薄壁椭球瓜瓣构件充液成形工艺研究

薄壁椭球瓜瓣构件充液成形工艺研究

瓜瓣组件是卡车的重要部件之一。储存箱由几个瓜瓣制成，主要用于装载燃料。瓜瓣产品的质量和性能直接影响整个储存箱的可靠性。瓜瓣类零件多为椭球型面结构钣金件,属于大尺寸薄壁结构件,其力学性能及型面精度要求较高。传统成形方式采用刚性模拉深成形,两道次拉深,配合中间淬火处理。主要问题是型面精度不易保证,成形后需大量手工修整,生产周期长,劳动强度大,修整痕迹对产品质量影响较大,产品的工艺可靠性和质量稳定性不易保证,现已经成为各运载型号新一轮高密度发射任务的薄弱环节。充液成形技术作为先进的钣金制造技术,采用柔性介质来成形板材零件,其原理如图1所示,其中F为压边力,P为液室压力。充液成形技术的优点为:具有摩擦保持和流体润滑效果,可有效提高材料的成形极限,保证制件具有一致的形状尺寸;避免直接刚性接触,零件表面无划伤;一次拉深成形制件,无需多次退火,避免了晶粒粗大和内部组织损伤,保证制件飞行环境下使用的可靠性和安全性1材料与材料概况图2为椭球瓜瓣构件示意图,尺寸约为1350mm×1350mm,悬高差达240mm,内型面为旋转椭球面。所用原材料为6mm厚度的2219铝合金板料,2219为可变形强化铝合金。其产品的减薄率、壁厚分布均匀性、型面精度是表征产品质量、实现其力学性能指标要求和回弹控制的关键指标。2有限分析过程2.1工艺参数设定前处理模块中不等于工艺参数的时瓜瓣构件成形采用新淬火态2219铝合金,根据单拉试验获得其力学性能,见表1。将模具及零件数模导入Dynaform软件,利用前处理模块划分网格并设定工艺参数。建立的有限元分析模型如图3所示,坯料划分为4节点B-T壳单元,凸凹模、压边圈为刚体,划分采用4节点网格单元,凸模与板坯间的摩擦因数为0.15,压边圈与板坯及凹模与板坯间的摩擦因数为0.05,采用库伦摩擦模型,液室压力范围为0.5～5MPa,模拟采用定力模式,压边力设定4500～5000kN。2.2拉深成矿分析以壁厚分布、减薄率及成形质量为指标,最终确定初始反胀压力为0.5MPa,成形过程中的液室压力为2MPa,即可满足图纸技术条件和控制设备吨位的要求。图4为具体模拟结果。从FLD应变分布云图可知,零件本体区域无破裂、起皱情况发生;从材料流动云图可知,大小头圆角两侧为控制流料的关键区域,整体材料流动均匀;从减薄分布云图可见,零件本体减薄分布约为3.238%～5.703%,形变强化效果明显,变形分布均匀;从厚度分布云图可见,零件同板差仅为0.174mm,满足设计要求。进一步对拉深吨位预测可知,预测最大成形吨位为600t;分析成形后合模间隙云图(图5a)和贴模度情况(图5b)可知,零件起皱高度范围可控,贴模情况良好,满足工艺要求。3充液拉深成形工艺试验验证依据前期分析过程,开展现场试验。试验过程重点分析零件充液拉深成形后缺陷形成机制和预防措施,以试验件成形壁厚分布、减薄率、型面精度、力学性能为技术指标,验证关键工艺参数对成形质量的影响。3.1压边力对成形过程的影响试验分析过程中,一共出现了4种缺陷形式。其中缺陷1和缺陷2是由于压边力不当产生的缺陷,在现场试验过程中,压边力过小,会造成法兰处起皱剧烈,无法建立液室压力,如图6a所示,当压边力过大时,成形后期零件底部破裂,如图6b所示,最终采用压边力随凸模行程曲线变化的加载形式。合理的润滑可以降低拉深过程中的摩擦系数,降低开裂风险,缺陷3为由于润滑条件不足产生的法兰撕裂,如图6c所示,润滑条件最终采用法兰大量润滑方式。由于瓜瓣构件曲面较复杂,成形初期存在较大的悬空区,为避免成形缺陷并提高材料的刚度要求,采用初始液压反胀加液室载荷加载相结合的方法,但初始液室压力过大,成形初期的反胀鼓包高度过大,加剧了鼓峰处材料的减薄,缺陷如图6d所示。3.2型面精度检测最终采用优化后的工艺方案,获得的试验件(带法兰)及去除加工余量后的零件如图7所示。采用理论型面型胎靠胎检测型面精度,获得试验件实际型面与理论型面的间隙<2mm,减薄率控制在3.4%～4.94%,壁厚分布均匀,同板差为0.180mm,最小壁厚分布在大端曲面最高点为5.643mm,与仿真结果一致。同时,对充液拉深瓜瓣进行了力学性能、化铣、焊接性能检测,各项技术指标均满足图纸要求。4混合式瓜瓣型面检测(1)针对大尺寸薄壁瓜瓣充液拉深成形工艺,通过数值模拟分析,以壁厚分布、产品质量为指标,获得合理的工艺参数范围,得出最佳液室压力为2MPa,即可满足瓜瓣型面精度、减薄率、壁厚均匀性要求。(2)通过现场试验,研究缺陷形成机理及控制方式,通过压边力加载曲线、控制初始液室压力和法兰大量润滑,解决了充液拉深成形过程产生的起皱和开裂缺陷。(3)实现了充液拉深工艺在大尺寸薄壁瓜瓣