一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析

工程科学学报，第39卷，第7期：1077-1086,2017年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.7:1077-1086,July 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.014:http://journals..ustb.edu.cn 一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 王耀，郎利辉⑧，孙志莹，阚鹏 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191 ☒通信作者，E-mail:lang@buaa.edu.cm 摘要针对薄壁板材零件小圆角特征成形制造难的问题，提出了一种新型胀压复合成形工艺.其关键工艺参数为：预成形 高度、预成形凹圆角大小和终成形胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系·预成形高度决定了终成形小圆角的材料储备，预 成形凹圆角的最佳值为充液拉深时凸模圆角可取的最小值，通过理论分析给出了预成形高度和预成形凹圆角的计算方法. 建立了胀压复合成形过程力学模型，通过应力状态分析给出了不同胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系下坯料圆角区变 形状况.同时基于有限元模拟和工艺试验，研究了预成形高度和终成形胀形压力与背压匹配路径对试验件成形质量的影响， 验证了理论分析的准确性，并证明了该新工艺的适用性 关键词板材零件：小圆角特征：充液成形：胀压匹配：预成形高度：预成形凹圆角 分类号TG394 Analysis of a bulging-pressing compound-forming process for the sheet metal part with a small round corner feature WANG Yao,LANG Li-hui,SUN Zhi-ying,KAN Peng School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University,Beijing 100191,China Corresponding author,E-mail:lang@buaa.edu.cn ABSTRACT This study presented a new bulging-pressing compound-forming process to solve the manufacturing problem of a thin- wall specimen with a small round comner radius.Its key process parameters were the pre-forming depth,pre-forming concave round corner,and matching relation between the liquid bulging pressure and the backpressure punch velocity in the final forming process. The pre-forming depth determines the material reserves of the small round corner area in final forming.The best pre-forming concave round corner is the minimum punch comer in hydro-mechanical deep drawing.The calculating methods for the pre-forming depth and the pre-forming concave round corner were provided by a theoretical analysis.The mechanical model of the bulging-pressing compound forming process was built.Moreover,the deformation situation in the round corner area with different matching relations between the liquid bulging pressure and the backpressure punch velocity was provided by the stress state analysis.Meanwhile,the influences of the pre-forming depth and the matching relation between the liquid bulging pressure and the backpressure in final forming on the quality of the part were researched based on the finite element simulations and experiments.The accuracy of the theoretical analysis was verified. In addition,the applicability of the new process was proven. KEY WORDS sheet part;small round comner feature;hydroforming:bulging-pressing matching:pre-forming depth;pre-forming concave round corner 随着国家战略需求及先进制造技术的不断发展，月球车“玉兔号”，需承受月球表面真空、强辐射、极限 越来越多的产品将会在极端条件下运行，如中国首辆 温度(-180~150℃)等极端环境0.这种情况下，就 收稿日期：201607-22 基金项目：国家科技重大专项资助项目(2014ZX04002041):国家自然科学基金资助项目(51175024)

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期: 1077--1086，2017 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 7: 1077--1086，July 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 07． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn 一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 王 耀，郎利辉，孙志莹，阚 鹏 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191 通信作者，E-mail: lang@ buaa． edu． cn 摘 要 针对薄壁板材零件小圆角特征成形制造难的问题，提出了一种新型胀压复合成形工艺． 其关键工艺参数为: 预成形 高度、预成形凹圆角大小和终成形胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系． 预成形高度决定了终成形小圆角的材料储备，预 成形凹圆角的最佳值为充液拉深时凸模圆角可取的最小值，通过理论分析给出了预成形高度和预成形凹圆角的计算方法． 建立了胀压复合成形过程力学模型，通过应力状态分析给出了不同胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系下坯料圆角区变 形状况． 同时基于有限元模拟和工艺试验，研究了预成形高度和终成形胀形压力与背压匹配路径对试验件成形质量的影响， 验证了理论分析的准确性，并证明了该新工艺的适用性． 关键词 板材零件; 小圆角特征; 充液成形; 胀压匹配; 预成形高度; 预成形凹圆角 分类号 TG394 Analysis of a bulging-pressing compound-forming process for the sheet metal part with a small round corner feature WANG Yao，LANG Li-hui ，SUN Zhi-ying，KAN Peng School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China Corresponding author，E-mail: lang@ buaa． edu． cn ABSTＲACT This study presented a new bulging-pressing compound-forming process to solve the manufacturing problem of a thin￾wall specimen with a small round corner radius． Its key process parameters were the pre-forming depth，pre-forming concave round corner，and matching relation between the liquid bulging pressure and the backpressure punch velocity in the final forming process． The pre-forming depth determines the material reserves of the small round corner area in final forming． The best pre-forming concave round corner is the minimum punch corner in hydro-mechanical deep drawing． The calculating methods for the pre-forming depth and the pre-forming concave round corner were provided by a theoretical analysis． The mechanical model of the bulging-pressing compound forming process was built． Moreover，the deformation situation in the round corner area with different matching relations between the liquid bulging pressure and the backpressure punch velocity was provided by the stress state analysis． Meanwhile，the influences of the pre-forming depth and the matching relation between the liquid bulging pressure and the backpressure in final forming on the quality of the part were researched based on the finite element simulations and experiments． The accuracy of the theoretical analysis was verified． In addition，the applicability of the new process was proven． KEY WOＲDS sheet part; small round corner feature; hydroforming; bulging-pressing matching; pre-forming depth; pre-forming concave round corner 收稿日期: 2016--07--22 基金项目: 国家科技重大专项资助项目( 2014ZX04002041) ; 国家自然科学基金资助项目( 51175024) 随着国家战略需求及先进制造技术的不断发展， 越来越多的产品将会在极端条件下运行，如中国首辆 月球车“玉兔号”，需承受月球表面真空、强辐射、极限 温度( － 180 ～ 150 ℃ ) 等极端环境［1］． 这种情况下，就

·1078 工程科学学报，第39卷，第7期 要求产品具有很高的制造质量，同时产品的复杂程度 数值模拟和试验验证，证明了该工艺的适用性 也越来越高，一些异形曲面、具有局部小特征和极小圆 角的薄壁零件被广泛使用网.其中小圆角往往仅1~3 1 工艺过程 倍料厚，更小的甚至不足1倍料厚，并且成形零件表面 本文所提出的胀压复合成形工艺是液压成形小圆 质量要求很高，不得有任何划伤，零件材料广泛使用轻 角的一种新工艺，可用于成形较小的凹圆角特征，弥补 质合金，这些进一步增加了制造难度，给成形制造带来 液压成形小圆角所需液室压力大的劣势.整个工艺流 了较大困难因.因此，对于在极端条件下运行的复杂 程包括两道次成形工序，如图1所示. 形状薄壁构件的制造，其局部小特征和极小圆角的精 密塑性成形成为人们的研究热点，也是先进塑性加工 板材小圆角胀压复合成形工艺 技术发展方向之一 关键工艺参数 工序 板材零件的局部小圆角可以分为凸圆角和凹圆 角.对于小凸圆角的成形机理，笔者已在之前的文章 坯料 中进行了解析.本文主要针对小凹圆角成形机理，提 出了一种新型胀压复合成形工艺并对该工艺进行相应 地解析.传统成形小凹圆角的方法有普通刚性模成形 预成形高度 充液拉深成形 →顶成形 和内高压充填成形-，刚性模成形极易对零件表面 预成形凹圆角长 造成划伤，并且成形中模具在凹圆角直壁区较大的摩 擦力会导致直壁与凹圆角过渡处坯料壁厚剧烈减薄甚 胀形压力与 背压凸模运 张压复合成形 >终成形 至开裂，为保证试件壁厚在可接受范围内需进行多道 行速度匹配 次的成形及整形工序圆.内高压圆角充填成形，虽对 零件表面起到很好地保护作用，但凹圆角贴模所需的 合格零件 局部液压力远远大于其他区域，这将导致整个液室压 图1胀压复合成形工艺流程 力增加，设备吨位增大.并且在很大的液室压力下，凹 Fig.1 Bulging-pressing compound-forming process flow 圆角两侧已贴模的直壁部分很难向凹圆角区补料，只 能靠圆角区坯料自身壁厚减薄贴靠模具，极易发生壁 预成形为充液拉深，主要成形出合适的零件高度 厚过度减薄甚至破裂，很难满足成形要求0 及较大的凹圆角，其中预成形高度要比实际零件高一 对于板材零件小凹圆角的成形，目前的研究报道 些，这样可以为终成形胀压工序起到一定聚料作用. 较少，Kong等u提出了双面加压充液成形方法成形带 终成形时，将零件倒置放置，零件下面为高压液体，上 有局部小圆角特征的航空薄壁波纹板件.金淼等☒ 面为带有最终小凹圆角特征的凸模，成形过程凸模下 以数值模拟为手段对板材在拉力下通过模具圆角时的 行同时对液室加压，小凹圆角在液室胀形压力及背压 接触状态进行了研究，分析了板材与模具圆角间的接 凸模运行速度的共同作用下胀压成形出来，工艺过程 触特点，给出了接触状态与圆角大小及受力状态间的 如图2所示.该板材小圆角胀压复合成形工艺关键参 关系.宋玉泉与赵军四以其所提出的胀形解析理论 数为：预成形高度、预成形凹圆角大小及终成形胀形压 为依据，给出了超塑胀形充填圆角和型槽的最住加压 力与背压凸模运行速度匹配关系. 规律.虽然板材成形小凹圆角的研究较少，但在管材 2工艺解析 内高压成形中对于矩形截面管的圆角充填行为，国内 外研究者则做了较多的研究.如刘钢等进行了矩 2.1预成形高度确定 形截面圆角部位内高压成形的应力分布和变形机理分 预成形高度为首道次充液拉深的拉深高度h(见 析，揭示了直壁和圆角过渡区壁厚减薄及开裂的力学 图3)，其大小决定了终成形小圆角的材料储备.预成 机理，对内高压成形零件设计和工艺设计具有指导意 形高度过大会造成局部聚料过多，在小凹圆角区和直 义.Songmene试验研究了圆角成形过程中的摩擦因 壁区易发生堆料起皱现象：预成形高度过小，则会使局 素，分析了其对破裂位置和破裂压力的影响.本文在 部聚料不足，导致在较高的胀形压力下直至破裂仍无 已有研究的基础上，针对板材小凹圆角成形机理，提出 法贴模，因此首先需理论上确定预成形高度值 了一种新型胀压复合成形工艺并对该工艺进行了相应 根据拉深前和拉深后材料的体积不变，并假设变 地解析，研究了影响小凹圆角成形质量的关键工艺参 形中坯料厚度不变，则预成形材料的储备量可以通过 数，即预成形高度、预成形凹圆角大小和终成形胀形压 预成形试件的表面积与最终零件的表面积近似相等计 力与背压凸模运行速度匹配关系.最后进行了相应地 算得到.图中预成形高度为h,实际零件高度为H

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 要求产品具有很高的制造质量，同时产品的复杂程度 也越来越高，一些异形曲面、具有局部小特征和极小圆 角的薄壁零件被广泛使用［2］． 其中小圆角往往仅 1 ～ 3 倍料厚，更小的甚至不足 1 倍料厚，并且成形零件表面 质量要求很高，不得有任何划伤，零件材料广泛使用轻 质合金，这些进一步增加了制造难度，给成形制造带来 了较大困难［3］． 因此，对于在极端条件下运行的复杂 形状薄壁构件的制造，其局部小特征和极小圆角的精 密塑性成形成为人们的研究热点，也是先进塑性加工 技术发展方向之一［4--5］． 板材零件的局部小圆角可以分为凸圆角和凹圆 角． 对于小凸圆角的成形机理，笔者已在之前的文章 中进行了解析． 本文主要针对小凹圆角成形机理，提 出了一种新型胀压复合成形工艺并对该工艺进行相应 地解析． 传统成形小凹圆角的方法有普通刚性模成形 和内高压充填成形［6--7］，刚性模成形极易对零件表面 造成划伤，并且成形中模具在凹圆角直壁区较大的摩 擦力会导致直壁与凹圆角过渡处坯料壁厚剧烈减薄甚 至开裂，为保证试件壁厚在可接受范围内需进行多道 次的成形及整形工序［8］． 内高压圆角充填成形，虽对 零件表面起到很好地保护作用，但凹圆角贴模所需的 局部液压力远远大于其他区域，这将导致整个液室压 力增加，设备吨位增大． 并且在很大的液室压力下，凹 圆角两侧已贴模的直壁部分很难向凹圆角区补料，只 能靠圆角区坯料自身壁厚减薄贴靠模具，极易发生壁 厚过度减薄甚至破裂，很难满足成形要求［9--10］． 对于板材零件小凹圆角的成形，目前的研究报道 较少，Kong 等［11］提出了双面加压充液成形方法成形带 有局部小圆角特征的航空薄壁波纹板件． 金淼等［12］ 以数值模拟为手段对板材在拉力下通过模具圆角时的 接触状态进行了研究，分析了板材与模具圆角间的接 触特点，给出了接触状态与圆角大小及受力状态间的 关系． 宋玉泉与赵军［13］以其所提出的胀形解析理论 为依据，给出了超塑胀形充填圆角和型槽的最佳加压 规律． 虽然板材成形小凹圆角的研究较少，但在管材 内高压成形中对于矩形截面管的圆角充填行为，国内 外研究者则做了较多的研究． 如刘钢等［14］进行了矩 形截面圆角部位内高压成形的应力分布和变形机理分 析，揭示了直壁和圆角过渡区壁厚减薄及开裂的力学 机理，对内高压成形零件设计和工艺设计具有指导意 义． Songmene［15］试验研究了圆角成形过程中的摩擦因 素，分析了其对破裂位置和破裂压力的影响． 本文在 已有研究的基础上，针对板材小凹圆角成形机理，提出 了一种新型胀压复合成形工艺并对该工艺进行了相应 地解析，研究了影响小凹圆角成形质量的关键工艺参 数，即预成形高度、预成形凹圆角大小和终成形胀形压 力与背压凸模运行速度匹配关系． 最后进行了相应地 数值模拟和试验验证，证明了该工艺的适用性． 1 工艺过程 本文所提出的胀压复合成形工艺是液压成形小圆 角的一种新工艺，可用于成形较小的凹圆角特征，弥补 液压成形小圆角所需液室压力大的劣势． 整个工艺流 程包括两道次成形工序，如图 1 所示． 图 1 胀压复合成形工艺流程 Fig． 1 Bulging-pressing compound-forming process flow 预成形为充液拉深，主要成形出合适的零件高度 及较大的凹圆角，其中预成形高度要比实际零件高一 些，这样可以为终成形胀压工序起到一定聚料作用． 终成形时，将零件倒置放置，零件下面为高压液体，上 面为带有最终小凹圆角特征的凸模，成形过程凸模下 行同时对液室加压，小凹圆角在液室胀形压力及背压 凸模运行速度的共同作用下胀压成形出来，工艺过程 如图 2 所示． 该板材小圆角胀压复合成形工艺关键参 数为: 预成形高度、预成形凹圆角大小及终成形胀形压 力与背压凸模运行速度匹配关系． 2 工艺解析 2. 1 预成形高度确定 预成形高度为首道次充液拉深的拉深高度 h( 见 图 3) ，其大小决定了终成形小圆角的材料储备． 预成 形高度过大会造成局部聚料过多，在小凹圆角区和直 壁区易发生堆料起皱现象; 预成形高度过小，则会使局 部聚料不足，导致在较高的胀形压力下直至破裂仍无 法贴模，因此首先需理论上确定预成形高度值． 根据拉深前和拉深后材料的体积不变，并假设变 形中坯料厚度不变，则预成形材料的储备量可以通过 预成形试件的表面积与最终零件的表面积近似相等计 算得到． 图中预成形高度为 h，实际零件高度为 H． · 8701 ·

王耀等：一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 ·1079· 凸模 凸圆角（区） 压边圈 法兰区、 母 直壁区 凹圆角（区） 顶成形队 液室 底边区凹圆角 小凹圆角特征 凸模 凸模 压边圈 ,压边圈 TB 液室 液室 6 图2胀压复合成形工艺过程.(a)预成形：(b)终成形前期：(c)终成形后期 Fig.2 Bulging-pressing compound-forming process sketch:(a)pre-forming:(b)initial stage in final forming:(c)later stage in final forming 预成形形状 充液拉深由于液室压力的作用，使板料紧紧贴在凸模 最终形状 上，凸模圆角与板料之间的摩擦力缓解了该处板料危 险断面的拉应力，使危险点向凹模圆角口处转移，所以 在充液拉深成形过程中破坏一般发生在凹模圆角处， 而不是普通拉深常见的凸模圆角处 充液拉深过程液室压力对凸模圆角处作用及该处 应力状态的示意图如图4所示.其中，0。为经向应力， o。为纬向应力.图4(a)为充液室液体压力适宜，板材 凸模圆角处的状态：图(b)为液室压力太低，在凸模圆 角处无法形成足够的摩擦保持效应，造成板料凸模圆 图3预成形形状与最终形状尺寸关系 角处壁厚减薄量过多甚至破裂，其应力状态显示该处 Fig.3 Dimension relations between the pre-forming and final shapes 为双向拉应力且应力数值均较大；图()为充液室压 力太高，在凹模圆角处板材极度向上弯曲，致使凸模圆 A预=A1+A2+A3（h1). (1) 角处也承受较大的经向拉应力而产生过度减薄甚至破 式中，A,为预成形底边区表面积，A,为预成形圆角球 裂，该处经向拉应力要远大于其纬向拉应力. 台部分表面积，A,为预成形直壁区表面积 A路=A4+A5+A (2) 由此可见，合适的液室压力可使充液拉深成形的 式中，A:为最终零件底边区表面积，A,为最终零件圆 凸模圆角比普通拉深更小，更有利于该胀压复合成形 角球台部分表面积，A。为最终零件直壁区表面积.根 工艺.该预成形凹圆角的最佳值为充液拉深时凸模圆 据A预=A#,可求得h1,而预成形高度为： 角可取的最小值，一般取3~8倍料厚.结合铝合金材 h=h+R (3) 料本身，确定成形过程液室压力的取值范围为10~30 预成形高度与最终零件高度差值为： MPa. h,=h-H. (4) 2.3终成形胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系 2.2预成形凹圆角确定 终成形胀形压力P与背压凸模运行速度，的匹配 预成形凹圆角值即首道次充液拉深凸模圆角值. 关系是影响最终小圆角成形质量的关键工艺参数，不

王 耀等: 一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 图 2 胀压复合成形工艺过程． ( a) 预成形; ( b) 终成形前期; ( c) 终成形后期 Fig． 2 Bulging-pressing compound-forming process sketch: ( a) pre-forming; ( b) initial stage in final forming; ( c) later stage in final forming 图 3 预成形形状与最终形状尺寸关系 Fig． 3 Dimension relations between the pre-forming and final shapes A预 = A1 + A2 + A3 ( h1 ) ． ( 1) 式中，A1 为预成形底边区表面积，A2 为预成形圆角球 台部分表面积，A3 为预成形直壁区表面积． A终 = A4 + A5 + A6 ． ( 2) 式中，A4 为最终零件底边区表面积，A5 为最终零件圆 角球台部分表面积，A6 为最终零件直壁区表面积． 根 据 A预 = A终 ，可求得 h1，而预成形高度为: h = h1 + Ｒ1 ． ( 3) 预成形高度与最终零件高度差值为: hc = h － H． ( 4) 2. 2 预成形凹圆角确定 预成形凹圆角值即首道次充液拉深凸模圆角值． 充液拉深由于液室压力的作用，使板料紧紧贴在凸模 上，凸模圆角与板料之间的摩擦力缓解了该处板料危 险断面的拉应力，使危险点向凹模圆角口处转移，所以 在充液拉深成形过程中破坏一般发生在凹模圆角处， 而不是普通拉深常见的凸模圆角处． 充液拉深过程液室压力对凸模圆角处作用及该处 应力状态的示意图如图 4 所示． 其中，σρ 为经向应力， σθ 为纬向应力． 图 4( a) 为充液室液体压力适宜，板材 凸模圆角处的状态; 图( b) 为液室压力太低，在凸模圆 角处无法形成足够的摩擦保持效应，造成板料凸模圆 角处壁厚减薄量过多甚至破裂，其应力状态显示该处 为双向拉应力且应力数值均较大; 图( c) 为充液室压 力太高，在凹模圆角处板材极度向上弯曲，致使凸模圆 角处也承受较大的经向拉应力而产生过度减薄甚至破 裂，该处经向拉应力要远大于其纬向拉应力． 由此可见，合适的液室压力可使充液拉深成形的 凸模圆角比普通拉深更小，更有利于该胀压复合成形 工艺． 该预成形凹圆角的最佳值为充液拉深时凸模圆 角可取的最小值，一般取 3 ～ 8 倍料厚． 结合铝合金材 料本身，确定成形过程液室压力的取值范围为 10 ～ 30 MPa． 2. 3 终成形胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系 终成形胀形压力 p 与背压凸模运行速度 v 的匹配 关系是影响最终小圆角成形质量的关键工艺参数，不 · 9701 ·

·1080· 工程科学学报，第39卷，第7期 压边圈 凸模 凸模 压边圈 压边圈 凸模 液室 10a 图4液室压力对凸模圆角处作用及应力状态.(a)液室压力适宜：(b)液室压力太低：（℃）液室压力太高 Fig.4 Effect of the liquid pressure on the punch comner and the stress states:(a)appropriate liquid pressure:(b)low liquid pressure:(c)high liquid pressure 合适的匹配均可能导致成形失效，产生破裂或起皱缺 作用下发生弯胀变形，小圆角半径从R变成R,最 陷.终成形圆角处胀压过程的力学模型如图5所示， 终完成胀压成形.图中，，为变形过渡高度，F为凸模 可以看出随着从预成形高度h变化到最终高度H,圆 作用于板料的力，L为圆角与底边过渡点距模具直壁 角处在均布胀形压力p和背压凸模运行速度，的共同 的水平距离 图5胀压成形过程圆角处力学模型.()圆角处弯胀过程：(b)圆角处受力模型 Fig.5 Mechanical model of the round comer area in the bulging-pressing compound-forming process:(a)bending and bulging process of the round comer area:(b)mechanical model of the round corner area 为了分析胀形压力p与背压凸模运行速度v匹配 如果以σ代表板材面内绝对值较大的应力，o 关系对圆角区变形状况的影响，引入应力状态Lode参 代表板材面内绝对值较小的应力，则比值： 数y。来表征不同匹配关系下圆角区应力状态变化，进 A=(-1≤A≤. (6) 而阐明圆角区变形状况. Lode参数可以表示为： 可以用来表示圆角区胀压成形时的应力比 2(2--1,(-1≤y≤10. 胀形压力与背压凸模运行速度的匹配关系可以分 Y。 (5) 01-03 为以下三种，如表1所示. 式中，σ12和σ3分别为第一、第二和第三主应力 匹配方式一胀形压力较小，背压凸模速度较快，凸 表1终成形胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系 Table 1 Matching relation between the liquid bulging pressure and the backpressure punch velocity in final forming 匹配关系 说明 匹配方式一 胀形压力较小，背压凸模运行速度较快，凸模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆角最终贴模 匹配方式二 胀形压力与背压凸模运行速度均匀变化，凸模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆角最终贴模. 匹配方式三 胀形压力较大，背压凸模运行速度较慢，凸模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆角最终贴模

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 图 4 液室压力对凸模圆角处作用及应力状态． ( a) 液室压力适宜; ( b) 液室压力太低; ( c) 液室压力太高 Fig． 4 Effect of the liquid pressure on the punch corner and the stress states: ( a) appropriate liquid pressure; ( b) low liquid pressure; ( c) high liquid pressure 合适的匹配均可能导致成形失效，产生破裂或起皱缺 陷． 终成形圆角处胀压过程的力学模型如图 5 所示， 可以看出随着从预成形高度 h 变化到最终高度 H，圆 角处在均布胀形压力 p 和背压凸模运行速度 v 的共同 作用下发生弯胀变形，小圆角半径从 Ｒ预 变成 Ｒ终 ，最 终完成胀压成形． 图中，h1为变形过渡高度，F 为凸模 作用于板料的力，L 为圆角与底边过渡点距模具直壁 的水平距离． 图 5 胀压成形过程圆角处力学模型． ( a) 圆角处弯胀过程; ( b) 圆角处受力模型 Fig． 5 Mechanical model of the round corner area in the bulging-pressing compound-forming process: ( a) bending and bulging process of the round corner area; ( b) mechanical model of the round corner area 为了分析胀形压力 p 与背压凸模运行速度 v 匹配 关系对圆角区变形状况的影响，引入应力状态 Lode 参 数 γσ 来表征不同匹配关系下圆角区应力状态变化，进 而阐明圆角区变形状况． Lode 参数可以表示为: γσ = 2( σ2 － σ3 ) σ1 － σ3 － 1，( － 1≤γσ≤1) ． ( 5) 式中，σ1、σ2 和 σ3 分别为第一、第二和第三主应力． 如果以 σma代表板材面内绝对值较大的应力，σmi 代表板材面内绝对值较小的应力，则比值: λ = σmi σma ，( － 1≤λ≤1) ． ( 6) 可以用来表示圆角区胀压成形时的应力比． 胀形压力与背压凸模运行速度的匹配关系可以分 为以下三种，如表 1 所示． 匹配方式一胀形压力较小，背压凸模速度较快，凸 表 1 终成形胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系 Table 1 Matching relation between the liquid bulging pressure and the backpressure punch velocity in final forming 匹配关系 说明 匹配方式一 胀形压力较小，背压凸模运行速度较快，凸模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆角最终贴模． 匹配方式二 胀形压力与背压凸模运行速度均匀变化，凸模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆角最终贴模． 匹配方式三 胀形压力较大，背压凸模运行速度较慢，凸模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆角最终贴模． · 0801 ·

王耀等：一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 ·1081· 模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆 0,而纬向为拉应力σ。，较小：随着胀压成形的进行， 角最终贴模.此种匹配关系成形过程圆角区A点（如 液室压力不断增大，0。也不断增大，σ。不断减小并逐 图5(b)所示)的应力状态如图6所示.可以看出成形 渐从压应力转变为拉应力，成形后期σ。逐渐增大并最 初期，由于背压速度较快，圆角区受到较大经向压应力 终大于0 图6匹配方式一下圆角区A点的应力状态.(a)成形初期：(b)成形中期：(c)成形后期 Fig.6 Stress state of the A point in the round comer area using the matching mode one:(a)initial stage of forming:(b)middle stage of forming: (c)later stage of forming 匹配方式一的应力状态表达式如下. 区（如图2(a))由于无约束极易在较大压应力下快速 胀压初期：圆角区为压一拉应力状态，-1≤入≤0， 下行，脱离模具；而圆角区则在压应力下易产生起皱 0i→0。→010一→02,0m→0。→03’ 缺陷 匹配方式三胀形压力较大，背压凸模速度较慢，凸 (7) 模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆 胀压中期：圆角区为拉一压应力状态，-1≤入≤0， 角最终贴模.此种匹配关系成形过程圆角区A点的应 0m→0。→01,0→02,0m一→0。→03， 力状态如图7所示.可以看出成形初期，由于液室胀 w会 形压力较大，坯料圆角区及底边区可近似认为发生胀 (8) 形变形，圆角区受到较大经向拉应力。和纬向拉应力 胀压后期：圆角区为拉一拉应力状态，0≤入≤1， σ。：随着胀压成形的进行，坯料在液室压力作用下贴靠 0→0。→01,0m→0。→020→03， 凸模，无法继续胀形，随之在凸模下行压力下发生反向 Y后=2A-1. (9) 变形.圆角区应力状态逐渐由双向拉应力状态转变为 成形过程，圆角区应力状态由式(7)逐步转变为 双向压应力状态。变化过程中，双向拉应力值逐渐减 式(9).前期的压一拉应力状态，由于背压凸模运行速 小，减小至一定程度后转变方向为压应力，并且压应力 度较快，使整个坯料接触部位产生较大的压应力，底边 数值逐渐增大，整个过程σ。较σ。变化快. b d 图7匹配方式三下圆角区A点的应力状态.(a)成形初期：(b)成形中期：(c)成形后期 Fig.7 Stress state of the A point in the round comer area using the matching mode three:(a)initial stage of forming:(b)middle stage of forming: (c)later stage of forming 匹配方式三的应力状态表达式如下 成形过程，圆角区应力状态由式(10)逐步转变为 胀压初期：圆角区为拉一拉应力状态， 式(12).前期由于液室压力较大，坯料圆角区发生胀 0≤入≤1，Y初=2入-1. (10) 形，应力状态为双向拉应力，坯料依靠自身减薄逐步填 胀压中期：圆角区为拉一压应力状态， 充圆角，致使圆角区易出现破裂危险。并且胀形到一 -1≤A≤0，y4=-1-入 1+入 (11) 定程度贴靠凸模后，随着凸模下压，由于初期胀形较高 又可能会在圆角区产生反向叠料现象，出现起皱缺陷 胀压后期：圆角区为压一压应力状态， 匹配方式二胀形压力与背压凸模速度均匀变化， 0≤A≤1，y.后=-(2A-1). (12) 凸模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小

王 耀等: 一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆 角最终贴模． 此种匹配关系成形过程圆角区 A 点( 如 图 5( b) 所示) 的应力状态如图 6 所示． 可以看出成形 初期，由于背压速度较快，圆角区受到较大经向压应力 σρ，而纬向为拉应力 σθ，较小; 随着胀压成形的进行， 液室压力不断增大，σθ 也不断增大，σρ 不断减小并逐 渐从压应力转变为拉应力，成形后期 σρ 逐渐增大并最 终大于 σθ ． 图 6 匹配方式一下圆角区 A 点的应力状态． ( a) 成形初期; ( b) 成形中期; ( c) 成形后期 Fig． 6 Stress state of the A point in the round corner area using the matching mode one: ( a) initial stage of forming; ( b) middle stage of forming; ( c) later stage of forming 匹配方式一的应力状态表达式如下． 胀压初期: 圆角区为压--拉应力状态，－ 1≤λ≤0， σmi→σθ→σ1，0→σ2，σma→σρ→σ3， γσ初 = 1 + λ 1 － λ ． ( 7) 胀压中期: 圆角区为拉--压应力状态，－ 1≤λ≤0， σma→σθ→σ1，0→σ2，σmi→σρ→σ3， γσ中 = － 1 + λ 1 － λ ． ( 8) 胀压后期: 圆角区为拉--拉应力状态，0≤λ≤1， σma→σρ→σ1，σmi→σθ→σ2，0→σ3， γσ后 = 2λ － 1． ( 9) 成形过程，圆角区应力状态由式( 7) 逐步转变为 式( 9) ． 前期的压--拉应力状态，由于背压凸模运行速 度较快，使整个坯料接触部位产生较大的压应力，底边 区( 如图 2( a) ) 由于无约束极易在较大压应力下快速 下行，脱离模具; 而圆角区则在压应力下易产生起皱 缺陷． 匹配方式三胀形压力较大，背压凸模速度较慢，凸 模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小圆 角最终贴模． 此种匹配关系成形过程圆角区 A 点的应 力状态如图 7 所示． 可以看出成形初期，由于液室胀 形压力较大，坯料圆角区及底边区可近似认为发生胀 形变形，圆角区受到较大经向拉应力 σρ 和纬向拉应力 σθ ; 随着胀压成形的进行，坯料在液室压力作用下贴靠 凸模，无法继续胀形，随之在凸模下行压力下发生反向 变形． 圆角区应力状态逐渐由双向拉应力状态转变为 双向压应力状态． 变化过程中，双向拉应力值逐渐减 小，减小至一定程度后转变方向为压应力，并且压应力 数值逐渐增大，整个过程 σρ 较 σθ 变化快． 图 7 匹配方式三下圆角区 A 点的应力状态． ( a) 成形初期; ( b) 成形中期; ( c) 成形后期 Fig． 7 Stress state of the A point in the round corner area using the matching mode three: ( a) initial stage of forming; ( b) middle stage of forming; ( c) later stage of forming 匹配方式三的应力状态表达式如下． 胀压初期: 圆角区为拉--拉应力状态， 0≤λ≤1，γσ初 = 2λ － 1． ( 10) 胀压中期: 圆角区为拉--压应力状态， － 1≤λ≤0，γσ中 = － 1 + λ 1 － λ ． ( 11) 胀压后期: 圆角区为压--压应力状态， 0≤λ≤1，γσ后 = － ( 2λ － 1) ． ( 12) 成形过程，圆角区应力状态由式( 10) 逐步转变为 式( 12) ． 前期由于液室压力较大，坯料圆角区发生胀 形，应力状态为双向拉应力，坯料依靠自身减薄逐步填 充圆角，致使圆角区易出现破裂危险． 并且胀形到一 定程度贴靠凸模后，随着凸模下压，由于初期胀形较高 又可能会在圆角区产生反向叠料现象，出现起皱缺陷． 匹配方式二胀形压力与背压凸模速度均匀变化， 凸模下行至临界位置后继续增大液室压力整形，使小 · 1801 ·

·1082· 工程科学学报，第39卷，第7期 圆角最终贴模.此种匹配关系成形过程圆角区A点的 整个成形过程，圆角区均为拉一拉应力状态， 应力状态如图8所示.可以看出，整个胀压成形过程 0≤A≤1，y。=2λ-1. (13) 中圆角区始终保持双拉应力状态，纬向拉应力σ。大 应力状态的稳定及始终较小的径向拉应力σ。，使 于经向拉应力σ。，并且σ。始终较小，保持在一个合 得成形过程圆角区不易产生起皱或破裂缺陷.同时， 适范围内：整个过程双向应力值虽均有增大，但增幅 较大地纬向拉应力σ。可以使纬向变形更加均匀，圆角 很小 区成形性更好 6 创 b 图8匹配方式二下圆角区A点的应力状态.(a)成形初期：(b)成形中期：(c)成形后期 Fig.8 Stress state of the A point in the round corner area using the matching mode two:(a)initial stage of forming:(b)middle stage of forming: (c)later stage of forming 出，铝合金材料室温下塑性较差，延伸率仅为10%，成 3工艺验证 形过程中在小凹圆角处极易发生破裂缺陷.试件表面 3.1试验件及材料 质量要求很高，不得有任何明显的划痕.从试件的结 试验件形状及尺寸如图9所示，试件壁厚为1.5 构特点及成形要求方面均可以看出，对于小凹圆角的 mm,顶部小凹圆角仅为4.0mm,为2.7倍料厚.试件 精准成形是该试件成形的关键.试验在5600kN板材 材料为铝合金20240，力学性能如表2所示，可以看 充液成形设备上进行. 154 ◆200 (aj (b) 图9试验件形状及尺寸.(a)俯视图：(b)A-A剖视图（单位：mm) Fig.9 Part with shape and key dimensions:(a)vertical view:(b)A-A cutaway view (unit:mm) 表22024-0铝合金板材力学性能参数 点B一T壳单元进行网格离散，采用自适应网格细化功 Table 2 Mechanical properties of the 2024-0sheet metal 能，提高求解精度，使其可以更好地反映小圆角处的成 屈服强度/抗拉强度/延伸率/加工硬化弹性模量， 形状况.凸模、液室及压边圈视为刚性体，选择刚性4 MPa MPa 指数，n E/GPa 节点单元划分网格.材料模型为幂指数硬化模型，考 244 425 10 0.22 68 虑到板料各向异性和平面应力状态，屈服准则选用三 3.2数值模拟方法 参数Barlat屈服准则.板料和模具的接触类型为面- 数值模拟软件选择板材成形专用软件eta/Dy- 面自动接触，由于试验材料为铝合金2024-0，所以板 naform5.8.1,有限元模型如图10所示.板料采用4节 料和模具之间的摩擦系数均取为0.17

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 圆角最终贴模． 此种匹配关系成形过程圆角区 A 点的 应力状态如图 8 所示． 可以看出，整个胀压成形过程 中圆角区始终保持双拉应力状态，纬向拉应力 σθ 大 于经向拉应力 σρ，并且 σρ 始终较小，保持在一个合 适范围内; 整个过程双向应力值虽均有增大，但增幅 很小． 整个成形过程，圆角区均为拉--拉应力状态， 0≤λ≤1，γσ = 2λ － 1． ( 13) 应力状态的稳定及始终较小的径向拉应力 σρ，使 得成形过程圆角区不易产生起皱或破裂缺陷． 同时， 较大地纬向拉应力 σθ 可以使纬向变形更加均匀，圆角 区成形性更好． 图 8 匹配方式二下圆角区 A 点的应力状态． ( a) 成形初期; ( b) 成形中期; ( c) 成形后期 Fig． 8 Stress state of the A point in the round corner area using the matching mode two: ( a) initial stage of forming; ( b) middle stage of forming; ( c) later stage of forming 3 工艺验证 3. 1 试验件及材料 试验件形状及尺寸如图 9 所示，试件壁厚为 1. 5 mm，顶部小凹圆角仅为 4. 0 mm，为 2. 7 倍料厚． 试件 材料为铝合金 2024--O，力学性能如表 2 所示，可以看 出，铝合金材料室温下塑性较差，延伸率仅为 10% ，成 形过程中在小凹圆角处极易发生破裂缺陷． 试件表面 质量要求很高，不得有任何明显的划痕． 从试件的结 构特点及成形要求方面均可以看出，对于小凹圆角的 精准成形是该试件成形的关键． 试验在 5600 kN 板材 充液成形设备上进行． 图 9 试验件形状及尺寸． ( a) 俯视图; ( b) A--A 剖视图( 单位: mm) Fig． 9 Part with shape and key dimensions: ( a) vertical view; ( b) A--A cutaway view ( unit: mm) 表 2 2024--O 铝合金板材力学性能参数 Table 2 Mechanical properties of the 2024--O sheet metal 屈服强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 延伸率/ % 加工硬化 指数，n 弹性模量， E /GPa 244 425 10 0. 22 68 3. 2 数值模拟方法 数值模 拟 软 件 选 择 板 材 成 形 专 用 软 件 eta /Dy￾naform 5. 8. 1，有限元模型如图 10 所示． 板料采用 4 节 点 B--T 壳单元进行网格离散，采用自适应网格细化功 能，提高求解精度，使其可以更好地反映小圆角处的成 形状况． 凸模、液室及压边圈视为刚性体，选择刚性 4 节点单元划分网格． 材料模型为幂指数硬化模型，考 虑到板料各向异性和平面应力状态，屈服准则选用三 参数 Barlat 屈服准则． 板料和模具的接触类型为面-- 面自动接触，由于试验材料为铝合金 2024--O，所以板 料和模具之间的摩擦系数均取为 0. 17． · 2801 ·

王耀等：一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 ·1083· (a) 凸模 (b) 压边图 凸模 压边圈 预成形试件 ,板料 液室 液室 图10有限元模型.(a)预成形充液拉深：(b)终成形胀压复合 Fig.10 Finite element model:(a)pre-forming by hydro-mechanical deep drawing:(b)final forming by bulging-pressing compound forming 3.3结果与分析 液体的作用下或已知未贴模继续增大液室压力情况 根据理论分析，确定预成形高度为29.4mm,预成 下，该圆角区很可能由于局部拉应力过大而导致胀破 形凹圆角取6.67倍料厚，考虑到成形过程坯料壁厚变 预成形高度为32mm时，在试件直壁区产生叠料，圆角 化及材料流动的影响，设计预成形高度分别为28、29、 区产生起皱，主要由于预成形高度较大，储料量较多， 30和32mm进行数值模拟.压边力为2.45×105N,液 致使小凹圆角区处于“多料”状态，成形过程凸模下 压力路径选择最优加载路径.数值模拟结果如图11 行，在背压作用下将多余的料传递到直壁区，造成直壁 所示，图中左上角为试件成形极限图，其纵坐标为主应 区料多而无法吸收产生堆叠.预成形高度为29mm和 变数值￡，横坐标为次应变数值E2·可以看出随着预 30mm时，试件成形效果较好，圆角填充到位.但相比 成形高度的增加，小凹圆角处的失稳状态逐渐从无法 预成形高度为29mm和30mm时，试件圆角区出现了 贴模（继续增大液室压力将出现破裂）向起皱过渡.预 轻微的起皱现象.预成形高度29mm与理论计算值最 成形高度为28mm时，试件在小凹圆角处无法完全贴 接近，成形试件品质较好，未出现破裂和起皱缺陷，说 模，主要由于预成形高度较小，未储备成形所需足够的 明预成形料的储备量合适，并且试件壁厚分布更加均 料，致使小凹圆角区处于“缺料”状态，加之加工硬化 匀，小凹圆角区没有明显的减薄和增厚（如图12 使圆角周围材料很难向圆角区流动，在成形后期高压 所示) L0PART-BLANK OPART:BLANK 08 0 05-0.3-0.10.10.305 0.5-03-0.10.10.3 0.5 (a LOPART:BLANK LOPART:BLANK 0.8 0.6 0.5-03-0.10.1030.5 05-0301003 (c) d 图11不同预成形高度下试件成形极限图.(a)预成形高度为28mm:(b)预成形高度为29mm:(c)预成形高度为30mm:(d)预成形高度 为32mm Fig.11 Specimen FLD with different pre-forming depths:(a)pre-forming depth of 28 mm:(b)pre-forming depth of 29mm:(c)pre-forming depth of 30 mm:(d)pre-forming depth of 32 mm 根据胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系分 与凸模不接触状态，并且在背压作用下，试件直壁区底 析，设计如图13所示的三种路径曲线，三种路径下试 部出现“压下”现象（如图14(a)所示），极易造成起皱 件成形质量如图14所示.可以看出，匹配路径1由于 缺陷.匹配路径3则由于初期液室压力较大，凸模下 初期液室压力较小，凸模下行速度较快，造成试件顶部 行速度较慢，使得试件圆角区在较大液室压力下发生

王 耀等: 一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 图 10 有限元模型． ( a) 预成形充液拉深; ( b) 终成形胀压复合 Fig． 10 Finite element model: ( a) pre-forming by hydro-mechanical deep drawing; ( b) final forming by bulging-pressing compound forming 3. 3 结果与分析 根据理论分析，确定预成形高度为 29. 4 mm，预成 形凹圆角取 6. 67 倍料厚，考虑到成形过程坯料壁厚变 化及材料流动的影响，设计预成形高度分别为 28、29、 30 和 32 mm 进行数值模拟． 压边力为 2. 45 × 105 N，液 压力路径选择最优加载路径． 数值模拟结果如图 11 所示，图中左上角为试件成形极限图，其纵坐标为主应 变数值 ε1，横坐标为次应变数值 ε2 ． 可以看出随着预 成形高度的增加，小凹圆角处的失稳状态逐渐从无法 贴模( 继续增大液室压力将出现破裂) 向起皱过渡． 预 成形高度为 28 mm 时，试件在小凹圆角处无法完全贴 模，主要由于预成形高度较小，未储备成形所需足够的 料，致使小凹圆角区处于“缺料”状态，加之加工硬化 使圆角周围材料很难向圆角区流动，在成形后期高压 液体的作用下或已知未贴模继续增大液室压力情况 下，该圆角区很可能由于局部拉应力过大而导致胀破． 预成形高度为 32 mm 时，在试件直壁区产生叠料，圆角 区产生起皱，主要由于预成形高度较大，储料量较多， 致使小凹圆角区处于“多料”状态，成形过程凸模下 行，在背压作用下将多余的料传递到直壁区，造成直壁 区料多而无法吸收产生堆叠． 预成形高度为 29 mm 和 30 mm 时，试件成形效果较好，圆角填充到位． 但相比 预成形高度为 29 mm 和 30 mm 时，试件圆角区出现了 轻微的起皱现象． 预成形高度 29 mm 与理论计算值最 接近，成形试件品质较好，未出现破裂和起皱缺陷，说 明预成形料的储备量合适，并且试件壁厚分布更加均 匀，小凹圆角区没有明显的减薄和增厚 ( 如 图 12 所示) ． 图 11 不同预成形高度下试件成形极限图． ( a) 预成形高度为 28 mm; ( b) 预成形高度为 29 mm; ( c) 预成形高度为 30 mm; ( d) 预成形高度 为 32 mm Fig． 11 Specimen FLD with different pre-forming depths: ( a) pre-forming depth of 28 mm; ( b) pre-forming depth of 29 mm; ( c) pre-forming depth of 30 mm; ( d) pre-forming depth of 32 mm 根据胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系分 析，设计如图 13 所示的三种路径曲线，三种路径下试 件成形质量如图 14 所示． 可以看出，匹配路径 1 由于 初期液室压力较小，凸模下行速度较快，造成试件顶部 与凸模不接触状态，并且在背压作用下，试件直壁区底 部出现“压下”现象( 如图 14( a) 所示) ，极易造成起皱 缺陷． 匹配路径 3 则由于初期液室压力较大，凸模下 行速度较慢，使得试件圆角区在较大液室压力下发生 · 3801 ·

·1084, 工程科学学报，第39卷，第7期 (a 。-预成形高度28mm+一预成形高度30mm 1.52 ·一预成形高度29mm一预成形高度 32 mm 1.50 1.48 1.46 1.44 1.42 1.40 0123456789101 测量点 图12不同预成形高度得到的试件壁厚分布.(a)测量点位置：(b)厚度分布 Fig.12 Wall thickness distribution using different pre-forming depths:(a)measuring points;(b)wall thickness distribution 胀形，依靠坯料自身减薄逐步填充圆角，致使圆角区出 3.0 现多处潜在破裂位置（如图14(c)所示）.并且胀形到 一定程度，随着凸模下压，由于初期胀形较高又会在圆 2.5 角区产生反向叠料现象，出现起皱缺陷.而匹配路径2 2.0 得到的试件成形质量较好，圆角区未产生任何缺陷 (如图14(b)所示)，说明路径2的匹配关系对于该试 件小圆角的成形较为合适：为了更加形象地表达匹配 1.0 路径2条件下圆角胀压成形过程，使用ANSYS15.0后 一路径1 0.5 。一路径2 处理对坯料显示壁厚，并进行观测，如图15所示.三 ▲一路径3 种匹配路径下试件壁厚分布如图16所示（测量点如图 10203040 50 60 12(a)所示)，可以看出路径2和路径1得到的试件壁 液室压力MPa 厚分布均匀程度都较高，路径2略好于路径1.在路径 图13液室压力与凸模行程匹配关系 2条件下，试件整体壁厚减薄较小，壁厚较厚，在小凹 Fig.13 Matching relation between the liquid pressure and the punch 圆角区没有明显的减薄和增厚现象.路径3则如前所 stroke 述，在5和6两个位置处壁厚分别出现了明显的减薄 和增厚. 剖切测量，壁厚分布见图18，可以看出试件壁厚分布 使用最优工艺参数（预成形高度29mm、预成形凹 较均匀，小凹圆角处成形轮廓清晰，未出现破裂和起皱 圆角半径10mm、终成形胀形压力与背压凸模运行速 缺陷，试验结果与数值模拟及理论分析一致性较好，说 度匹配路径2)，运用所提出的板材小圆角胀压复合成 明该胀压复合成形工艺可以较好地用于极小凹圆角的 形工艺得到合格试验件，如图17所示，对试验件进行 成形. 1OPART-BLANK 0.6 0.6 2 650.3-0.1 0501 PART:BLANK 1030.5 (c) 图14不同匹配路径下试件成形极限图.(a)路径1：(b)路径2：(c)路径3 Fig.14 Specimen FLD with different matching paths:(a)Path 1:(b)Path 2:(c)Path 3

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 图 12 不同预成形高度得到的试件壁厚分布． ( a) 测量点位置; ( b) 厚度分布 Fig． 12 Wall thickness distribution using different pre-forming depths: ( a) measuring points; ( b) wall thickness distribution 胀形，依靠坯料自身减薄逐步填充圆角，致使圆角区出 现多处潜在破裂位置( 如图 14( c) 所示) ． 并且胀形到 一定程度，随着凸模下压，由于初期胀形较高又会在圆 角区产生反向叠料现象，出现起皱缺陷． 而匹配路径 2 得到的试件成形质量较好，圆角区未产生任何缺陷 ( 如图 14( b) 所示) ，说明路径 2 的匹配关系对于该试 件小圆角的成形较为合适． 为了更加形象地表达匹配 路径 2 条件下圆角胀压成形过程，使用 ANSYS15. 0 后 处理对坯料显示壁厚，并进行观测，如图 15 所示． 三 种匹配路径下试件壁厚分布如图 16 所示( 测量点如图 12( a) 所示) ，可以看出路径 2 和路径 1 得到的试件壁 厚分布均匀程度都较高，路径 2 略好于路径 1． 在路径 图 14 不同匹配路径下试件成形极限图． ( a) 路径 1; ( b) 路径 2; ( c) 路径 3 Fig． 14 Specimen FLD with different matching paths: ( a) Path 1; ( b) Path 2; ( c) Path 3 2 条件下，试件整体壁厚减薄较小，壁厚较厚，在小凹 圆角区没有明显的减薄和增厚现象． 路径 3 则如前所 述，在 5 和 6 两个位置处壁厚分别出现了明显的减薄 和增厚． 使用最优工艺参数( 预成形高度 29 mm、预成形凹 圆角半径 10 mm、终成形胀形压力与背压凸模运行速 度匹配路径 2) ，运用所提出的板材小圆角胀压复合成 形工艺得到合格试验件，如图 17 所示，对试验件进行 图 13 液室压力与凸模行程匹配关系 Fig． 13 Matching relation between the liquid pressure and the punch stroke 剖切测量，壁厚分布见图 18，可以看出试件壁厚分布 较均匀，小凹圆角处成形轮廓清晰，未出现破裂和起皱 缺陷，试验结果与数值模拟及理论分析一致性较好，说 明该胀压复合成形工艺可以较好地用于极小凹圆角的 成形． · 4801 ·

王耀等：一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 ·1085· 图15匹配路径2条件下圆角胀压成形过程.(a)成形前期：()成形中期：（©）成形后期 Fig.15 Bulging-pressing forming process of the round comer under matching Path 2:(a)initial stage of forming:(b)middle stage of forming:(c) later stage of forming 1.52 1.50 1.50 1.49 1.48 1.48 1.46 1.44 1.42 1.46 1.40 ·一路径1 1.45 一路径2 ·一试验结果 1.38 一路径3 ·一模拟结果 1.44 01234567891011 01234567891011 测量点 测量点 图16不同匹配路径下得到的试件壁厚分布 图18合格试验件壁厚分布 Fig.16 Wall thickness distribution using different matching paths Fig.18 Wall thickness distribution of the qualified specimen 造成局部聚料过多，在小凹圆角直壁区发生堆料起皱 现象；预成形高度过小，则会使局部聚料不足，导致在 较高的胀形压力下直至破裂仍无法贴模.预成形凹圆 角值是充液拉深时的凸模圆角值，其最佳为充液拉深 时凸模圆角可取的最小值 (3)通过应力状态分析给出了不同胀形压力P与 背压凸模运行速度，匹配关系下的坯料凹圆角区变形 状况. (4)基于有限元模拟和工艺试验，研究了预成形 高度和终成形胀形压力与背压匹配路径对试验件最终 图17合格试验件 Fig.17 Qualified specimen 成形质量的影响，验证了所提出的小圆角胀压复合成 形工艺的可行性和适用性 4结论 参考文献 (1)基于板材零件小圆角特征成形制造难的问 [Chen Y L.Zhang F.Shan Q,et al.Application progress of preei- 题，提出了一种新型胀压复合成形工艺.该工艺的关 sion forming technology in aerospace.Mater Sci Technol,2013. 21(4):57 键工艺参数为：预成形高度、预成形凹圆角大小和终成 (陈永来，张帆，单群，等.精密成形技术在航天领域的应用 形胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系 进展.材料科学与工艺，2013,21(4)：57) (2)预成形高度为首道次充液拉深高度h,其大小 Zhang S H,Chen S F,Ma Y,et al.Developments of new sheet 决定了终成形小圆角的材料储备.预成形高度过大会 metal forming technology and theory in China.Acta Metall Sin-

王 耀等: 一种板材小圆角胀压复合成形工艺解析 图 15 匹配路径 2 条件下圆角胀压成形过程． ( a) 成形前期; ( b) 成形中期; ( c) 成形后期 Fig． 15 Bulging-pressing forming process of the round corner under matching Path 2: ( a) initial stage of forming; ( b) middle stage of forming; ( c) later stage of forming 图 16 不同匹配路径下得到的试件壁厚分布 Fig． 16 Wall thickness distribution using different matching paths 图 17 合格试验件 Fig． 17 Qualified specimen 4 结论 ( 1) 基于板材零件小圆角特征成形制造难的问 题，提出了一种新型胀压复合成形工艺． 该工艺的关 键工艺参数为: 预成形高度、预成形凹圆角大小和终成 形胀形压力与背压凸模运行速度匹配关系． ( 2) 预成形高度为首道次充液拉深高度 h，其大小 决定了终成形小圆角的材料储备． 预成形高度过大会 图 18 合格试验件壁厚分布 Fig． 18 Wall thickness distribution of the qualified specimen 造成局部聚料过多，在小凹圆角直壁区发生堆料起皱 现象; 预成形高度过小，则会使局部聚料不足，导致在 较高的胀形压力下直至破裂仍无法贴模． 预成形凹圆 角值是充液拉深时的凸模圆角值，其最佳为充液拉深 时凸模圆角可取的最小值． ( 3) 通过应力状态分析给出了不同胀形压力 p 与 背压凸模运行速度 v 匹配关系下的坯料凹圆角区变形 状况． ( 4) 基于有限元模拟和工艺试验，研究了预成形 高度和终成形胀形压力与背压匹配路径对试验件最终 成形质量的影响，验证了所提出的小圆角胀压复合成 形工艺的可行性和适用性． 参 考 文 献 ［1］ Chen Y L，Zhang F，Shan Q，et al． Application progress of preci￾sion forming technology in aerospace． Mater Sci Technol，2013， 21( 4) : 57 ( 陈永来，张帆，单群，等． 精密成形技术在航天领域的应用 进展． 材料科学与工艺，2013，21( 4) : 57) ［2］ Zhang S H，Chen S F，Ma Y，et al． Developments of new sheet metal forming technology and theory in China． Acta Metall Sin- · 5801 ·

·1086 工程科学学报，第39卷，第7期 En,2015,28(12):1452 ded tube hydroforming in square-section die.J Mater Process B3]Song P.Wang X S,Han C,et al.Filling behavior of transition Tech,2014,214(7):1341 corner in hydroforming of aluminum alloy rectangular section tube. [10]Wang X S,Yuan SJ,Song P,et al.Plastic deformation on hy- Chin JMech Eng,2010,46(12):59 droforming of aluminum alloy tube with rectangular sections.T (宋鹏，王小松，韩聪，等.铝合金矩形截面内高压成形圆角 Nonferr Metal Soc China,2012,22 (Suppl 2):s350 充填行为研究.机械工程学报，2010,46(12)：59) [11]Kong D S,Lang L H,Sun Z Y,et al.A technology to improve 4]Liu B S.Wu W,Zeng Y S,et al.Progress on sheet and tube the formability of thin-walled aluminum alloy corrugated sheet pressure aided forming technology.J Netsh Form Eng,2016,8 components using hydroforming.Int J Ade Manuf Tech,2016, (5):23 84(1):737 (刘宝胜，吴为，曾元松，等.板材与管材压力辅助成形技术 [12]Jin M,Nie S M,Guo B F,et al.A study of contact between 发展现状.精密成形工程，2016,8(5)：23) strip and die shoulder.China Mech Eng,2003,14(12):1071 5]Li Z,Wang B Y,Zuo B,et al.Forming technique for the input (金淼，聂绍珉，郭宝锋，等.板材在模具圆角处的接触状态 shaft of a vehicle gearbox.Chin J Eng,2015,37 (10)1364 研究.中国机械工程，2003,14(12)：1071) (李智，王宝雨，左斌，等.汽车变速器输入轴塑性成形工艺 [13]Song Y Q,Zhao J.Mechanical analysis of the optimum pressure 工程科学学报，2015,37(10)：1364) rule of superplastic bulging filling fillet and groove.JJilin Unit [6]Hu J,Zhang K,Li M.Influence of punch and die radius on form- Technol,1985(3):269 ability of square box part of tailor-welded blank.Hot Work Tech, (宋玉泉，赵军.超塑胀形充填圆角、型槽最佳加压规律的力 2016,45(9):165 学解析.吉林工业大学学报，1985(3)：269) (胡军，张锟，栗明.凸凹模圆角半径对拼焊板盒形件成形性 [14]Liu G,Yuan S J,Teng B G.Stress analysis on corner of rectan- 能的影响研究.热加工工艺，2016,45(9)：165) gular section in tube hydroforming.Chin J Mech Eng.2006,42 Kridli G T,Bao L,Mallick P K,et al.Investigation of thickness (6):150 variation and corner filling in tube hydroforming.J Mater Process (刘钢，苑世剑，滕步刚.内高压成形矩形断面圆角应力分 Teh,2003,133(3):287 析.机械工程学报，2006,42(6)：150) [8]Chen KK.The effects of friction on bursting of tubes in comer [15]Songmene V.A comparison of high strength steel to mild steel in filling //2003 SAE World Congress.Detroit,2003:55 the comer fill hydroforming test /IRDI Report for Phase I Hy- [9]Cui X L,Wang X S,Yuan SJ.Deformation analysis of doublei- droforming Experiments.Ontario,2001:72

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