该零件如图1所示。其材料为1Cr18Ni9Ti,原材料壁厚2.5 mm,成形后要求最小壁厚为2.2 mm,零件型面与样板间隙≤0.3 mm。

该零件采用扇形板料对缝焊接成锥筒后使用模具液压成形的工艺方案^[9],锥形坯料如图2所示。成形后存在大端周圈起皱及小端喉部下方周向环状突起的缺陷,如图3所示。检查发现与样板间隙约0.5 mm,无法满足设计图纸≤0.3 mm的要求。

由图1可见,该零件形状有以下几个特点:①大、小端直径比大; ②型面曲率变化大。零件由锥筒液压成形,大端主要完成收缩变形,中间部位为胀形,小端喉部为收缩变形,出口为胀形。成形过程既有胀形又有挤压、拉伸和收缩,材料流动和变形状况非常复杂,难以通过理论计算掌握其成形过程中应力应变情况及材料流动规律。另外,由于零件的成形过程是在封闭的模具型腔内,无法直观看到零件的变形过程,因此只能凭借经验对工艺进行改进,都没有达到理想的效果。

图1 零件图
Fig.1 Part drawing

图2 坯料图
Fig.2 Blank drawing

图3 零件缺陷示意图
Fig.3 Part defect drawing

采用三维绘图软件UG建立阴模、阳模及锥筒坯料模型,再将建好的模型以IGES格式导入PAM-STAMP中,对其进行网格划分,网格划分采用自适应网格优化法。实际生产中,锥筒是由扇形板料对缝焊接而成,型面不是理想的锥形。为方便计算,几何模型按照扇形展开计算得出的理想锥体型面建模,并且忽略焊缝与基体的材料性能差异。阴、阳模型面尺寸按照模具设计图纸给出,阴、阳间隙为2.6 mm。计算结果显示,简化模型对计算结果的影响很小。计算过程中,阴、阳模均为刚体,即不可变形体,坯料为变形体。图4为有限元三维模型。

图4 三维有限元模型
Fig.4 Three-dimensional finite element model

选取零件成形过程中几个典型环节的剖面线图、壁厚及应力分布云图进行观察分析。图5是阳模开始接触坯料时的状态,可以看出,零件首先接触的是阳模中间凸起部位。此时零件小端还没有与阴模接触,大端与阴模口部接触。

图5 初始状态剖面图
Fig.5 Initial state profile

图6 零件大端进入阴模时的状态、壁厚及应力分布
Fig.6 The status,thickness and stress distribution when the large end of the part enters the female die

图8为零件小端开始接触阴模时的状态、壁厚及应力分布图。此时零件大端已基本全部进入阴模,大端起皱部位受到约束校正。此时,零件小端与阴模小口部位开始接触,坯料受到的摩擦阻力与接触阳模的中间部位受到的作用力相反,因此可以看到,两处接触部位的中间区域产生了环状凸起,这是因为该区域坯料受到两侧的压应力而产生的失稳现象。零件小端与阴模圆角接触部位料厚增加显著。

图9为成形结束时零件状态、壁厚及应力分布云图。可以看出,大端的起皱和小端下方的环状鼓包依然没有消除。

从图9可以看出,成形结束时,阴阳模间隙不均匀,说明模具没有完全闭合。零件的壁厚分布云图显示,零件小端圆角部位最大料厚为2.87 mm,已经超过了阴阳模间隙2.6 mm,这使得模具无法完全闭合,从而导致零件成形不到位。同时零件表面起皱也是导致型面尺寸超差的直接因素。模拟结果与实际生产中出现的状况和缺陷完全一致。

图7 零件大端失稳起皱时的状态、壁厚及应力分布
Fig.7 The status,thickness and stress distribution when the large end of the part is wrinkling

图8 零件小端开始接触阴模时的状态、壁厚及应力分布
Fig.8 The status,thickness and stress distribution when the small end of the part began to contact the female die

图9 零件成形结束时的状态、壁厚及应力分布
Fig.9 The status,thickness and stress distribution when the forming of the part is finished

起皱是板料在成形过程中受压失稳的一个主要表现形式。板料在塑性变形过程中会受到复杂的应力状态的作用,由于板厚度方向尺寸与其他两个方向的尺寸相比很小,因此,板料在厚度方向上最不稳定^[13-15]。当板面内的压应力达到一定程度时,板厚方向最容易因受压而不能维持稳定的塑性变形,产生失稳起皱现象。通过分析模拟过程及结果得知,零件大端起皱主要是受到周向非同轴平衡力,在力偶产生的切向压应力作用下产生的起皱。而零件小端的环形起皱主要是因为受到沿母线方向的压应力而产生的。要想成形出型面尺寸合适的零件,必须有效消除起皱现象^[16]。

从以上分析可以看出,由于零件成形过程中零件大端及小端喉部区域料厚增加显著,使得模具无法完全闭合,零件成形不到位。因此,可以通过增大阴、阳模局部间隙的方法改进模具型面设计。模具型面改进主要有以下两个方面:①将阴、阳模间隙整体增大至2.7mm; ②由于零件大、小端受到与阴模接触产生的摩擦阻力更大,因此通过曲线拟合,将大、小端模具间隙放大至2.9mm。

将改进后的模具通过建立有限元模型进行仿真,其结果如图 10所示。可以看出零件大端没有起皱,小端凸起鼓包消除。这是因为模具间隙增加,使得零件大、小端受到的由阴模产生的摩擦阻力减小,从而使得零件在大端口部和小端喉部位置的料厚增加减小,反过来又促进了零件更加顺利地进入阴模型腔。由于成形后壁厚小于阴、阳模间隙,模具能够完全闭合,从根本上消除了零件的起皱缺陷。

图 10 改进后零件成形结束时的状态、壁厚及应力分布
Fig.10 The status,thickness and stress distribution when the forming of the part is finished after improved