·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 ·