彭 景,方 毅,徐 勇,張虹桃,張士宏,解文龍,王成雨

(1.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 成都 610092;2.中國科學(xué)院金屬研究所 師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心, 沈陽 110016)

0 引言

導(dǎo)管在航空航天液壓管路、環(huán)控管路系統(tǒng)等具有重要應(yīng)用[1-2],航空航天管路系統(tǒng)工作時不僅需要承受變形應(yīng)力、振動、壓力流體沖擊等作用[3],有的導(dǎo)管還受到高壓和溫度變化的影響[4]。為了滿足輕量化以及高可靠性的要求,很多導(dǎo)管零件要求具有無縫、薄壁等特征。隨著航空領(lǐng)域?qū)Ч芸臻g形狀設(shè)計的復(fù)雜化,許多異形截面導(dǎo)管需要成形,這些零件的制造精度要求也逐漸提高,傳統(tǒng)的制造方法已經(jīng)很難滿足設(shè)計制造要求[5],因此目前在航空領(lǐng)域依然存在大量的焊接導(dǎo)管零件。該類零件主要問題有:① 零件焊縫多,焊接變形大,成形零件的圓度難以控制,焊接后彎頭兩端的尺寸無法保證,焊接公差可控性差,廢品率高,生產(chǎn)效率低下;② 零件生產(chǎn)周期長,由于采用焊接的方式進(jìn)行制造,勢必導(dǎo)致零件子件數(shù)量增加,延長了零件制造的子件配套時間,此外部分焊接導(dǎo)管焊需要進(jìn)行多種無損檢測,進(jìn)一步增長了零件制造周期;③ 零件生產(chǎn)成本高,焊縫處應(yīng)力大、并要進(jìn)行無損檢測,管道內(nèi)部焊渣不易清理,增加了加工難度、焊接成本和質(zhì)量檢驗成本;④ 焊縫降低了導(dǎo)管的抗疲勞性能,降低了管路的可靠性。迫切的需要發(fā)展無焊縫的整體導(dǎo)管成形技術(shù)[6-8]。

導(dǎo)管內(nèi)高壓成形技術(shù),相較于傳統(tǒng)導(dǎo)管制造工藝,具有減輕重量、節(jié)約材料、減少制件和模具數(shù)量、減少后續(xù)機(jī)械加工和組裝焊接量、提高剛度與強(qiáng)度、提高材料利用率和降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜管件的整體成形,為導(dǎo)管制造提供新的思路與方法[9-12]。本文將以某異形截面導(dǎo)管零件作為研究目標(biāo),以工程化應(yīng)用為目標(biāo),基于導(dǎo)管內(nèi)高壓成形技術(shù),對該航空異形截面導(dǎo)管進(jìn)行內(nèi)高壓整體成形進(jìn)行工藝設(shè)計,最后通過內(nèi)高壓成形實(shí)驗驗證了工藝設(shè)計的可靠性。

1 成形原理及零件特征

1.1 內(nèi)高壓成形原理

導(dǎo)管內(nèi)高壓成形技術(shù)是管坯作為原材料,通過對管腔內(nèi)施加液體壓力及在軸向施加負(fù)荷作用,使其在給定模具內(nèi)發(fā)生塑性變形,管壁與模具內(nèi)表面貼合,從而得到所需形狀制件的成形技術(shù),成形原理如圖1所示。影響內(nèi)高壓成形工藝的因素有:成形模具的設(shè)計、成形過程中液體壓力與軸向載荷的控制等,零件成形失效的方式有破裂、起皺等。

圖1 內(nèi)高壓成形原理

1.2 實(shí)驗材料

管材實(shí)際成形加工時,由于存在接觸非線性、材料參數(shù)非線性和幾何外形非線性,導(dǎo)致材料成形規(guī)律非常復(fù)雜,并且由于管件形狀特殊,傳統(tǒng)的理論已經(jīng)無法有效而且準(zhǔn)確的分析其變形過程。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元數(shù)值模擬的方法可以有效的展現(xiàn)材料的變形行為,并較為準(zhǔn)確的預(yù)測成形結(jié)果。準(zhǔn)確的材料力學(xué)性能參數(shù),有利于增強(qiáng)材料成形模擬的可靠性。對于該文中使用的LF2鋁合金管材,需要通過材料性能測試來得到準(zhǔn)確的材料性能參數(shù),提高有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文采用的材料為LF2鋁合金管材,厚度為1.5 mm,直徑為52 mm。參照《GB/T228—2010金屬材料拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)》,采用常溫單向拉伸的實(shí)驗方法,試樣切取方式及試樣外形尺寸如圖2所示,測試LF2鋁合金管材的基礎(chǔ)力學(xué)性能以及塑性成形性能參數(shù),得到材料的抗拉強(qiáng)度為205 MPa、屈服強(qiáng)度為82.7 MPa、斷后延伸率為20.3%。

圖2 試樣切取方式與試樣外形尺寸圖

1.3 目標(biāo)零件結(jié)構(gòu)特征

由于導(dǎo)管零件的設(shè)計往往要針對裝配空間進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整,因此導(dǎo)管零件的外形存在多種類型,本文選取的典型異形截面導(dǎo)管,零件長度約為570 mm,如圖3所示。

圖3 某航空異形截面導(dǎo)管

通過對該導(dǎo)管零件外形特征進(jìn)行分析,該零件具有以下特征:

1) 最大等效直徑為60.96 mm;

2) 零件彎曲較多較復(fù)雜,難以一次成形獲得理想的預(yù)制管坯形狀;

3) 需要脹形工序(管端補(bǔ)料);但管件變徑處距管端較遠(yuǎn),管端補(bǔ)料較困難;

4) 零件局部具有扁管特征同時也是變徑特征。

2 工藝方案設(shè)計及可行性分析

2.1 工藝方案設(shè)計

通過上述對該典型異形截面導(dǎo)管零件外形特征進(jìn)行的分析,該零件具有彎曲特征,需要有彎曲的工序;該零件具有變徑的特征,需要脹形工序;零件局部具有扁管特征,可以使用液壓鍛造工藝進(jìn)行整形[13-14]。

根據(jù)上訴外形特征,利用直徑為52 mm,厚度為1.5 mm的鋁管作為原始管坯,經(jīng)無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形、內(nèi)高壓壓彎脹形和液壓鍛造整形3道成形工序?qū)α慵M(jìn)行成形,如圖4所示。

2.2 成形工藝可行性分析

使用有限元模擬軟件ABAQUS對零件成形過程(無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形—內(nèi)高壓壓彎脹形—液壓鍛造整形)進(jìn)行模擬分析。材料參數(shù)由力學(xué)性能試驗得到。模擬中設(shè)置管坯的網(wǎng)格大小為0.5 mm,上模及下模與管材的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.08。建立的多道次工序成形有限元模型如圖5所示。

圖5 異形截面導(dǎo)管成形有限元模型

第一步無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形過程較為簡單,模擬過程只需將管坯放入模具型腔內(nèi),上下模具進(jìn)行合模使管材產(chǎn)生彎曲變形即可。圖6為第一步無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形管材的等效塑性應(yīng)變分布結(jié)果,從圖6中可見管材在兩處彎曲段應(yīng)變最大,管坯成形后無明顯缺陷,內(nèi)側(cè)沒有起皺缺陷產(chǎn)生,在應(yīng)變最大處測量得到管材成形后最小壁厚為1.48 mm,最大壁厚減薄率為1.3%。結(jié)果證明第一步工序設(shè)計合理,可進(jìn)行下一步成形。

圖6 無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形管材等效塑性應(yīng)變模擬結(jié)果

第二步內(nèi)高壓壓彎脹形在同一套模具中分兩小步進(jìn)行,第一小步為在3 MPa的內(nèi)壓力支撐下模具下壓,進(jìn)行壓彎成形;由于第一小步中管材沒有完全貼合模具,第二小步即增加高壓使得管材彎曲貼合模具,兩步成形貼模過程見圖7。由于零件在內(nèi)高壓壓彎脹形過程中,局部管徑大于零件原始管坯材料,需要對零件進(jìn)行側(cè)推補(bǔ)料,避免零件在成形過程中開裂,因此需要對成形階段側(cè)推補(bǔ)料進(jìn)行模擬,同時還需要配合合適的液壓加載路徑。

圖7 內(nèi)高壓壓彎脹形貼模過程

以獲得較好的貼模效果為目標(biāo),通過模擬參數(shù)優(yōu)化,得到了合適的導(dǎo)管脹形內(nèi)壓加載曲線,如圖8所示,以及獲得了側(cè)推補(bǔ)料量。初步得到在零件脹形階段的工藝參數(shù):當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)壓達(dá)到50 MPa時,零件成形貼模,同時在成形過程中進(jìn)行側(cè)推補(bǔ)料,補(bǔ)料推進(jìn)量為40 mm。采用第二步內(nèi)高壓壓彎脹形的有限元仿真結(jié)果見圖9,成形后最小壁厚為1.43 mm,最大壁厚減薄率為4.6%。從結(jié)果可以看出,第二步內(nèi)高壓壓彎脹形成形效果也較好,證明第二步工序設(shè)計也合理。

圖8 內(nèi)高壓壓彎脹形內(nèi)壓加載曲線

圖9 內(nèi)高壓壓彎脹形管材等效塑性應(yīng)變模擬結(jié)果

第三步為液壓鍛造整形,目的是成形零件局部具有扁管特征的部分。液壓鍛造的基本過程是先在模具內(nèi)充入高壓液體脹大至某一尺寸時,對上模施加徑向壓力完成合模過程,管材在內(nèi)壓和模具徑向力的共同作用下獲得最終形狀,液壓鍛造被證明可以提高材料的成形性能[15]。因此,特別適合成形該異形截面導(dǎo)管的局部扁管特征。通過有限元模擬初步得到的工藝參數(shù),成形步驟設(shè)置為:管內(nèi)加載形成內(nèi)壓(3 MPa)—合模成形—管內(nèi)加載至內(nèi)壓100 MPa進(jìn)行整形。獲得管材的塑性應(yīng)變模擬結(jié)果如圖10所示,從結(jié)果可以看出,整體成形效果較好,具有扁管特征位置成形效果也較好。

圖10 液壓鍛造整形模擬結(jié)果

以上模擬結(jié)果驗證了無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形—內(nèi)高壓壓彎脹形—液壓鍛造整形的可行性,并對工藝參數(shù)進(jìn)行了探索,為成形實(shí)驗提供了指導(dǎo)。

3 異形截面導(dǎo)管內(nèi)高壓成形工藝驗證

3.1 成形實(shí)驗

通過上述典型異形截面導(dǎo)管零件的有限元分析結(jié)果可知,采用無內(nèi)壓支撐壓彎—內(nèi)壓支撐壓彎—內(nèi)高壓脹形—內(nèi)壓支撐合模成形可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的整體成形,依據(jù)模擬結(jié)果,設(shè)計相應(yīng)的模具,模具如圖11所示。

圖11 異形截面導(dǎo)管成形模具設(shè)計

本文中基于THP63-2000A內(nèi)高壓成形設(shè)備進(jìn)行工藝驗證。第一步采用無內(nèi)壓支撐壓彎成形,成形過程較為簡單,將管坯放入模具型腔內(nèi),將管坯原材料一端作為基準(zhǔn)與模具上的定位塊進(jìn)行貼合,采用20 t定壓合模的方式進(jìn)行合模成形,成形后的零件如圖12所示。成形后的零件經(jīng)過檢查,未出現(xiàn)起皺等缺陷,且零件貼模較好。

圖12 無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形管材

第二步基于有限元模擬初步得到的工藝參數(shù),利用自主設(shè)計的成形工裝,對零件進(jìn)行成形工藝驗證。成形步驟為:側(cè)推形成密閉管腔—管內(nèi)注水形成內(nèi)壓(3 MPa)—合模成形,零件成形時,管腔內(nèi)部有足夠的內(nèi)壓進(jìn)行支撐,成形后零件不厚,不會因局部受力不均而產(chǎn)生起皺等缺陷,根據(jù)有限元模擬探索的工藝,后續(xù)根據(jù)圖7進(jìn)行增加內(nèi)壓同時側(cè)推補(bǔ)料,基準(zhǔn)端側(cè)推量為40 mm。為保證管內(nèi)密封,同時非基準(zhǔn)端側(cè)推量為10 mm,成形結(jié)束后側(cè)推回退泄壓,最后分模取件。通過這一步獲得的零件如圖13所示,從結(jié)果可以看出,這一步得到了較好的成形效果。

圖13 內(nèi)高壓壓彎脹形成形管材

第三步液壓鍛造整形成形步驟為:側(cè)推形成密閉管腔—管內(nèi)注水形成內(nèi)壓(3 MPa)—合模成形—形成內(nèi)壓100 MPa進(jìn)行整形—側(cè)推回退泄壓—分模取件。

經(jīng)過無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形、內(nèi)高壓壓彎脹形和液壓鍛造整形3道成形工序成形后的零件無明顯缺陷,經(jīng)過成形后零件如圖14所示。

圖14 最終成形管材

3.2 成形質(zhì)量

為檢驗零件成形后,材料壁厚減薄量是否符合導(dǎo)管制造技術(shù)規(guī)范,在零件上選取了7個測量點(diǎn)對導(dǎo)管壁厚進(jìn)行了測量,如圖15所示。同時在對應(yīng)試驗件測量點(diǎn)位置截取了管材成形仿真結(jié)果,并對每個位置測量出最小壁厚,見圖16所示。從圖16可看出在位置1處壁厚有局部增大的情況,并在位置3處出現(xiàn)了最小壁厚。選取成形后5個管材進(jìn)行測量,每個測量位置最小壁厚測量值見表1,從表1可以看出,由于零件在成形過程中進(jìn)行了側(cè)推補(bǔ)料,因此零件局部壁厚有增大的情況;由于零件壓扁處變形較大,因此零件在3號測量位置出現(xiàn)了最小壁厚,最小壁厚值為1.41 mm,較原材料1.5 mm的壁厚,減薄了6%,符合航空金屬導(dǎo)管的制造規(guī)范要求,并且壁厚變化趨勢與仿真結(jié)果一致。此外,零件最終成形完畢后,通過測量,零件與模具間最大間隙不超過0.36 mm,滿足零件制造技術(shù)要求。

表1 零件壁厚測量值

圖15 壁厚測量位置

圖16 管材成形仿真結(jié)果最小壁厚測量

4 結(jié)論

通過對典型異形截面導(dǎo)管的內(nèi)高壓成形工藝分析,表明該類型導(dǎo)管可通過內(nèi)高壓成形技術(shù)進(jìn)行整體成形,突破了傳統(tǒng)工藝的限制,有效的減少了零件制造中的焊接工作。得到以下主要結(jié)論:

1) 通過優(yōu)化內(nèi)高壓壓彎脹形的內(nèi)壓加載曲線和側(cè)推補(bǔ)料,變徑管材零件貼模效果好,成形效果較優(yōu);

2) 液壓鍛造整形成形可用于異形截面導(dǎo)管的局部扁管的成形,有效減少零件成形工裝成本;

3) 本文中提出的無內(nèi)壓預(yù)壓彎成形、內(nèi)高壓壓彎脹形和液壓鍛造整形3道成形工序可用于異形截面導(dǎo)管成形,可有效的減少零件焊縫,提高零件生產(chǎn)效率,為加工此類零件可以提供工藝參考。