新闻中心

球形件整体成形充液胀形技术解析

2020-07-28
摘要:针对球形件整体成形中的充液胀形工艺,分析中间序零件的特点,制定成形工艺方法,通过数值模拟和实际试验,研究补料量、胀形压力对零件成形的影响,并通过数值模拟分析与试验结果进行对比分析,证明了数值模拟可以给试验提供正确方向,说明数值模拟的准确性。

  摘 要:针对球形件整体成形中的充液胀形工艺,分析中间序零件的特点,制定成形工艺方法,通过数值模拟和实际试验,研究补料量、胀形压力对零件成形的影响,并通过数值模拟分析与试验结果进行对比分析,证明了数值模拟可以给试验提供正确方向,说明数值模拟的准确性。

  球形件成形补料量对零件成形精度影响较大,如果补料量过大,则成形过程中会出现环形堆料、起皱等问题;如果补料量不足,则导致零件减薄增大,甚至出现破裂。此外,在合理的补料量条件下,需要根据不同合模阶段建立合理的胀形压力,如果胀形压力建立不合理,同样会出现减薄过大、起皱、堆料等问题。

  关键词:球形件;充液胀形;补料量;胀形压力;减薄率

  随着我国航天事业的发展,长征运载火箭首次飞行任务取得圆满成功,其标志着我国运载火箭升级换代的里程碑工程,是我国起飞规模最大、运载能力最大、技术跨度最大的一型运载火箭,总体技术达到国际先进水平。我国正式成为包括美国和俄罗斯在内的世界主流火箭阵营中的一员。接下来,我国各型号运载火箭、飞船将进入一轮密集发射期。

  为满足飞行器动力学性能,钣金零件向形状复杂化、尺寸精密化方向发展,对零件批量生产的质量和新产品研制的效率提出了更高的要求,保证产品的工艺可靠性和质量稳定性显得尤为重要。

  作为国内某型号运载火箭中的关键零件,整体球形件的传统成形工艺为单个瓣成形后拼焊而成,现采用充液内高压的方法实现整体成形。充液成形技术是通过液体代替刚性模,在液体压力作用下使板料贴合型面模的一种柔性体成形技术,是现代轻量化、精确制造的代表性技术之一,能够很好地解决饭金零件精确成形问题,在新能源汽车及航空航天等领域具有较大的优越性。

  通过充液整体成形的球形件与传统工艺相比具有以下优势:作为柔性体成形技术对零件的表面无损伤,因此表面质量好;零件成形后的性能可以通过合理控制补料量与胀形压力之间的关系进行完善;零件整体无焊缝、强度较高、无焊接变形、成形精度高。

  球形件整体成形的主要工序为拉深、缩口、充液胀形、翻边等,本文着重介绍充液胀形工序,分析充液胀形的主要参数,研究不同补偿量、胀形压力对胀形后的减薄云图的影响,通过数值模拟和试模验证对成形中主要参数进行优化。

  一、胀形序零件及成形工艺分析:

  1)零件概述:

  一张圆形平板料经过充液拉深、切边后可成形为筒形零件,如图1a所示。筒形件高度为485 mm直筒段内径为Φ375 mm,材料厚度为2.5 mm,然后完成缩口工序,如图1b所示,口部内径尺寸为Φ300 mm,锥形角度为150,底部半球体的内径依然为Φ375 mm。此零件材料为304不锈钢,球体以图1b为基础进行胀形,最终成形为如图2所示的球体零件。

1

2

  2)成形工艺分析:

  通过中间序零件特点分析可知:零件封闭且带负角特征,因此,通过充液成形该零件是较优方案。通过柔性介质的作用力,板料贴向模具内腔型面,零件在成形过程中建立零件补料量与胀形压力的协同关系,如果协同关系不合理将会产生破裂、堆料起皱等成形失稳缺陷,本文主要是通过数值模拟研究补料量与胀形压力的匹配关系。

  二、充液胀形工艺有限元分析:

  1)有限元分析模型:

  该中间序零件为轴对称的结构,因而,在模拟成形过程中,建立1 /4模型,壳单元类型,材料模型为36钢,凸模摩擦系数为0. 125、凹模摩擦系数为0. 08、压边圈摩擦系数为0. 08,设置时间为0. 08 s设定压边力为4000 kN,如图3所示。有限元模型由芯模、上模、坯料和下模组成,上模与下模在合模后构成胀形后零件的型面。模拟过程中,通过下模向上推动进行补料,在下模向上推料合模的过程中,零件内部同时建立相匹配的胀形压力,并且两者需要建立合模位移与胀形压力的协同关系。芯模是保证零件在下模推料时,防止零件上端口上移,导致模拟的补料量与实际不符。在实际成形过程中,零件的端口保持静止不动,如此可以确保零件数值模拟分析与实际试验成形的一致性。

3

  2)补料量与胀形压力的协同关系:

  不同的补料量代表需要预胀形的零件高度不同,根据不同的补料量进行针对性的数值模拟。首先,选用72 mm补料量与45 MPa胀形压力的条件,导入充液拉深工序分析后的Dynain结果文件,进行数值模拟分析,零件胀形补料量与胀形压力匹配如图4a所示。零件成形后出现环形堆料起皱问题,并且出现由赤道沿径向递减的减薄趋势,如图4b所示,零件的最大减薄率为17.3 %。减薄率云图是相对于初始平板料的减薄结果,图4a中横坐标为Dynaform软件的分析时间,实际制件时间主要与合模高度与设备滑块速度有关,与仿真分析时间无关。形成堆料的主要原因是补料量大且前期胀形压力建立较高。

4

  成形过程中的堆料问题,可通过减小补料量(50 mm)、降低初始胀形压力后的补料量与胀形压力的协同关系来解决,如图5a所示。对应该协同关系下零件胀形后的减薄率云图如图5b所示,可知,零件成形后变形量非常大,零件的最大减薄率为57.1 %,由于产品对象的最大减薄率要求为30%,已经超出材料成形极限,由图5b能够看出零件出现破裂,由此,判定零件的补料量不足。

5

  经过堆料与胀破分析可知,需寻找一个中间状态,选用62 mm补料量与45 MPa胀形压力条件,进行模拟分析,经进一步调整的补料量与胀形压力的协同关系,如图6a所示。零件胀形后的减薄率云图,如图6b所示,零件的最大减薄率为14.6%胀形后零件表面光顺,无堆料起皱等问题,因此,在这种补料量和胀形压力的协同关系下,零件成形效果较好。

5

  三、试验过程及试验结果分析:

  1)试模条件:

  本试验主要在13000 kN双动充液设备进行试模,模具材料为40Cr钢,模芯内部设有排气管,内部充液主要用于排除零件内部的空气,防止出现零件在成形过程中内部因出现气体而导致胀形压力不稳的情况,如图7所示。芯模由三瓣模组成,主要用于零件在充液胀形过程中所需要的刚性密封,从而达到补料量、胀形压力等参数与实际相符。

6

  2)试验结果与分析:

  通过数值模拟得出补料量和胀形压力对零件成形影响的关系,实际试模过程中也同样按照以上几种状态进行验证。通过调整缩口时的缩口行程来调整零件的补料量,首先,保证零件的补料量为72 mm,并且按照图4a的胀形压力与补料量的协同关系,建立胀形压力。成形后的零件如图8所示,出现环形的堆料起皱问题,与模拟效果基本相符。

7

  调整缩口行程,改变零件的补料量为50 mm,并且按照图5a的胀形压力与补料量的协同关系,建立胀形压力。成形过程中,零件补料量未达到50 mm,且未到模具合模时,零件就已经出现破裂,如图9所示,零件沿纵向出现较大裂缝,与模拟的状态也极为相近,此为补料量过小所致。

8

  进一步调整缩口行程,改变零件的补料量为62 mm,并且按照图6a的胀形压力与补料量建立协同关系。成形后零件的表面质量非常好,如图10所示。

9

  3)试验结果壁厚实测:

  最终采用优化后的工艺方案,获得试验零件。通过模拟结果可以看出,球体赤道区域是减薄最大的地方,零件理论成形后的厚度为1.9~2.1 mm,在赤道区域周向均匀选取巧个点,实际测量球体赤道区域零件壁厚,数据如表1所示,可知满足零件技术要求。

  通过前期的数值模拟分析和现场的试验结果,最终通过工艺参数优化得到合格零件。试验过程重点把控数值模拟中减薄比较大的区域及容易出现堆料的情况,精确控制补料量、胀形压力等边界条件,做到试验与分析相匹配。

  四、结论:

  (1)针对航天火箭球体整体成形零件,通过数值模拟分析与试验结果进行对比分析,证明了数值模拟可以给试验提供正确方向,说明数值模拟的准确性。

  (2)通过数值模拟与实际试验验证,零件补料量的大小对零件的成形精度影响较大。如果补料量过大,则在成形过程中会出现环形堆料起皱的问题;如果补料量不足,则导致零件减薄量增大,甚至出现破裂。在选择合理的补料量的情况下,球体内部需要在不同的补料阶段建立合适的胀形压力,如果胀形压力建立不合理,同样会出现减薄过大、起皱等问题。

  来源:《锻压技术》2020年第4期

  作者:杨声伟,洪跃忠,郎利辉,施立军,张建民,张艳峰

  【兴迪源机械板材充液液压成形设备优势】

  兴迪源机械板材充液成形设备采用液体作为传力介质代替刚性凸模或凹模传递载荷,使坯料在传力介质作用下贴靠凸模或凹模以实现金属板材零件的成形。设备整体采用三梁四柱式结构,并将压边缸和拉伸缸复合在一起,主缸与副液压缸相互配合,实现难变形材料、复杂形状、较大拉深比的钣金类零件的精确、高效成形。

XD-SHF系列板材充液液压成形设备

  XD-SHF系列板材充液成形设备是我司自主创新、研制开发出的具有独立知识产权的液态介质柔性成形设备,用于钣金类零件的高精度成形,在国内具有先进水平。板材充液成形设备所加工的零件具有回弹小、尺寸精度高、表面质量好等优势,广泛适用于航空航天、石油、核电、汽车、大型柴油发动机等领域。比如飞机上口框零件的预制坯,台阶型非对称油底壳拉深,盒形件的带背压拉深以及汽车减震器托盘等成形。