铝合金半球壳拉深-旋压复合成形工艺仿真

2023-10-30余小鹏王紫旻于忠奇罗益民

上海交通大学学报 2023年10期

余小鹏, 王紫旻, 于忠奇, 罗益民, 郁立

(1. 上海交通大学上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室, 上海 200240;2. 上海航天精密机械研究所, 上海 201600)

运载火箭铝合金球形贮箱由冲压成形的两个半球壳焊接而成[1],为了减轻贮箱质量,需要在冲压半球壳表面进行铣削加工.生产中半球壳采用多道次拉深+中间退火工艺,拉深件贴模精度差导致后续铣削厚度基准确定难,造成半球壳壁厚均匀性差、结构偏重问题出现.通过增加法向压应力调控变形区应力状态是提升半球壳成形精度的重要途径之一.苑世剑等[2-4]通过充液拉深方法调控变形铝合金应力状态,实现了半球壳精确成形,并在直径3 350 mm箱底上应用.除此以外,强力旋压工艺也可以通过施加法向应力提高成形件贴模精度.旋压成形方法具有工艺柔性高、加工载荷低、制造周期短等技术优势[5],已成为国内外箭体箱底整体化制造的一种方式[6].为此,本文针对铝合金半球壳成形精度差问题,开展基于旋压技术的半球壳成形精度提升方法研究.

旋压成形是机床主轴带动金属板坯和芯模一同旋转过程中侧压旋轮按照设定的加载轨迹将板坯逐渐贴靠芯模表面获得回转薄壁件的工艺方法.对于铝合金曲面薄壁构件旋压成形,国内外目前已开展了相关基础性研究.Gao等[7-11]研究了大型薄壁壳体旋压形成机理与不均匀协调机理,从而确定了成形质量与旋压参数的关系,并建立对应的起皱预测模型;夏琴香[12]对铝合金曲面薄壁构件旋压过程中的有限元建模仿真关键技术进行了详细的研究;Zhang等[13]通过实验和有限元模拟手段,揭示了薄壁封头旋压过程中的起皱机理;林波等[14]采用两轮法旋压成形试验实现了半球壳体多道次普通旋压成形;杜陈阳等[15-17]对铝合金曲面薄壁件旋压中的法兰起皱发生规律进行了研究,并提出了起皱预测模型.除了对成形缺陷的研究,针对铝合金曲面薄壁件旋压成形壁厚均匀性的改善也有诸多研究成果.Biplov等[18]采用数值模拟方法研究了流动旋压参数对于半球形件厚度分布的影响;Jia等[19]分析了不同旋压路径对锥筒组合薄壁件成形性能的影响;宋金龙等[20]提出了基于普旋和剪旋规律的变厚度板坯设计方法,以此来改善半球件的壁厚均匀性;Gan等[21]对多道次普通旋压加工中正程和反程轨迹分别进行了参数化设计,并研究了轨迹关键参数对成形件壁厚的影响.

前期研究表明,半球形件普通旋压成形过程在球形底部存在剪切旋压变形特征,导致球形底部厚度遵循近似剪旋正弦律,减薄率在30%以上.为此,大型半球壳整体成形采用剪切旋压和普通旋压的复合成形技术.相对整体加载的拉深成形而言,半球壳旋压成形件减薄量更大,但也具有更好的成形精度.为此,综合考虑拉深和旋压的技术优势,针对中等规格航天铝合金半球壳提出拉深-旋压复合成形工艺.通过利用两种工艺优势,实现构件壁厚均匀性和轮廓精度协同提升,因只有拉深和旋压工序转换需要中间退火,也提高了加工效率.

1 拉深-旋压复合工艺仿真模型

拉深-旋压复合成形工艺如图1所示,即先将板坯进行拉深到一定的高度,中间退火后再进行旋压成形剩余部分.在半球壳拉深-旋压复合成形中,冲压和旋压两种工艺的分配比例不仅影响着成形件厚度均匀性和贴模精度,还影响着中间退火次数.定义旋压占比为其评价参数,即旋压占比δ为成形件与拉深件高度之差hs占成形件高度ht的比值,如图1所示,并以全尺寸铝合金半球壳为对象,研究该复合工艺中旋压占比对半球壳成形件厚度和贴模度的影响,寻找合适的旋压占比,为航天中小型铝合金半球形件高精度加工提供技术支持.

图1 铝合金半球壳拉深-旋压成形示意图

1.1 有限元模型建立

拉深-旋压复合成形中,板料拉深处于平面应力状态成形,而强力旋压属于板材体积成形.该半球壳使用圆形坯料为直径1 666 mm、厚度8 mm的铝合金退火材料,其屈服强度和抗拉强度分别为75 MPa和170 MPa.考虑到米级薄板坯料尺寸大,三维实体单元精确计算拉深-多道次旋压耗时冗长,本文基于Abaqus/Explicit平台建立了拉深-旋压复合工艺的二维轴对称有限元模型,兼顾了强力旋压阶段仿真精度与多道次全程加工计算效率.

仿真模型中,铝合金板坯假设为各向同性弹塑性材料,板坯的网格类型为CAX4R,控制沙漏效应的四节点缩减积分双线性轴对称四边形,网格尺寸为4 mm;拉深模具和旋压模具均设置为解析刚体.拉深模具的凹模圆角为50 mm,凸模为500 mm半球面;旋压模具的芯模与拉深凸模同尺寸,旋轮圆角半径为50 mm,尾顶直径根据拉深件贴模区域大小进行设计;假设变形铝合金与凸模(芯模)、凹模、压边圈的接触界面为滑动摩擦,摩擦因数假设为0.15,实际压边力对应载荷为2 MPa;而变形铝合金与旋轮的接触界面为滚动摩擦,因数假设为0.02.

为了更好地模拟多道次成形过程中间退火的影响,在每一道次拉深仿真完成后,提取变形板坯的节点位置,对提交文件中的模具位置和板坯形状进行修改,消除板材应力应变场,并进行下一道次成形过程仿真.

在拉深-旋压复合成形仿真时,根据需要调节旋压占比δ.旋轮工艺轨迹按照宋金龙[22]的规划方法进行设计.旋压阶段采用多道次旋压的逐段贴模工艺,旋出轨迹采用凹曲线的线型,旋轮工艺轨迹规划如图2所示.图中:φ为半径与y轴夹角,即母线角度.相邻道次的旋出点角度间隔为10°,根据不同旋压占比增减普通旋压道次数;最后采用强力旋压贴模整形,旋压最大减薄率为原始板坯厚度的12.5%,需要说明的是在最初10° 范围内减薄率逐渐加大至12.5%.

图2 多道次旋压工艺轨迹设计图

1.2 有限元模型可靠性分析

现有半球壳拉深工艺涉及多道次成形和中间退火,为了验证所建立模型的可靠性,将全程拉深件壁厚仿真结果与实际测量值进行对比,结果如图3所示.图中:t为壁厚.从图3中看出,壁厚仿真值与实测值分布相吻合,只有在成形件底部仿真误差偏大,最大壁厚偏差约为10%,这可能是实际冲压过程中润滑油涂抹不均匀性造成的.这说明所建立的多道次拉深数值仿真结果是可信的,可为复合成形过程的旋压阶段仿真提供偏差较小的预制坯.

图3 拉深件厚度对比

2 拉深-旋压复合成形工艺分析

为了研究拉深-旋压复合过程旋压占比对铝合金半球壳成形精度的影响,获得合适的旋压占比,尽可能减少现有冲压道次,本研究主要讨论旋压占比与壁厚和贴模度的关系.

2.1 旋压占比对壁厚的影响

针对全程拉深(δ=0%)和旋压占比δ=30%,50%,70%以及全程旋压(δ=100%)共5种过程,完成多道次成形数值计算并提取拉深件和旋压件的壁厚分布,绘制出铝合金半球壳成形件壁厚分布曲线图,如图4所示.图中:h为成形件上的点对应板坯初始点到板坯中心的距离.

图4 复合成形壁厚数值仿真结果

图4(a)为5种成形条件下拉深阶段成形件壁厚分布,图4(b)为后续旋压件的壁厚分布.需要说明的是:在δ=100%仿真中采用强力旋压+普通旋压的复合工艺路径;图4(a)中初始点水平径向距离600 mm处的板坯在拉深过程中位于凹模圆角位置,受到一定的弯曲作用,进而发生一定程度的减薄;初始点水平径向距离700～833 mm的板坯为法兰.从图4(b)可以看出,对于铝合金半球壳全程拉深件,顶部φ≤30° 范围内壁厚减薄较多,φ>30° 后,越靠近端口则壁厚减薄越小,其壁厚最薄处为6.5 mm.因采用复合旋压方式,全程旋压件强力旋压部分构件壁厚减薄较大.δ=30%,50%,70%的半球壳壁厚变化规律相似,这3种复合成形都在20° 附近出现壁厚最薄的区域,超过该区域成形件壁厚有所增加,且在旋压开始后会出现一定程度的二次减薄.对比图4(a)的拉深贴模段可见:拉深部分的构件厚度分布在旋压前后基本一致,这表明在δ≤70%时,旋压加工对拉深件贴模部分的铝合金壁厚影响不大.因此,相对于全程拉深或旋压而言,拉深和旋压复合的成形方法可以提高半球壳壁厚均匀性分布.

为了更好地选择拉深-旋压复合工艺旋压占比,对复合工艺的构件壁厚分布进一步对比研究.可以得出:在球面件的顶部φ≤45°范围内,δ=30%,50%,70%这3种情况的构件壁厚变化规律基本一致,且随着旋压占比的减小,最小壁厚有减小趋势,其中δ=30%对应的构件最小壁厚为6.7 mm,减薄率为16.25%;其他区域(45°<φ≤90°范围),这3种工艺均在引入旋压后出现二次减薄,且减薄程度随着旋压占比的增加而增加.主要原因是:尽管球顶部分完成拉深贴模,然而,因法兰外缘的刚性约束,普通旋压前期仍存在剪切变形成分,造成半球壳壁厚减薄,旋压占比越大,二次减薄越明显.综合得出:δ=30%的半球壳旋压二次减薄较大,δ=70%的半球壳拉深阶段减薄率较大.因此,旋压占比选择过大或过小均会导致构件减薄率过大的情况发生.

综上所述,δ=50%的构件减薄率相对较小,壁厚均匀性更好;从实际工序来看,δ=50%时,此时是实际全程拉深的第一道序,后续两道拉深工序被一道旋压替代,并减少了一道中间退火,缩短了工艺链长度.因此,选择δ=50%的复合成形策略,可以将成形件的最小壁厚控制在7 mm附近.

2.2 回弹量及贴模度分析

对δ=0%,30%,50%,70%共4种工况的回弹进行仿真计算,并提取回弹后构件内表面坐标与理论型面的距离,得到构件贴模间隙曲线,如图5所示.图中:c为成形件的贴模间隙.由图可见:φ≤30° 范围内回弹均较小;30°<φ≤90° 范围内4种方案的贴模间隙呈先增大后减小的趋势,其中全程拉深件在φ≥70° 时出现较大的回弹量,最大贴模间隙值为1.78 mm,其他3种复合成形(δ=30%,50%,70%)成形件贴模间隙走势大致相同,均在φ=70° 附近出现较大回弹,最大间隙值为1.28 mm,相较于全程拉深有明显下降.在3种复合成形中,δ=50%的贴模间隙值相对较大,δ=70%的间隙值相对较小,但是尺寸偏差仍没有明显改善.

图5 四种方案仿真结果贴模间隙

综合考虑壁厚均匀性以及尺寸偏差,选取δ=50%成形方案进行成形件强力旋压,从而提高贴模精度.从上述仿真结果看出:复合工艺在φ≥30°出现较大的贴模间隙.因此.选取强力旋压起始点为φ=30°,并采取逐渐减薄工艺策略.成形件强力旋压数值仿真结果如图6所示.图6(a)和图6(b)分别为δ=50%成形件强力旋压前后和全程拉深件的壁厚与贴模间隙对比.可以看出:加入强力旋压后,0°≤φ≤30° 的成形件厚度基本没有发生改变,30° <φ≤90°的板坯出现进一步减薄,但是最终稳定在7 mm附近,相比于强力旋压前壁厚更加均匀.成形件在引入强力旋压后构件尺寸偏差更小,贴模间隙控制在0.75 mm以下.相比于全程拉深工艺,复合工艺得到的铝合金半球壳具有更好的厚度均匀性和更小的贴模间隙.

图6 半球壳强旋阶段数值仿真结果

为了分析复合工艺和全程拉深过程的差异性,对成形完成时板坯中间层的应力(σ)进行提取,得到的应力分布曲线如图7所示.从图7(a)中可以看出,两种方案在经向基本都是拉应力,因此在回弹阶段板材会往半球底部收缩,应力越大收缩的变形量越大.由图7(b)可得,全程拉深件在70°≤φ≤80° 时产生纬向压应力,这导致铝合金半球壳卸载后在这个范围尺寸变动更大,与经向尺寸变动耦合后产生了更大回弹量,造成贴模度差.相比较而言,复合成形件应力变化更加均匀,由于采用了逐渐减薄强旋策略,所以只在30°≤φ≤60° 时纬向应力变化较大.

图7 回弹前中间层应力分布

综合以上研究结果,相较于原拉深工艺,复合成形构件壁厚更加均匀且贴模精度更高,这主要是由于旋压的加入改变了半球壳的应力状态.

3 拉深-旋压复合成形实验验证

为了验证复合成形方法在1 m级铝合金半球壳上的可靠性,进行了退火态铝合金拉深-旋压复合成形试验.先将铝合金板坯在原有的半球壳生产线上冲压50%的高度,即冲压深度为250 mm,随后将退火态半成品工件安装到双旋轮强力旋压机上进行六道次普旋和强力旋压成形,旋压加工现场如图8所示.

图8 旋压加工现场图

试验所制得的半球样件如图9所示.对其4条母线上分别取13个不同测点进行壁厚测量.经过测量,最小壁厚为6.63 mm,高于6.5 mm,达到厚度标准.最小壁厚低于前面仿真结果的原因是:在实际旋压试验时,为了消除二次装夹带来的定位误差,预先对拉深部分进行强力旋压保证工件和芯模紧密贴合,导致该部分厚度的减薄.按实际旋压工艺路线对半球壳成形进行仿真,得到壁厚仿真结果如图10所示.可以看出:仿真值与试验值的分布规律基本吻合,最大壁厚误差为4.5%,从而验证了上述结论的可靠性.另外,从工程应用角度,采用本文数值仿真方法可以获得可接受的计算精度,为大中型球面形构件兼顾精度与效率的旋压过程数值仿真提高了技术性验证.