曲面板材零件液压成形技术

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针对传统板材冲压成形中存在的成形极限低、模具型腔复杂，以及零件表面品质差等缺点，发展了板材液压成形技术。其基本原理是采用液体作为传力介质以代替刚性的凸模或凹模来传递载荷，使坯料在液体压力作用下贴靠凹模或凸模，从而实现金属板材零件的成形。
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自从该技术推出以来，在航空航天及汽车领域不断获得应用，特别适于结构形状复杂的零件及冷成形性能差的材料成形，如铝合金、高强钢、高温合金以及拼焊板等。板材液压成形技术现也日渐成为国内外业界的研究热点，并产生了可控径向加压充液拉深技术及液体凸模拉深成形新技术。

板材液压成形原理及分类

板材液压成形是利用液体作为传力介质来传递载荷，使板材成形到单侧模具上的一种板材成形方法，根据液体介质取代凹模或凸模可将之进一步分类为充液拉深成形和液体凸模拉深成形。
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前者（图1）是用液体介质代替凹模传递载荷，液压则作为辅助成形的手段，可减小普通拉深成形中凸、凹模之间坯料的悬空区，使该部分坯料紧贴凸模，零件形状尺寸最终靠凸模来保证。
充液拉深成形中的液压作用形成了坯料与凸模之间的摩擦保持效果，提高了凸模圆角区板料的承载能力，抑制坯料减薄和开裂，可有效提高成形极限、减少成形道次。同时，液体从坯料与凹模上表面间溢出可形成流体润滑，促进外围板材进入凹模，缓解了零件表面的划伤。

7 l: _* \7 y9 E% Y这一成形技术因其独特优势在国际上受到普遍重视，发展出主动背压（预胀）拉深法，其过程是预先胀形，然后拉深，通过预先胀形达到变形硬化的效果。
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液体凸模拉深成形（图2）则是以液体介质代替凸模传递载荷，液压作为主驱动力使坯料变形，坯料法兰区逐渐流入凹模，最终在高压作用下使坯料贴靠凹模型腔，零件形状尺寸靠凹模来保证。这一成形法通过合理控制压边力可使坯料产生拉-胀成形，应变硬化可提高曲面薄壳零件的刚性、压曲抗力和抗冲击能力。因此，它非常适于铝合金和高强钢等轻合金板料形状复杂（特别是局部带有小圆角）、深度较浅的零件成形。
板材液压成形的优点及典型零件
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+ I0 P2 A# y+ s8 V# F与传统板材冲压加工相比，板材液压成形技术具有以下优点：

1. 成形极限高
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由于充液拉深成形中液压的作用，使坯料与凸模紧紧贴合，产生“摩擦保持效果”，提高了传力区的承载能力。更为重要的是，对于汽车制造领域的复杂曲面零件，反向液压的作用形成“软拉深筋”，消除悬空区，坯料与模具之间建立起有益摩擦使得凸模底部圆角处坯料的径向拉应力减小，应变轨迹在成形极限图上向左偏移，可大幅提高成形极限，而传统拉深的等双拉应力状态则容易导致拉裂。
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8 }/ F& ?. e  c- G3 r" e, o2. 尺寸精度高、表面品质好
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液体从板材与凹模表面间溢出形成流体润滑，利于板材进入凹模，减少零件表面划伤，所成形零件外表面得以保持原始板材的表面品质，尤其适合镀锌板等带涂层的板材成形。
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3. 道次少
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7 y4 s* E; r- N可成形复杂薄壳零件，减少中间工序，并可成形具复杂形状的零件，减少退火等耗能工序。
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4. 成本低
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! ~0 `9 i  n; G6 n$ a+ S- s复杂零件在一道工序内完成，减少多任务序成形所需的模具，降低生产成本。
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! W" T% f3 _9 _  k0 Z. v由于具有上述特点，从零件结构看，适合于成形高径比大或深的筒形件、盒形件、复杂曲面零件等；从材料角度看，适合高强钢、高性能铝合金和低塑性材料的成形。
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0 ]( B  P' U% m2 m; |7 l8 G, Q图3 为铝合金拋物线形零件的充液拉深成形和普通拉深成形的比较。采用充液拉深可一道次实现该零件的成形；普通拉深成形则需六道次，中间过程退火。可见，充液拉深在复杂曲面零件成形中具显著优势，减少成形道次，避免了尖锥底处的破裂。
图4是瑞典AP&T公司充液拉深成形的典型零件。采用这一成形技术可以将直径300mm壁厚1mm的不锈钢坯料几乎全部拉入直径100mm的凹模中，从而形成高度超过200mm的筒形零件，而且，这个过程只需一次拉深即可完成，在传统工艺中往往需要三个道次的拉深过程且每个道次之间需要进行退火处理。

采用液力成形可以克服铝合金成形性能的局限性，实现高效的零件制造，并利用变形强化减少成形件的弹复，保证其尺寸精度。如某A1100铝合金拋物线曲面接收器件，直径达2.4m，壁厚4.5mm，采用液力成形制造，可以通过高压液体介质使板材各部位完全与模具贴合，成形件相比常规成形工艺具有更好的曲率精度和表面品质。又如某型号飞机发动机A2024唇口零件，采用液压成形工艺，通过切边—压边—拉胀复合成形即可完成所有结构尺寸的精密成形，而若采用传统冲压工艺时，该零件的制造却需要20个工序才能完成。

近年来，液压成形技术从筒形零件充液拉深逐渐向复杂板料零件成形发展。图5是液压成形的复杂板材零件，图5a是日本冈野铁工所开发的A6022铝合金汽车翼子板，采用充液拉深可克服因材料塑性低导致的成形困难，为汽车轻量化提供技术手段。

图5b为DC04碳钢复杂板材零件，该零件形状复杂，相对较浅，普通拉深凸凹模型面复杂且调试困难，而采用充液拉深成形技术只需制造与其形状尺寸一致的凸模，液压充当软凹模，无须加工与凸模匹配的复杂凹模型腔，可降低模具成本。

可控径向加压充液拉深技术
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7 j! o6 v' i2 W( E$ {, t9 [可控径向加压充液拉深的原理如图6所示。该技术是在现有充液拉深技术的基础上，辅以独立于液室压力pc的可控径向液压力pr，来推动法兰区材料的流动，配合凸模的拉深进行成形。由于现有充液拉深成形技术还主要依靠液室压力作用来增大板材与拉深凸模之间有益摩擦和建立坯料与凹模之间的流体润滑，从而缓解凸模圆角处坯料径向拉应力来提高板材零件的成形极限，适合制造普通拉深无法一道次拉深成形的复杂板材零件。而对于铝合金等大高径比、低塑性材料曲面（锥面、球面、拋物线截面等）零件和锥盒形零件，过大的液室压力会导致曲面零件成形初期悬空区的破裂和锥盒形零件棱边角部起皱。

所以，通过单纯增大液室压力来提高有益摩擦、提高成形极限的量度是有限的，大高径比、低塑性材料零件的成形仍然困难。可控径向加压充液拉深技术中，由于径向液压与液室液压相互独立控制，可根据变形材料、零件形状和成形极限，通过增大径向液压来辅助零件的拉深成形，同时利用有益摩擦和流体润滑，避免大高径比、曲面零件成形初期因液室压力过大而导致的悬空区破裂，从而进一步提高零件的成形极限。通过该技术，可将5A06防锈铝合金球底筒形件的极限拉深比从2.4提高到2.8，成形件如图7所示。

铝合金复杂曲面零件液体凸模拉深技术
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% t" a, _) i' D6 x8 L2 f铝合金为航空航天领域广为应用的材料，板材零件多为相对较浅的具复杂型面的超薄构件。由于铝合金硬化指数低，普通拉深使零件形状的冻结性及刚度受到影响，必须使其产生充分的变形硬化，才能保证零件结构尺寸的稳定性及刚度。对于较浅的复杂曲面零件，成形模具简单，在成形过程中可通过控制压边力及成形液压，既保证充分的变形强化，又可实现坯料法兰区的合理流入，避免壁厚过度减薄。

图8a为1mm厚的2024硬铝合金板材件。通过液体凸模拉深技术，可使该件的材料变形硬化，同时避免曲面部分起皱，获得具有较高刚度的薄壁板材零件。图8b为1mm厚的SUS304不锈钢复杂板材件。通过液体凸模拉深技术的运用，可简化模具，无需具有复杂型面的凸模，从而消除了普通拉深凸模与坯料之间的不利摩擦，利于材料流入模腔。在合理边压边力条件下，最终成形压力12MPa时可实现该件的成形。