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复杂薄壁航空整体钣金件液压成型工艺分析

引言

传统航空板材的制造过程多数由人工完成,非自动化的方式导致行为低效,且难以保证板材的精确度。随着自动化技术的发展,航空领域在制备板材时采取自动化和控制性较好成型工艺,液压成型工艺凭借其优良性能,使磨具的成本降低,并缩短生产周期,并达到精确控制钣金成型的要求。


液压成型工艺原理和特点分析

现代化的液压成型工艺在板材成型过程中以液体代替或者辅助成型。液压拉伸成型通过在凹模中充加液体,液压室作用在液体上的压力会使毛坯和凸模结合的更为紧密,保证成型的精确性,液体还充当一定的润滑作用,减小成型过程中摩擦力的阻碍,提高成型极限,并减小拉伸过程中带来的的局部缺陷,使板件的质量得到较高的提升。液体的使用使成型过程中摩擦阻力减小,并具有溢流润滑的作用,可以减少钣金件成型和退火次数,提高铸件效率,降低成本,并且铸件精确度得到提高,符合柔性加工的需要,复合材料在成型室温下具有较好的焊接效果。但在复杂航空整体钣金件的成型过程中由于凹模型腔内的液压压力会对凸模下行产生阻抗,对设备的吨位提出较高要求,此外液压的使用使得密封技术的应用对板件成型具有重要影响,板件成型中要不断补充液体,也会导致生产效率问题。

板材液压拉伸的过程控制


板材液压过程出现的问题

板材成型过程中的液室压力和液体在流动时板材成型应力是主要影响因素。国内外的学者在研究液压成型技术中不断克服技术难题,通过复合材料各异性对成型可靠性进行分析,通过壳体应力本构方程方法的实施以及工艺参数的设置等对液压成型技术进行完善。但复杂航空板件的成型,由于设计复杂性不断提高,导致成型过程出现更多不可控因素。板材拉伸过程中经常出现过度施压导致的褶皱和过度施加拉力导致的破裂,因此,压力和拉力的控制成为板件成型需要控制的关键工艺参数。

起皱的控制

钣金件法兰区起皱的主要原因是压边力过低或者压扁缝隙过大使板坯流人凹模所致,此类缺陷一般使用增加大压边力或者减小压边缝隙的方式进行改进。而悬空区起皱现象,则是液压压力过小引起的切向压应力过大所致,增大液室压力和压边力能够解决该问题。

破裂的控制

凸模圆角处破裂是成型过程中易发生的缺陷,可以在成型初期通过强制性增加液室压力或者对比例溢流阀进行控制防止液压室较大波动,并增加凸模圆角半径来减小局部拉应力避免破裂问题。


复杂航空整体钣金件液压成型的工艺分析

国产铝镁合金5A0 6 是具有代表性的航空用材,由于材料性能优良,质量轻,在复杂曲面薄壁钣金件加工中广泛应用。但常温下其成型受到限制,一般用于拉伸比较低的钣金件制造。以下对5A0 6 复杂薄壁整体钣金件的成型工序和缺陷控制,进行充液成型的工艺分析。


钣金件成型的过程使用E T A 软件进行模拟分析,主要检测充液成型后板料不同区域的变形情况,并对分析结果设计复杂薄壁钣金件的模具。


成型工艺分析

钣金件为曲面保护罩,使用材料为铝镁合金,厚度1m m ,保护罩设计长度118m m ,宽为160m m ,深度60m m ,沿周为20m m 法兰,保护罩端面为混合曲面。由于零件的拉伸高度为0.5,经分析,成型过程中主要存在以下困难:板料比较薄延展性较差;转角一次成形困难,会出现起皱或破裂问题;曲面模具设计具有一定难度;三维曲面设计需不断进行试验,成本控制和制造周期存在难题,曲面薄壁板材的焊接加工存在困难。


有限元模型的建立与分析

由于复杂曲面薄壁钣金件的充液成形具有一定的复杂性,需要进行可行性分析,因此建立数据模型p]。冲压成形的数据模拟以有限元方法为主,本次使用E T A 软件进行仿真模拟,仿真过程使用H ill屈服材料模型,并使用B T 板料单元。根据初步设定的方案在C A T IA 中建立板料、凹模、凸模的型面模型。通过数据化命令,建立三维模型坐标。为保证另一平面零件下面产生,要求高于最底面1m m ,并结合模型对相对位置进行设定。采用自动模拟设置,压边使用固定间隙的方法,设定凹模冲压速度为3000mm/s 。

由于板料充液成型中会存在缺陷,在压边力和充液压力变化不大时,对成型影响较大的因素是压边间隙。保护罩的设计压边间隙为1.2m m 和0.8m m ,对成型模拟结果进行分析,在1.2m m 时,由于间隙过大圆角区存在较大褶皱,而设定0.8m m 时,由于压力间隙过小发生钣金件破裂。经过分析优化,多次模拟调试最终确定该钣金件的充液成形工艺参数,压力间隙为板料厚度的1.05~1.1倍。并形成液压室的压力加载路径。使用软件的关键词二次开发实现数字模拟,并按照模拟结果得到的液压室的压力路径完成初始膨胀阶段和合模进给结算。液压室的控制现象增加到10M P a,然后保持成型。根据钣金件的液压室极限图进行分析,发现主要成型区没有起皱现象,而圆角区存在起皱趋势,法兰边缘区存在较严重的起皱现象,分析法兰区的变形多位于四周工艺补充面不影响最终成型。最终的成型结果位于安全区,且无破裂出现。零件最薄的区域位于混合曲面处,大部分主型面厚度为0.925±0.025m m ,由于复杂断面板材的流动性较差,体积分布不均,板料的厚度云图显示最薄处为0.831m m ,在设计成型所允许的变薄范围内,且板料的最大延伸率为17.3%符合招镇材料的最大延伸范围。

模具机构设计

仿真结果构建的模具结构主要包括凹模、凸模和压边圈,将凸模和压边圈固定在压力为4000k N 的双动液压机的上模块和压边模块上。在成型阶段,将液体充人凹模液压室,将毛坯放人凹模面上,滑动压边模块使板料受压力均匀的贴合在凸模上。凸模的设计尺寸根据零件的最初设计尺寸设定,凸模使用45 钢硬度为36HRC 。


若钣金件的尺寸不大时,凹模的结构可以采用整体式缩口结构的模具设计。在其他条件一致时,整体式的模具设计具有更高的抗压性。为减轻施工量凹模口尺寸应小于内腔15mm。凹模的材料选用45轧钢,可以保证在较大的压强下不发生渗漏。压力圈材料同样使用45钢,硬度和凹模一致,磨具型面部分保证粗糙度为0.8,压扁间隙设定为1.1mm。最终设计制造出合格的钣金件。


本文采用有限元数值模拟方法分析了充液拉深成型的过程,使用该制造工艺可以避免起皱和破裂,成型出完好的保护罩。局部压边力在调节材料流动、控制法兰处金属的拉人和避免起皱和破裂方面有重要的作用。有限元模拟得到的理想局部压边力的设置,和一些工艺参数,能够保证钣金件的精确性和可靠性。凹模充液拉深成型拉深为主要步骤,成型过程中起皱是最大危险,在背向液体压力作用下,板料与冲头之间的摩擦力增大,避免了冲头圆角处板料急剧减薄。且成型过程产生的小鼓包对板料的后续成型有预强化作用,能提高板料成型性。充液拉深工艺在厚度方向压应力和摩擦力的控制具有较好的成型性能。


结束语

随着航空钣金件对制造工艺的要求不断提高,复杂薄壁钣金件的成型工艺不断改进,充液成型基于有限元的分析,对成型过程进行模拟控制,提高成型间隙的控制,以此,制造的钣金件模具合格率提高。

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