薄壁件液壓成形新技術(shù)

1、薄壁件液壓成形新技術(shù)New Technology of Hydro Forming of Thin-Wall Component哈爾濱工業(yè)大學(xué) 苑世劍 劉 欣 徐永超飛機、汽車等運輸工具對減輕質(zhì)量和降低成本的需求促進(jìn)了液壓成形技術(shù)的不斷發(fā)展。液壓成形技術(shù)近十多年來在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，逐步成為薄壁零件制造的主流技術(shù)之一。飛機、直升機等航空器使用的薄壁件包括異型截面管件和復(fù)雜曲面鈑金件。目前，異型截面管件的制造技術(shù)主要為半管成形再焊接，但存在焊接變形大、廢品率高和可靠性差等問題。小型復(fù)雜曲面鈑金件制造技術(shù)主要為落錘砸壓成形，它的主要問題是廢品率高、尺寸精度一致性差，以及材料內(nèi)部組織損傷影響

2、零件的疲勞性能。隨著高性能鋁合金和鈦合金的廣泛應(yīng)用，同時鎂合金的使用也逐漸增多，材料塑性成形難度越來越大，既有材料性能提高帶來的困難，也有結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜帶來的困難。例如，鋁合金的強度由150MPa提高到530MPa，塑性由30降低到10。零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜表現(xiàn)為超薄壁、空心大截面差、高次函數(shù)空間曲面或非回轉(zhuǎn)體零件等結(jié)構(gòu)形式。因此，面向高性能輕質(zhì)材料和復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的塑性成形技術(shù)得到迅速發(fā)展。本文重點介紹適合航空工業(yè)制造異型截面管件和復(fù)雜曲面鈑金件的管材內(nèi)高壓成形、熱態(tài)內(nèi)壓成形、110，接近材料均勻延伸率的3倍。充液拉深和液體凸模拉深等塑性成由于為非對稱形狀，塑性變形不均形新技術(shù)。勻，容易導(dǎo)致局部變薄

3、開裂，因此需要特殊形狀的預(yù)成形坯。用內(nèi)高壓變徑管內(nèi)高壓成形技術(shù)成形的飛機管路系統(tǒng)鋁合金變徑變徑管內(nèi)高壓成形是以管材作管，管材采用5A02鋁合金，規(guī)格為坯料，通過管材內(nèi)部施加高壓液體和65mm×1.5mm。該管材如通過軸向補料把管材壓入到模具型腔使直接脹形僅可達(dá)10%的截面膨脹率，其成形為所需工件，把管材的圓截面而零件截面差達(dá)到35%，為了保證成變?yōu)榫匦?、梯形、橢圓形或其他異型形件的壁厚分布，提出利用“有益皺截面，如圖1所示。其特點是，通過紋”改善壁厚分布的方法。采用“有軸向補料，可以減少壁厚減薄，提高益皺紋”方法大大改善了成形性能，成形極限，一次整體成形異型截面管膨脹率達(dá)到35%，壁

4、厚減薄不大于件，沒有焊縫，提高了可靠性。10%。小型偵察機發(fā)動機使用的空用內(nèi)高壓成形技術(shù)制造的心雙拐曲軸內(nèi)高壓成形件，鋼管壁厚異型雙錐形管件，材料為不銹4mm，減薄率為10%，與實心軸相比鋼1Cr18Ni9Ti，最大膨脹率達(dá)到減重57%，與機械加工相比節(jié)約材料Fc86。 FaFa彎曲軸線變截面管件內(nèi)高壓成形彎曲軸線管件內(nèi)高壓成形工藝過程包括彎曲、預(yù)成形、內(nèi)高壓成形等主要工序。圖1 變徑管內(nèi)高壓成形原理26航空制造技術(shù)·2008 年第20 期44mm，壁厚1.8mm，在175溫度下獲得了膨脹率達(dá)到30%的管件，而該鎂合金管材在室溫下幾乎不能變形。曲面板材零件充液拉深圖2 彎曲軸線鋁合金

5、變截面管件及其壁厚分布由于構(gòu)件的軸線為二維或三維的曲鋁合金和鎂合金管材熱態(tài)線，需要先經(jīng)過彎曲工序，將管材彎內(nèi)壓成形曲成和零件軸線相同或相近的形狀。為了確保管材能順利放到模具內(nèi)，彎熱態(tài)內(nèi)壓成形是將加熱到一定曲后一般要進(jìn)行預(yù)成形。圖2為一溫度的專用耐熱油充入到經(jīng)過預(yù)熱個鋁合金變截面管件，其成形過程為的模具型腔，通過加熱和冷卻裝置彎曲預(yù)成形內(nèi)高壓成形，以獲得將模具及液體的溫度控制在合適范各個不同位置的多個截面形狀，其最大減薄率為7.5。整體三通管件內(nèi)高壓成形以管材為坯料通過內(nèi)高壓成形可以直接加工出整體結(jié)構(gòu)的三通管，其原理是向管內(nèi)充滿液體，并施加一定的壓力，然后左右沖頭施加軸向力補料，同時中間的沖頭后

6、退，最終形成所需零件。整體三通管解決了半管焊接和插焊存在的問題。圖3為鋁合金三通管。管材直徑100mm，壁厚2.5mm，最大高度（支管最高點到主管軸線距離）120mm，最小厚度1.92mm（減薄率23.2%）。鋁合金三通管成形難度非常大，成形初期容易在支管頂部開裂及在主管端部起皺。圖4 管材熱態(tài)內(nèi)壓成形圍內(nèi)，然后按照設(shè)計的加載路徑進(jìn)行成形，如圖4所示。哈工大研制的熱態(tài)內(nèi)壓成形裝置介質(zhì)最高加熱溫度315，壓力100MPa，完全適用鋁合金和鎂合金零件的成形。圖5所示是用熱態(tài)內(nèi)壓成形技充液拉深是利用液體作為傳力介質(zhì)代替凹模，使板材成形到剛性凸模上的一種板料成形方法。充液拉深主要優(yōu)點是提高成形極限和減

7、少成形道次。對于錐形零件，采用普通拉深工藝需要6道次和6套模具，而且各道次之間還需要退火；而采用充液拉深工藝僅需要1道次，大大簡化了工藝，節(jié)約模具費用。對于圓筒形件，普通拉深1個道次最大拉深比為2，而充液拉深1個道次拉深比達(dá)到2.6，有時接近3。瑞典AP&T公司用充液拉深技術(shù)制造的典型零件和德國斯圖加特大學(xué)用充液拉深技術(shù)制造的鋁合金復(fù)雜曲面零件（曲面零件材料為鋁合金6016，厚度為1.1mm）。液體凸模拉深成形圖5 用熱態(tài)內(nèi)壓成形技術(shù)試制的鋁合金(左)和鎂合金(右)變徑管圖3 鋁合金Y型三通管術(shù)試制的鋁合金和鎂合金變徑管。鋁合金變徑管材料為5A02， 管材尺寸直徑65mm，壁厚1.5m

8、m，膨脹率達(dá)到70%（變形區(qū)最大直徑110mm）；而前面介紹在室溫下，采用“有益皺紋”作為預(yù)制坯的最大膨脹率只能達(dá)到35。鎂合金變徑管材料為AZ31B，管材尺寸直徑隨著壓邊力伺服控制技術(shù)和高壓密封技術(shù)的進(jìn)步，近年來以液體做為凸模的液壓拉深技術(shù)得到了迅速發(fā)展。在德國，這種技術(shù)也稱為板料高壓成形。主要工藝特點是，壓邊力隨內(nèi)壓適時變化，在成形初期，內(nèi)壓較低時，壓邊力較小，以利于板料拉入模具內(nèi)；在成形后期，當(dāng)板料全部2008 年第20 期·航空制造技術(shù)27專 稿FEATURE深、更復(fù)雜零件的成形。正反加壓充液拉深，在成形批料的上表面施加液壓來配合充液拉深，可以部分甚至全部抵消液室壓力導(dǎo)致的反

9、脹，尤其適合成形過程中具有較大懸空區(qū)的錐形件等的成形，允許施加更大的液室抑制減薄，提高成形極限。預(yù)壓力，脹充液拉深，先預(yù)脹、再拉深，實現(xiàn)應(yīng)變硬化以達(dá)到提高大型零件整體剛度的目的，可因此省去加強筋板，適合大吉普和商用車的頂蓋成形。熱態(tài)充液拉深，將材料的溫?zé)嵝阅芘c充液拉深的技術(shù)優(yōu)勢結(jié)合起來，可使鋁合金及鎂合金等成形性能差的輕體材料成形能力得到提高，促進(jìn)其在航液壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。（2）低塑性材料的拉深成形。飛機、汽車等運輸工具對減輕質(zhì)高性能鋁合金、鎂合金和超高強度鋼量和降低成本的需求促進(jìn)了液壓成等材料強度提高、塑性形技術(shù)的不斷發(fā)展。液壓成形技術(shù)降低，如鋁合金、鎂合近十多年來在工業(yè)

10、生產(chǎn)中得到了廣金板材厚向異性指數(shù)泛應(yīng)用，逐步成為薄壁零件制造的主小、硬化指數(shù)低，與鋼相流技術(shù)之一。比，更易產(chǎn)生破裂和起對于內(nèi)高壓成形或管材液壓成皺的傾向，普通沖壓工形，主要發(fā)展趨勢為：藝往往需要多道工序，（1）超高壓成形。目前，工業(yè)工藝繁瑣。充液拉深技生產(chǎn)中使用的內(nèi)高壓成形機的增壓術(shù)可以彌補低塑性材料器最高壓力一般為400MPa。為了成形性能方面的不足，適應(yīng)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀和精度、更圖6 鋁合金復(fù)雜曲面零件節(jié)省工序、提高效率。大壁厚和高強度材料（超高強鋼、鈦（3）大型復(fù)雜型面零件成形。合金和高溫合金等），就需要更高的連接等工藝復(fù)合，把幾個管材或經(jīng)過內(nèi)壓，內(nèi)壓將發(fā)展到600MPa，甚至預(yù)成形的管

11、材放在內(nèi)高壓成形模具大型復(fù)雜型面零件普通沖壓成形往1000MPa。內(nèi)，通過成形和連接工藝復(fù)合加工為往需要與零件形狀尺寸一致的凸模模具成本高，（2）熱態(tài)內(nèi)壓成形。為了解決一個零件，進(jìn)一步減少零件數(shù)量，提及與型腔相配的凹模，試模周期長。充液拉深成形只需凸高性能鋁合金、鎂合金等輕合金材料高構(gòu)件整體性。凹模型腔可以簡化，液室壓力起室溫塑性低、成形困難的問題，采用對于板材液壓成形，主要發(fā)展趨模，到軟凹模的作用使板材貼模，顯著降加熱加壓介質(zhì)成形加工異型截面零勢為：模具調(diào)試簡單。件是內(nèi)高壓成形發(fā)展的一個重要方（1）進(jìn)一步提高成形極限和零低模具成本，(4) 與普通拉深工藝復(fù)合，提高向。目前，以耐熱油做為介質(zhì)的

12、溫度件質(zhì)量的成形新技術(shù)向著主動徑向可以達(dá)到300，壓力達(dá)到100MPa，加壓充液拉深和正反加壓充液拉深、效率。普通拉深成形出零件的大部再用液壓成形加工出局部需完全能滿足鋁合金和鎂合金管材成預(yù)脹充液拉深和熱態(tài)充液拉深技術(shù)分形狀，形的需要。熱態(tài)內(nèi)壓成形的主要問方向發(fā)展。主動徑向加壓充液拉深，要的特殊形狀；或者先充液拉深成再用普通成形工藝，如帶題是成形時間長、效率低。對于鈦除充液室內(nèi)液體壓力作用外，在板料形出零件，然后液室壓力合金，需要在溫度達(dá)到600以上成法蘭區(qū)徑向獨立施加液壓，拉深過程孔坯料翻邊時先拉深，獲得較高的直壁。形，目前的耐熱油達(dá)不到這個溫度，中輔助推動板料向凹模口內(nèi)流動，可卸載進(jìn)行翻邊

13、，（責(zé)編 側(cè)衛(wèi)）但采用氣體做為成形介質(zhì)是一個很以進(jìn)一步提高零件成形極限，實現(xiàn)更拉到模具內(nèi)時，提高壓邊力保證密封，這時增加內(nèi)壓對零件進(jìn)行整形。整形最高壓力可達(dá)150MPa，因此可以獲得深度較大、形狀復(fù)雜、尤其是局部具有小過渡圓角的零件。過去類似的工藝中，由于壓邊力實時控制困難，為了保證密封，在初期施加的壓邊力較大，使板料不易拉入模具內(nèi)，實際上成為純脹形，因此成形的零件深度小、壁厚減薄不均勻且形狀簡單。圖6是采用液體凸模拉深技術(shù)成形的典型復(fù)雜零件，該件材料為硬鋁合金，塑性差，采用普通拉深需要2次退火才能完成。好的解決方案。（3）超臨界尺寸零件成形。隨著飛機對結(jié)構(gòu)輕量化需求的進(jìn)一步提高，使用的管材直徑越來越大，壁厚越來越薄，徑厚比（直徑與厚度之比）可能超過15