術(shù)達到國際先進水平。我國正式成為包括美國和俄羅斯在內(nèi)的世界主流火箭陣營中的一員。接下來，我國各型號運載火箭、飛船將進入一輪密集發(fā)射期。

　　為滿足飛行器動力學(xué)性能，鈑金零件向形狀復(fù)雜化、尺寸精密化方向發(fā)展，對零件批量生產(chǎn)的質(zhì)量和新產(chǎn)品研制的效率提出了更高的要求，保證產(chǎn)品的工藝可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性顯得尤為重要。

　　作為國內(nèi)某型號運載火箭中的關(guān)鍵零件，整體球形件的傳統(tǒng)成形工藝為單個瓣成形后拼焊而成，現(xiàn)采用充液內(nèi)高壓的方法實現(xiàn)整體成形。充液成形技術(shù)是通過液體代替剛性模，在液體壓力作用下使板料貼合型面模的一種柔性體成形技術(shù)，是現(xiàn)代輕量化、精確制造的代表性技術(shù)之一，能夠很好地解決飯金零件精確成形問題，在新能源汽車及航空航天等領(lǐng)域具有較大的優(yōu)越性。

　　通過充液整體成形的球形件與傳統(tǒng)工藝相比具有以下優(yōu)勢：作為柔性體成形技術(shù)對零件的表面無損傷，因此表面質(zhì)量好;零件成形后的性能可以通過合理控制補料量與脹形壓力之間的關(guān)系進行完善;零件整體無焊縫、強度較高、無焊接變形、成形精度高。

　　球形件整體成形的主要工序為拉深、縮口、充液脹形、翻邊等，本文著重介紹充液脹形工序，分析充液脹形的主要參數(shù)，研究不同補償量、脹形壓力對脹形后的減薄云圖的影響，通過數(shù)值模擬和試模驗證對成形中主要參數(shù)進行優(yōu)化。

　　一、脹形序零件及成形工藝分析：

　　1）零件概述：

　　一張圓形平板料經(jīng)過充液拉深、切邊后可成形為筒形零件，如圖1a所示。筒形件高度為485 mm直筒段內(nèi)徑為Φ375 mm，材料厚度為2.5 mm，然后完成縮口工序，如圖1b所示，口部內(nèi)徑尺寸為Φ300 mm，錐形角度為150，底部半球體的內(nèi)徑依然為Φ375 mm。此零件材料為304不銹鋼，球體以圖1b為基礎(chǔ)進行脹形，最終成形為如圖2所示的球體零件。

　　2）成形工藝分析：

　　通過中間序零件特點分析可知:零件封閉且?guī)ж?fù)角特征，因此，通過充液成形該零件是較優(yōu)方案。通過柔性介質(zhì)的作用力，板料貼向模具內(nèi)腔型面，零件在成形過程中建立零件補料量與脹形壓力的協(xié)同關(guān)系，如果協(xié)同關(guān)系不合理將會產(chǎn)生破裂、堆料起皺等成形失穩(wěn)缺陷，本文主要是通過數(shù)值模擬研究補料量與脹形壓力的匹配關(guān)系。

　　二、充液脹形工藝有限元分析：

　　1）有限元分析模型：

　　該中間序零件為軸對稱的結(jié)構(gòu)，因而，在模擬成形過程中，建立1 /4模型，殼單元類型，材料模型為36鋼，凸模摩擦系數(shù)為0. 125、凹模摩擦系數(shù)為0. 08、壓邊圈摩擦系數(shù)為0. 08，設(shè)置時間為0. 08 s設(shè)定壓邊力為4000 kN，如圖3所示。有限元模型由芯模、上模、坯料和下模組成，上模與下模在合模后構(gòu)成脹形后零件的型面。模擬過程中，通過下模向上推動進行補料，在下模向上推料合模的過程中，零件內(nèi)部同時建立相匹配的脹形壓力，并且兩者需要建立合模位移與脹形壓力的協(xié)同關(guān)系。芯模是保證零件在下模推料時，防止零件上端口上移，導(dǎo)致模擬的補料量與實際不符。在實際成形過程中，零件的端口保持靜止不動，如此可以確保零件數(shù)值模擬分析與實際試驗成形的一致性。

　　2）補料量與脹形壓力的協(xié)同關(guān)系：

　　不同的補料量代表需要預(yù)脹形的零件高度不同，根據(jù)不同的補料量進行針對性的數(shù)值模擬。首先，選用72 mm補料量與45 MPa脹形壓力的條件，導(dǎo)入充液拉深工序分析后的Dynain結(jié)果文件，進行數(shù)值模擬分析，零件脹形補料量與脹形壓力匹配如圖4a所示。零件成形后出現(xiàn)環(huán)形堆料起皺問題，并且出現(xiàn)由赤道沿徑向遞減的減薄趨勢，如圖4b所示，零件的最大減薄率為17.3 %。減薄率云圖是相對于初始平板料的減薄結(jié)果，圖4a中橫坐標(biāo)為Dynaform軟件的分析時間，實際制件時間主要與合模高度與設(shè)備滑塊速度有關(guān)，與仿真分析時間無關(guān)。形成堆料的主要原因是補料量大且前期脹形壓力建立較高。

　　成形過程中的堆料問題，可通過減小補料量(50 mm)、降低初始脹形壓力后的補料量與脹形壓力的協(xié)同關(guān)系來解決，如圖5a所示。對應(yīng)該協(xié)同關(guān)系下零件脹形后的減薄率云圖如圖5b所示，可知，零件成形后變形量非常大，零件的最大減薄率為57.1 %，由于產(chǎn)品對象的最大減薄率要求為30%，已經(jīng)超出材料成形極限，由圖5b能夠看出零件出現(xiàn)破裂，由此，判定零件的補料量不足。

　　經(jīng)過堆料與脹破分析可知，需尋找一個中間狀態(tài)，選用62 mm補料量與45 MPa脹形壓力條件，進行模擬分析，經(jīng)進一步調(diào)整的補料量與脹形壓力的協(xié)同關(guān)系，如圖6a所示。零件脹形后的減薄率云圖，如圖6b所示，零件的最大減薄率為14.6%脹形后零件表面光順，無堆料起皺等問題，因此，在這種補料量和脹形壓力的協(xié)同關(guān)系下，零件成形效果較好。

　　三、試驗過程及試驗結(jié)果分析：

　　1）試模條件：

　　本試驗主要在13000 kN雙動充液設(shè)備進行試模，模具材料為40Cr鋼，模芯內(nèi)部設(shè)有排氣管，內(nèi)部充液主要用于排除零件內(nèi)部的空氣，防止出現(xiàn)零件在成形過程中內(nèi)部因出現(xiàn)氣體而導(dǎo)致脹形壓力不穩(wěn)的情況，如圖7所示。芯模由三瓣模組成，主要用于零件在充液脹形過程中所需要的剛性密封，從而達到補料量、脹形壓力等參數(shù)與實際相符。

　　2）試驗結(jié)果與分析：

　　通過數(shù)值模擬得出補料量和脹形壓力對零件成形影響的關(guān)系，實際試模過程中也同樣按照以上幾種狀態(tài)進行驗證。通過調(diào)整縮口時的縮口行程來調(diào)整零件的補料量，首先，保證零件的補料量為72 mm，并且按照圖4a的脹形壓力與補料量的協(xié)同關(guān)系，建立脹形壓力。成形后的零件如圖8所示，出現(xiàn)環(huán)形的堆料起皺問題，與模擬效果基本相符。

　　調(diào)整縮口行程，改變零件的補料量為50 mm，并且按照圖5a的脹形壓力與補料量的協(xié)同關(guān)系，建立脹形壓力。成形過程中，零件補料量未達到50 mm，且未到模具合模時，零件就已經(jīng)出現(xiàn)破裂，如圖9所示，零件沿縱向出現(xiàn)較大裂縫，與模擬的狀態(tài)也極為相近，此為補料量過小所致。

　　進一步調(diào)整縮口行程，改變零件的補料量為62 mm，并且按照圖6a的脹形壓力與補料量建立協(xié)同關(guān)系。成形后零件的表面質(zhì)量非常好，如圖10所示。

　　3）試驗結(jié)果壁厚實測：

　　最終采用優(yōu)化后的工藝方案，獲得試驗零件。通過模擬結(jié)果可以看出，球體赤道區(qū)域是減薄最大的地方，零件理論成形后的厚度為1.9~2.1 mm，在赤道區(qū)域周向均勻選取巧個點，實際測量球體赤道區(qū)域零件壁厚，數(shù)據(jù)如表1所示，可知滿足零件技術(shù)要求。

　　通過前期的數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場的試驗結(jié)果，最終通過工藝參數(shù)優(yōu)化得到合格零件。試驗過程重點把控數(shù)值模擬中減薄比較大的區(qū)域及容易出現(xiàn)堆料的情況，精確控制補料量、脹形壓力等邊界條件，做到試驗與分析相匹配。

　　四、結(jié)論：

　　(1)針對航天火箭球體整體成形零件，通過數(shù)值模擬分析與試驗結(jié)果進行對比分析，證明了數(shù)值模擬可以給試驗提供正確方向，說明數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

　　(2)通過數(shù)值模擬與實際試驗驗證，零件補料量的大小對零件的成形精度影響較大。如果補料量過大，則在成形過程中會出現(xiàn)環(huán)形堆料起皺的問題;如果補料量不足，則導(dǎo)致零件減薄量增大，甚至出現(xiàn)破裂。在選擇合理的補料量的情況下，球體內(nèi)部需要在不同的補料階段建立合適的脹形壓力，如果脹形壓力建立不合理，同樣會出現(xiàn)減薄過大、起皺等問題。

　　來源：《鍛壓技術(shù)》2020年第4期

　　作者：楊聲偉，洪躍忠，郎利輝，施立軍，張建民，張艷峰

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　　興迪源機械板材充液成形設(shè)備采用液體作為傳力介質(zhì)代替剛性凸?；虬寄鬟f載荷，使坯料在傳力介質(zhì)作用下貼靠凸?；虬寄Ｒ詫崿F(xiàn)金屬板材零件的成形。設(shè)備整體采用三梁四柱式結(jié)構(gòu)，并將壓邊缸和拉伸缸復(fù)合在一起，主缸與副液壓缸相互配合，實現(xiàn)難變形材料、復(fù)雜形狀、較大拉深比的鈑金類零件的精確、高效成形。

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