侧压块多参量设计对橡皮成形精度的影响

刘波  白颖  张欣  李世峰

中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安，710089

[摘  要]针对大曲率鱼头型隔板橡皮成形起皱缺陷，借助于有限元模拟探讨和设计防皱切割一体化工装结构，开展试验验证毛坯尺寸和工装结构合理性，并通过优化模具结构和试验参数稳定橡皮成形起皱抑制工艺方法，实现鱼头型隔板一次橡皮液压成形。

关键词：  橡皮成形 凸弯边 侧压块数值模拟展开毛坯 

1  引言

橡皮成形(液压成形)缺陷之一是起皱，尤其是大曲率凸弯边零件，该类零件在成形过程中弯边区毛料会因收缩变形过大而起皱。

在多篇文献上提到侧压块结构，侧压块消皱原理主要是利用板料与侧压块之间存在摩擦力来改变弯边材料的受力状态，使原来只受压应力的凸弯边，再受到侧压块的附加拉应力作用，削弱了压应力量值，从而起到减少皱褶出现的可能。侧压块的倾斜角度以及侧压块与模具主体间距是影响消皱效果的两个最关键因素。目前侧压块消皱方法存在一定的弊端，即初始毛料必须留有足够的工艺余量，才能实现材料拉伸变形，这就带来了后续大量的手工切割、榔头修整工作。

2  鱼头型隔板设计结构

图1为一鱼头型隔板产品结构，材料为2A12-O-δ1.2mm。铝制鱼头隔板最大弯边高度25mm，端部弧形半径为R50mm，弧长88mm，占据了1/3圆周长。利用橡皮成形凸弯边成形系数公式，而2A12铝合金橡皮成形凸弯边极限成形系数最大为 ，远小于该零件的成形系数。经计算，此项隔板无褶皱最大弯边高度为12.5mm。此隔板零件无法直接进行橡皮成形，通常手工成形端部后再上液压机成形，成形效率低，表面质量不稳定。

图1  鱼头隔板结构示意

3  隔板成形工艺分析

针对大曲率鱼头类隔板零件现有成形缺陷，考虑在成形模具上增加侧压块装置，同时在成形模具上镶嵌切割合金，实现消皱切割一次成形。按照侧压块与支撑块围成的空腔制作鱼头型橡皮条，用于成形时产生侧向压力辅助切断零件弯边。

3.1 材料参数

材料为2A12-O-δ1.2mm，参数如表1所示。

表1  2A12-O-δ1.2mm材料参数

杨氏 模量	泊松比	屈服强度	硬化 指数	材料加工硬化 系数
E/GPa	γ	σs/Mpa	n	K/GPa
73	0.33	72	0.233	0.326

3.2  传统橡皮成形有限元模拟

借助有限元分析软件分析鱼头隔板凸弯边橡皮成形缺陷。初始毛坯利用INVERS模块的坯料反算功能模拟得到。模型中，型胎、平台作为刚体，展开毛坯作为变形体，橡皮则假设为超弹性变形材料；整个橡皮成形过程中，施加压力为20MPa。模拟显示，隔板成形中鱼头部位弯边出现较密集的4个大皱。模拟结束，隔板鱼头处弯边形成4个死皱，两侧弯边在压应力的作用下贴靠于型胎。传统橡皮成形模具结构无法控制压应力大小，不适于鱼头状隔板零件。

图2  传统橡皮成形隔板零件模拟效果

3.3  带侧压结构橡皮成形有限元模拟

文献中常用侧压块消除凸弯边橡皮成形的皱纹。目前对侧压块的优化，一般都是通过固定其它参数只改变其中某一关键参数，通过有限元的模拟选择最优的几何参数。影响侧压块的因素很多，如图3中侧压块的角度θ、侧压块与主体型胎间距d、侧压块工作转角半径R、与零件相关的初始搭接余量b、凸形弧度、弯边高度、材料特性等诸多因素，由于不定因素较多、规律难寻，导致文献中侧压块消皱技术不能量化，研究成果不具备代表性。

图3  侧压块模具结构示意

凭借经验和以往的侧压块试验，确定了图3中侧压块角度θ、底部间距d以及工作转角半径R取值，制定了4套侧压块消皱成形设计方案如表2所示，借助仿真技术预测消皱效果，从而判定各项工艺参数的合理性和实验方案的可行性。

表2  侧压块试验方案

序号	转角半径 R/mm	底部间距 d/mm	搭接余量 b/ mm	倾斜角度 θ/(°)
a	15	20	15	70
b	15	20	10	70
c	15	20	5	70
d	15	20	3	70

模拟中需要注意的一点就是改变板料和侧压块间摩擦系数。较大的摩擦阻力会增大压应力，限制材料径向拉伸。通常橡皮成形板料与侧压块间摩擦系数为0.3，将其降至为0.1，使材料流动更加流畅。4套成形方案模拟结果：方案a搭边余量为15mm时，毛坯所受摩擦力过大，限制了弯边材料向内的补给，导致毛坯被模具较小的工作转角切断；方案b、c和d在成形初期，毛坯形成鱼头型环筋，随着压力增大，两侧材料沿侧压块滑动，而鱼头部位用于消皱的拉应力不足以打破压应力，材料流动缓慢，最终破裂。方案d模拟结束时，鱼头部材料还被压在侧压块上，而两侧材料已经全部流入侧压块内腔。鉴于隔板鱼头处较大变形量，一次消皱不可行，试验中可采取渐进成形，减缓一次消皱量，使其变形更趋温和，降低破裂风险。

隔板成形动态模拟中显示，两侧材料流动速度明显高于鱼头部位，等距增加搭边余量是不合理的，为此以隔板的外形线为基础设计了两侧搭边余量大于端部搭边余量的几种展开毛坯形式。比较模拟效果，展开毛坯整体流料速度均匀，该毛坯鱼头端部搭边余量2mm，两侧搭边余量9mm，悬殊的搭边余量均匀了材料所受径向拉应力，控制了每一分析步沿侧压块下滑的距离。依据最佳展开形状消皱模拟结果，材料最大减薄率为22.3%，超过了文件规定的料厚允许20%的减薄极限，一次橡皮成形风险大，可以通过渐次成形达到最终尺寸。

3.4 橡皮防皱模结构设计

图4为一种鱼头隔板橡皮防皱模结构。橡皮防皱模为组合结构，包括型胎、侧压块、底座及橡皮条。底座将侧压块和型胎连接，型胎在与成形后零件弯边齐平处做出锐边，用于切断已成形毛料弯边。侧压块与型胎等高，侧压块倾斜角度是项目研究重点。侧压块倾角越小板料所受的拉应力越大，越利于消皱，但太小的倾角会导致板料变薄过多而破裂，或导致型胎和侧压块间的空间在板料未完全变形前被填满而阻碍板料的变形；若倾角过大会造成板料所受拉应力不足而引起起皱。依据模拟结果初定侧压块倾斜角度为20°。

图4  鱼头隔板橡皮防皱模结构设想

侧压块与型胎间的距离是影响侧压块橡皮成形的另一个主要因素。依据模拟结果将侧压块底面内型线与型胎外形线间距设置为20mm。按照侧压块与支撑块围成的空腔制作鱼头型橡皮条，用于成形时产生侧向压力辅助切断零件弯边。底座和侧压块均可采用可加工塑料制作，实现模具轻量化。侧压块和橡皮条配合型胎共同作用，完成鱼头隔板橡皮液压成形。

4  橡皮成形试验

分别在橡皮囊和橡皮垫液压机上制定了隔板消皱成形的5种试验方案。

表3  橡皮消皱成形试验方案及成形效果

序号	试验方案	成形设备	成形 压力	毛料尺寸 （mm）	搭边量（mm）	成形效果
1	橡皮消皱成形	橡皮垫	恒定	419×435	15	一次成形，破裂
2	橡皮消皱成形	橡皮垫	恒定	403×427	7	一次成形，起皱
3	橡皮消皱成形	橡皮囊	20Mpa	399×425	5	一次成形，破裂
4	橡皮消皱成形	橡皮囊	10Mpa 15Mpa	399×425	5	渐次成形，破裂
5	压边切割成形	橡皮囊	10~25Mpa	407×423	2~9	渐次成形，合格

    首次试验设备为橡皮垫液压机。按照方案1进行隔板橡皮消皱试验。方案1中试验毛坯搭边余量为15mm，毛坯大小为419mm×435mm，。对侧压块涂油润滑。方案1橡皮成形失败，15mm搭接余量过大，导致所受径向拉应力过大，毛坯边缘几乎没有侧向滑动，直接从隔板工作圆角处断裂。

按照方案2将毛坯边缘搭边余量降至7mm进行试验，毛坯大小为403mm× 427mm。由于毛坯在侧压块上的搭边余量较小，所受的径向拉应力也较小，拉应力的减小导致压应力的增加，成形时毛坯因切向压应力过大而有起皱。前期模拟显示，隔板一次橡皮消皱成形材料厚度最佳减薄量已经达到22.3%，对于结构较特殊的大曲率隔板零件应该采用多道次渐进成形弥补铝合金较低延伸率。

方案3的成形设备为橡皮囊液压机。此次试验毛坯尺寸为399mm× 425mm，搭边余量5mm，成形压力20Mpa。试验失败，零件破裂。与方案2进行对比，可以看出，20Mpa成形压力远高于橡皮垫液压机日常工作压力。

方案4试验毛坯尺寸和搭边余量没有改变，首道次成形压力设定为10Mpa，毛坯边缘沿着侧压块向下滑动，首次成形高度约8mm。2道次成形压力设置为15 Mpa，试图完成剩余32mm的成形高度。试验失败，一次变形量太大，而侧压块底部间隙缺少支撑，材料失稳破裂。

方案5的试验毛坯搭边余量从鱼头部位的2mm过渡至两侧9mm，毛坯贴膜润滑，侧压块刷涂润滑油。综合分析上述试验结果，增加成形道次，并且将成形压力均匀过渡，减缓一次材料变形量。首道次成形压力设定为10Mpa，毛坯形成带有一定压边量的鱼头状浅环筋。2道次成形压力设置为12 Mpa，鱼头端部仍有一定压边量，而两侧材料已逐步滑入侧压块内腔，鱼头端部有起皱趋势。

第3道次成形压力为15Mpa，材料全部滑入侧压块内腔，两侧材料帖模效果高于鱼头端部。第4道次工序是利用鱼头型橡皮条填入侧压块空腔，通过橡皮条压胀变形修整零件弯边贴模度，校形压力为20Mpa。零件经校形后，两侧初始的搭边余量压平于底座，弯边贴合效果较好。

第5道次工序是利用橡皮条侧向较大压力切断零件弯边，压力25Mpa。由于支撑块与型胎单侧侧壁间距仅有4mm，橡皮条填实了侧压块内腔，缺少橡皮条侧向压力实施空间，仅是将零件侧壁过渡轮廓压得更加清晰，端部非工作弯边形成连续皱纹。

利用侧压块橡皮消皱成形工艺可以成形大曲率、高弯边零件，成形精度高、表面质量好。该项试验是对较大曲率复杂弯边零件橡皮成形的一次挑战，试验验证了合理的侧压块结构和展开毛坯形状可以摆脱此类零件受制于手工成形的现状。试验成果可借鉴相似件成形，减少试错风险。

图5  隔板消皱成形工序件及合格产品

5  结论

通过系统的开展大曲率高弯边隔板橡皮消皱工艺试验，建立了侧压块优化设计模型，确定了侧压块3项关键工艺参数，创新出随形橡皮条压胀切割校形工艺，减少了大量的手工操作。

（1）  设计了一种橡皮消皱组合工装结构，通过确定楔形空腔空间尺寸、增大径向拉应力控制大曲率弯边拉伸变形量，消除大曲率弯边零件橡皮成形固有起皱缺陷，具有重要的实用价值。

（2）通过开展特殊结构的较大曲率弯边零件橡皮成形试验研究，确定了一种与渐变外形曲率侧滑速度相匹配的展开毛坯搭接余量设计办法，均匀了不同曲率弯边材料流动速度，抑制了大曲率弯边材料在厚度方向上的自由起伏。

（3）该项试验成果打破了传统侧压块的设计结构，试验鉴证了关键参数的合理性，提高了零件机械化加工能力，降低了成形难度。

参 考 文 献

[1] 李泷杲等．金属板料成形——有限元模拟基础[M]．北京: 北京航空航天大学出版社， 2008．

[2] 白颖，贾敏，李善良，等. 大曲率高翻边钣金零件橡皮成形起皱控制[J]．北京:锻压技术，2018.

[3] 《航空制造工程手册》总编委会．航空制造工程手册•飞机钣金工艺[M]．北京:航空工业出版社，1992．