郎利輝，王耀，張泉達，孫志瑩，張淳

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板材小圓角柔性成形機理

郎利輝1, 2，王耀1，張泉達1，孫志瑩1，張淳3

(1. 北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京，100191；2. 北京航空航天大學(xué)先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心，北京，100191；3. 天津市天鍛壓力機有限公司，天津，301700)

針對帶有局部小圓角特征的試件，提出一種2道次大圓角變小圓角的柔性成形方法。根據(jù)試件貼模過程中與模具相切位置的不同，首先分析第2道次成形過程中2種貼模方式的優(yōu)劣，給出影響凸凹小圓角貼模過程的流料方式及直壁區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，并通過理論分析給出第1道次成形合適的凸凹圓角的計算公式。研究結(jié)果表明：貼模方式2更有利于小圓角的成形，是凸凹小圓角的較好成形方式。

板材；局部特征；凸凹小圓角；貼模方式；柔性成形

近年來，隨著對產(chǎn)品在極端條件下運行性能要求的不斷提高，越來越多的薄壁、具有復(fù)雜曲面及局部小特征和極小圓角的板材零件被廣泛應(yīng)用于航空、航天及汽車等制造領(lǐng)域。小圓角半徑通常僅為1~3倍料厚，并且成形零件表面不得有任何劃傷，這進一步增加了制造難度，給成形制造帶來了較大困難：因此，在復(fù)雜形狀薄壁構(gòu)件制造中，對于局部小特征和極小圓角的精密塑性成形成為研究熱點。同時，該技術(shù)也是先進塑性加工技術(shù)發(fā)展方向之一[1?5]。板材零件局部小圓角可以分為2種，即凸圓角和凹圓角。小凸圓角成形時，板料在凸模壓力作用下發(fā)生彎曲，凸圓角區(qū)坯料因受到拉力和彎曲應(yīng)力的綜合作用，壁厚嚴(yán)重減小，極易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，很難一次成形。小凹圓角成形時，由于成形中直壁區(qū)有較大的摩擦力，會導(dǎo)致直壁區(qū)與凹圓角區(qū)過渡處坯料壁厚減小劇烈甚至開裂。若采用液壓柔性成形，雖對零件表面起到很好的保護作用，但凹圓角區(qū)所需成形內(nèi)壓力遠遠大于其他區(qū)域所需的內(nèi)壓力，并且高壓下小凹圓角只能靠坯料減薄填充成形，很難完全貼模[6?10]。因此，如何精準(zhǔn)成形凸凹小圓角成為復(fù)雜形狀薄壁構(gòu)件成形中的關(guān)鍵問題[11]。對于局部小圓角特征的成形，研究多集中于管材內(nèi)高壓成形。趙長財?shù)萚12]基于方形模具管材內(nèi)高壓脹形，提出考慮管材與模具間滑動摩擦的力學(xué)模型，在理論上證明成形圓角半徑存在最小極限值，并給出了理論計算公式。劉剛等[13]進行矩形截面圓角部位內(nèi)高壓成形的應(yīng)力分布和變形機理分析，揭示了直壁和圓角過渡區(qū)壁厚減小及開裂的力學(xué)機理，對內(nèi)高壓成形零件設(shè)計和工藝設(shè)計具有指導(dǎo)意義。SONGMENE[14]研究了圓角成形過程中的摩擦因素，分析了其對破裂位置和破裂壓力的影響。CHEN等[15]基于Abaqus軟件，采用實體單元建立了方形截面內(nèi)高壓圓角填充成形的有限元模型，研究了摩擦對圓角成形過程的影響規(guī)律。KRIDLI等[16]研究了管坯厚度、加工硬化指數(shù)、模具圓角半徑對圓角填充過程的影響規(guī)律。對于板材類零件的小圓角成形，目前的研究報道則較少。KONG等[17]利用雙面加壓充液成形方法，成形帶有局部小圓角特征的航空薄壁波紋板件。這種新的成形工藝能夠充分發(fā)揮材料的變形能力，使波紋板各局部小特征的形變趨于平均，有效避免了破裂失效。本文作者在已有的研究基礎(chǔ)上，提出一種新的板材局部小圓角成形方法。該方法在成形頂部凸圓角的同時，通過凸圓角區(qū)材料的聚集流動，對底部凹圓角的成形也起到了有利的支持作用。通過分析新的小圓角成形機理，并與試驗結(jié)果進行對比，證明了該方法的適用性。

1 小圓角特征描述

小圓角特征及尺寸如圖1所示。試件壁厚為 0.8 mm，材料為不銹鋼SUS321，力學(xué)性能如表1所示。凸圓角半徑僅為1.5 mm，為1.87倍料厚；凹圓角半徑為2.5 mm，為3.13倍料厚，這2個圓角均為較小圓角。整個試件可以劃分為5個區(qū)域，即法蘭區(qū)、凸圓角區(qū)、直壁區(qū)、凹圓角區(qū)和底邊區(qū)。法蘭區(qū)為曲率較小的多曲率曲面，寬度為94 mm，直壁區(qū)深度約為28 mm，與底邊夾角為108°。底邊區(qū)也為曲面，形狀近似于橢圓形，長軸長度約為365 mm，短軸長度約為146 mm。試件表面質(zhì)量要求很高，不得有任何明顯的劃痕，并且壁厚減小率不得大于10%，因此，傳統(tǒng)剛模成形很難滿足成形要求。從試件的結(jié)構(gòu)特點及成形要求方面均可以看出，對于凸凹小圓角的精準(zhǔn)成形及所選用的柔性成形工藝都是該試件成形的 關(guān)鍵。

單位：mm

表1 不銹鋼SUS321板材力學(xué)性能

2 小圓角成形工藝及其機理

2.1 成形設(shè)備與工藝方案

試驗設(shè)備如圖2所示，為4 500 t板材充液成形機。該設(shè)備通過比例溢流閥控制液室壓力，最大液室壓力可達100 MPa。設(shè)備主缸公稱壓力為41 MN，壓邊缸公稱壓力為4 MN，工作臺面長×寬為2 300 mm× 1 800 mm。設(shè)備液壓傳動系統(tǒng)是由能量轉(zhuǎn)換裝置(包括油缸、電機、泵等)、能量調(diào)節(jié)控制裝置(包括控制閥集成塊、先導(dǎo)閥、各種壓力閥、方向閥、流量閥等)、輔助裝置(包括油箱、加熱及冷卻系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)、管路)及液壓附件(如濾油器、法蘭、接頭、壓力表、液位計壓力表、濾油器、管路等)等組成，借助電氣系統(tǒng)控制完成各種動作的循環(huán)。設(shè)有獨立的電氣控制箱和操縱臺，電氣控制系統(tǒng)采用PLC (Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)控制，可完成整機全部功能按鈕集中操作。

圖2 4 500 t板材充液成形設(shè)備示意圖

對于該試件的成形，若采用普通剛性模成形，則極易對零件表面造成劃傷，而且為了保證壁厚減小率，需進行至少2道次以上的成形及整形工序。若采用聚氨酯成形，則成形過程聚氨酯橡膠需不斷保壓，效率較低，并且零件小圓角特征不易成形，因此，引入高壓流體介質(zhì)成形，坯料在高壓液體均布載荷作用下變形均勻，可達到較好的成形效果[18?20]。

為探索適合于小圓角特征的成形工藝，首先直接進行1道次液壓成形，試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：凸圓角處發(fā)生破裂。從裂口的形貌特征可以看出：裂紋為拉伸剪切復(fù)合型，是在高壓液體產(chǎn)生的拉應(yīng)力和小圓角的剪切應(yīng)力的綜合作用下產(chǎn)生的。對試件凸圓角未破裂處進行剖切，剖面圖如圖4所示。經(jīng)測量，成形凸圓角半徑為2.1 mm，比試件實際圓角半徑大40%。對于凹圓角，也未能完全貼模(液壓成形的貼模過程見圖5)，這是因為凹圓角完全貼模需要很大的局部液壓力，這將導(dǎo)致整個液室壓力增加，設(shè)備噸位增大。此外，在很大的液室壓力下，凹圓角兩側(cè)已貼模的直壁部分很難向凹圓角區(qū)補料，只能靠圓角區(qū)坯料自身的壁厚減小貼靠模具，極易發(fā)生壁厚過度減小甚至破裂，因此，很難滿足試件的壁厚減小率要求。

圖3 1道次液壓成形試件

圖4 小凸圓角剖面圖

圖5 液壓成形凹圓角區(qū)貼模過程示意圖

根據(jù)上述分析，對于凸凹小圓角特征的精準(zhǔn)成形很難1道次完成，故采用2道次，大圓角變小圓角方式：第1道次先成形的圓角大一些，以便材料容易流入，避免破裂缺陷，成形方式采用液壓成形，成形過程示意圖如圖6所示。由圖6可知：第1道次液壓成形過程可分為合模階段(圖6(a))、凸圓角彎曲脹形階段(圖6(b))和凹圓角填充階段(圖6(c))；第2道次進一步整形，縮小圓角，達到精準(zhǔn)成形效果。由于凹圓角區(qū)近乎純脹形的貼模方式(見圖5)不利于小凹圓角成形，故第2道次采用帶有橡皮墊的剛模成形，其中橡皮墊材質(zhì)為5 mm的聚氨酯橡膠，顯微硬度(HA)為80。成形前，將橡皮墊放置在板料上，在剛性凸模的作用下與板料一起變形，對板料表面起到保護作用。同時，由于橡皮墊硬度較硬，可以通過傳遞剛性凸模力將凸凹小圓角成形出來。這種2道次成形方案既可以發(fā)揮液壓成形坯料變形均勻的優(yōu)點，又可以發(fā)揮剛性模(帶有橡皮墊)成形小圓角的優(yōu)勢，同時對試件表面質(zhì)量沒有任何影響，是較好的成形選擇。

(a) 合模階段；(b) 凸圓角彎曲脹形階段；(c) 凹圓角填充階段

2.2 小圓角成形機理

對于這種2道次成形工藝，成形的關(guān)鍵在于確定第1道次凸凹圓角和第2道次圓角的貼模方式。

首先，分析本文所提出的第2道次中2種大圓角變小圓角貼模方式。貼模過程如圖7所示(其中，1和2分別為第1道次成形凸凹圓角半徑，1和2為最終要成形的凸凹小圓角半徑)。方式1和方式2的不同之處在于貼模過程中試件與模具的相切位置不同。

對于方式1，其相切位置在直壁區(qū)。由于1很小，在成形過程中，1圓角上半段的大部分均位于凹模法蘭區(qū)，隨著壓邊圈首先下行合模，該部分最終成為試件法蘭部分；而后凸模下行，1圓角下半段很小的部分在凸模作用下參與后續(xù)變形。貼模方式1的缺陷之一是在試件法蘭區(qū)出現(xiàn)壓痕(見圖8)，這是由預(yù)成形試件1圓角和其法蘭直壁相切位置被壓邊圈壓制所造成的。圖9所示為貼模方式1直壁區(qū)應(yīng)力狀態(tài)及小凹圓角成形補料方式。隨著變形的進行，直壁區(qū)逐漸貼模，由于凸圓角區(qū)(1)僅有很小部分參與直壁區(qū)變形，導(dǎo)致直壁區(qū)徑向拉應(yīng)力增大，壁厚減小加劇。同時，在成形角2時，直壁區(qū)對凹圓角區(qū)的補料量不足，導(dǎo)致凹圓角2的壁厚減小較大。對于凹圓角2的成形，相比液壓填充方式，方式1雖存在直壁區(qū)向凹圓角區(qū)流料不足的問題，但也可以起到少量補料作用，將小凹圓角成形。

對于方式2，試件貼模過程與模具的相切位置在法蘭區(qū)，不會在試件表面造成壓痕，提高了成形質(zhì)量。從圖7可以看出：貼模方式2預(yù)成形試件周向尺寸比凹模周向尺寸小一個凸圓角半徑差(1?1)。這就要求第1道次成形的凸圓角1不能太大，若太大將導(dǎo)致半徑差(1?1)增大，周向應(yīng)變增大，試件壁厚減小嚴(yán)重。1的最佳值應(yīng)為第1道次不破裂時的最小圓角。方式2的凸圓角貼模形式為凸模側(cè)向擠壓拉伸復(fù)合成形。在凸模側(cè)向力和拉伸力的綜合作用下，坯料斜向下運動，在凸圓角區(qū)形成1個存料區(qū)(見圖10)，可為后續(xù)凹圓角2的成形補充坯料，有利于2成形。隨著變形的進行，直壁區(qū)逐漸貼模。直壁區(qū)應(yīng)力狀態(tài)及向凹圓角區(qū)的流料方式如圖10所示。由于凸圓角存料區(qū)的存在，使直壁區(qū)流料充足，對凹圓角的補料也很充分。數(shù)值模擬得到2種貼模方式下直壁區(qū)和底邊區(qū)向凹圓角區(qū)的流料量對比，如圖11所示。另外，由于周向應(yīng)力增加，直壁區(qū)材料變形更加均勻，成形性更好。對于凹圓角2的成形，相比貼模方式1，貼模方式2的成形過程中凹圓角區(qū)的材料流入量更充分，使凹圓角區(qū)的壁厚分布更加均勻，成形效果更好。

(a) 貼模方式1；(b) 貼模方式2

圖8 貼模方式1法蘭區(qū)缺陷示意圖

圖9 貼模方式1直壁區(qū)應(yīng)力狀態(tài)及小凹圓角成形補料方式

圖10 貼模方式2直壁區(qū)應(yīng)力狀態(tài)及小凹圓角成形補料方式

圖11 2種方式下凹圓角區(qū)材料流入量對比

3種貼模方式(包括液壓填充方式)下試件凹圓角區(qū)壁厚分布曲線如圖12所示。通過上述分析及試驗可以看出：成形方式2更有利于試件的成形，是成形凸凹小圓角的較好方式。

1—液壓填充方式；2—方式1；3—方式2。

2.3 預(yù)成形凸凹圓角大小確定

對于成形方式2，第1道次所成形的凸凹圓角對其貼模過程影響較大，其中凸圓角1的最佳值為第1道次不破裂時的最小圓角，凹圓角2則可根據(jù)液壓成形圓角填充過程可成形的最小圓角進行計算。

當(dāng)液壓力作用在坯料上，坯料開始變形，沿著凹模圓角(凸圓角)進行彎曲，彎曲過程是一個復(fù)雜的塑性變形過程，為了簡化分析，進行如下假設(shè)：

1) 彎曲區(qū)域為完全塑性變形；

2) 忽略應(yīng)變強化效應(yīng)。

則彎曲區(qū)域的最大拉應(yīng)力可表示為

(2)

式中：為彎曲外層半徑；為彎曲內(nèi)層半徑；為中性層半徑；為坯料厚度。

當(dāng)坯料沿著凹模圓角(凸圓角)移動，假定消耗于圓角部分的附加彎曲力w和內(nèi)力的彎曲功相等，則在凹模圓角處的彎曲與反彎曲變形所引起的附加應(yīng)力為：

(4)

考慮凹模圓角的摩擦影響，則彎曲區(qū)域最大拉應(yīng)力為

(50°＜＜70°) (6)

成形過程中凹模圓角半徑越小，則坯料變形程度越大，最外層邊緣纖維拉伸變形也越大。當(dāng)凹模圓角半徑減小到一定值時，最外層纖維的拉伸變形超過材料許用變形程度，將會產(chǎn)生材料拉裂。因此，可根據(jù)外層纖維拉裂的極限彎曲半徑計算出最小凹模圓角半徑，即第1道次成形的最小凸圓角半徑。

邊界條件為：

(9)

凹圓角2可成形的最小圓角半徑可通過文獻[17]中的公式計算得到(式(10))。實際成形中，為了提高成形性能，2可以設(shè)置得稍大一些。

式中：為成形過程液室壓力。

3 小圓角成形試驗

試驗在上述4 500 t板材充液成形機上進行，通過理論計算及運用成形方式2得到的合格試件如圖13所示。以試件底部中心為測量中心，沿短軸方向?qū)?種成形方式下試件壁厚分布進行測量，結(jié)果如圖14所示。由圖14可以看出：成形方式2得到的試件整體壁厚分布更加均勻，尤其在凸凹小圓角區(qū)，壁厚減小較少，成形效果較好，是局部小圓角特征的較好成形方法。

圖13 成形方式2得到的合格試件

1—成形方式1；2—成形方式2。

4 結(jié)論

1) 基于試件貼模過程與模具相切位置的不同，提出了一種2道次大圓角變小圓角的柔性成形方法。該方法可在凸圓角區(qū)形成1個存料區(qū)，為后續(xù)直壁和凹圓角的成形補充材料，可有效用于成形帶有局部小圓角特征的零件。

2) 這種2道次柔性成形方法，成形的關(guān)鍵在于確定第1道次凸凹圓角和第2道次圓角的貼模方式。通過理論分析給出第1道次成形合適的凸凹圓角的計算公式，并分析第2道次中這2種貼模方式的流料過程及直壁區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。通過與試驗結(jié)果對比，驗證了上述分析的正確性，說明該方法適用于局部小圓角特征成形。

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(編輯 伍錦花)

Mechanism research on sheet flexible forming with small round corner

LANG Lihui1, 2, WANG Yao1, ZHANG Quanda1, SUN Zhiying1, ZHANG Chun3

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China;2. Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine, Beihang University, Beijing 100191, China;3. Tianjin Tianduan Press Co. Ltd, Tianjin 301700, China)

A new flexible forming method, which cnages the round corner radius from big values to small ones by two steps, was proposed for the specimen with local small round corner radius. Depending on different tangent positions between the specimen and the die, two kinds of forming modes in the second step were analyzed firstly. The material flow modes which had influence on the forming of small convex and concave round corner and the stress state of straight wall area were both presented. Meanwhile, the calculation formulas for the suitable convex and concave round corner in the first step were also given by theoretical analysis. The results show that forming mode 2 is more beneficial for the formation of small round corner and is a good method for the formation of small convex and concave round corner.

sheet metal; local feature; small convex and concave round corner; forming mode; flexible forming

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.09.010

TG394

A

1672?7207(2017)09?2324?07

2016?11?07；

2016?12?31

國家科技重大專項(2014ZX04002041)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51175024) (Project(2014ZX04002041) supported by the National Science and Technology Major Project; Project(51175024) supported by the National Natural Science Foundation of China)

郎利輝，博士，教授，從事液壓柔性成形技術(shù)及裝備研究；E-mail: lang@buaa.edu.cn