钣金橡皮液压成形过程的研究进展.pdf

2 0 1 0年 2月 第 3 8 卷 第 4 期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I C S F e b ． 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 2 8 钣金橡皮液压成形过程的研究进展 陈磊 ，张亚兵 ，李善 良 1 ．江西蓝天学院机械工程 系，江西南昌3 3 0 0 9 8 ； 2 ．西安飞机工业集团有限责任公司钣金 总厂 ，陕西西安 7 1 0 0 8 9 摘要阐述橡皮成形技术的基本概念、应用和最新进展。分析钣金橡皮成形技术的特点，对其主要研究领域及关键问 题的研究与进展情况进行了分析与总结，并预测了这一技术的发展方向与趋势。 关键词钣金；橡皮液压成形；起皱；回弹；进展 中图分类号T G 3 8 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 4 0 8 2 3 De v e l o p me n t o f Ru bb e r Fl ui d Fo r mi ng o f Sh e e t M e t a l CHEN Le i ． ZHANG Ya bi ng 。 L I S h a n l i a n g 1 ． D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，J i a n g x i B l u e S k y U n i v e r s i t y ，N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 9 8 ，C h i n a ； 2 ． S h e e t Me t a l F a c t o r y ，X i ’ a n A i r c r a f t I n d u s t ry G r o u p L T D。X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 8 9 。C h i n a Ab s t r a c t T h e c o n c e p t ，a p p l i c a t i o n a n d n e w d e v e l o p me n t o f r u b b e r f o r mi n g w e r e p r e s e n t e d ． Th e c h a r a c t e r i s t i c s o f ru b b e r f o r m i n g p r o c e s s we r e a n a l y z e d， a n d t h e ma i n r e s e a r c h a r e a s a s w e l l a s t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t s i t u a t i o n o f k e y p r o b l e ms we r e a n a l y z e d a n d s u mma r i z e d ．Th e d e v e l o p i n g d i r e c t i o n a n d t r e n d o f rub b e r f o rm i n g t e c h n o l o g y we r e f o r e c a s t e d ． Ke y wo r d sS h e e t me t a l ；Ru b b e r fl u i d f o rm i n g ；Wr i n k l i n g ；S p r i n g b a c k；D e v e l o p me n t 飞机钣金零件具有产量小、品种多的特点，一 架飞机上有上万件钣金零件。橡皮成形是飞机钣金 成形的主要方法之一。橡皮成形技术属于金属板料 塑性成形的范畴，是指用橡皮垫或者液压橡皮囊作 为通用的凸模 或凹模 ，将 金属板料 按照刚性 凸模 或凹模加工成形的方法。在成形过程中，橡皮既 是传压介质，也起半模 的作用 ，橡皮作用在模具上 的载荷具有多向性，使刚性半模处于三向受压状态， 模具在工作 台上不需精确定位，压边力在变形过程 中随液压力的增加而增加。与常规的冲压生产相比， 橡皮成形不是靠冲压设备和冲模 的简单直线往复运 动或回转运动完成零件的制造过程 ，而是利用橡皮 半模向刚性半模的逐渐包覆或流动充填实现零件的 制造。因此 ，运用橡皮成形方法可制造出形状更加 复杂的零件 ，减少或简化模具，减少成形工序次数 ， 缩短生产准备周期 ，提高贴模精度及改善零件表面 质量 ，能够更好地解决零件强度、刚度、尺寸和精度 之间的矛盾。同时，它也是一种能耗低、噪声低和污 染少的加工方法。利用高压橡皮成形的零件可 以不 经修整或少量修整便可直接用于装配，很适用于中、 小批量生产和试生产。 从 2 0世纪 3 0年代起 ，橡皮成形工艺就成为飞机 制造业中的一种非常重要 的加工方法。国外现代化 的飞机制造 厂 ，橡 皮 成形零 件 已 占飞机 钣金 零件 总 数 的 5 O ％ 以上 ，国 内也 占 3 5 ％ ～ 4 0 ％ 。橡 皮成 形和 其他的板料成形方式一样，也存在着回弹、起皱和破 裂问题 ，其中回弹问题是橡皮成形的难点。由于飞机 零件产量 小 和 品种多 的特 点 ，采 用试错 法 进行 回弹 修正成本高。 目前飞机橡皮成形工装设计均不考虑 回弹修正 ，采用原始检验模进行制造，橡皮成形后， 由于回弹，板料不贴模，需要大量的人工校形才能达 到设计 的形状 ，产 品生产率低 ，劳动强度大 ，产 品的 强度和疲劳强度均有一定下降，且板料表面有大量 的锤 印迹 ，影 响零件 的外观 。 随着计算机技术、有 限元理论和塑性加工理论 的发展 ，板料成形过程的数值模拟技术已经开展起 来阻 J 。它为工序方案的制定和优化提供了一种途 径。作者对橡皮成形过程的原理 ，零件分类和关键技 术进行 了综 述 ，并对发展趋势进行 了展望 。 1 零件质量控制 钣金零件制造的质量控制总体上分为两个方面， 即外在质量控制和内在质量控制。外在质量主要指 零件的几何形状的准确度、表面和边缘的质量。内在 质量主要指零件成形后，材料所具备的物理 、化学性 能及力学性能。 成型件外在质量对于装配问题和最终件 的形状 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 2 0 基金项目江西省教育厅青年科学基金资助项目 G J J 0 9 6 2 0 作者简介陈磊 1 9 7 9 一 ，男，博士，主要研究钣金精密成形技术。电话0 7 9 1 8 1 3 6 1 5 0 ，E m a i l u j s e l 1 6 3 ． c o rn。 第 4期 陈磊 等 钣 金橡皮液压成形过程 的研究进展 8 3 方面是非常重要的。关 于成型件的外在质量主要考 虑的是成形性和尺寸精度。在成形过程 中材料成形 性与承受起 皱 由过 量压缩 导 致 和破裂 由过量 拉伸导致 的能 力有关 ，即零 件 在成 形过 程 中的厚 度增厚或者减薄。另一方面，尺寸精度包括成型件 卸载后 的回弹最小化 。 回弹影 响成 型件 的几何 形状 。 在成型件中尺寸变化影响最终件装配过程 ，导致配 合和表面抛光性 能差、风隙噪声 高和漏水等问题。 成形 过 程 的连 续 性 也 影 响 随 后 的 装 配 。过 程 干 扰 如材料参数不稳定 、润滑引起的尺寸变化与连续 性相关。目前对于飞机装 配质量 的要求 日益提高， 公差 要求 严 格控 制在 较 小 的数值 范 围内 ，这对 外 在 质量 提出了更 高的要求 。 零件经过塑性变形后，材料的理化性能和力学 性能将发生明显的变化 ，强度和硬度提高，塑性和 韧性下降，电阻率增加 ，抗腐蚀性能降低 ，同时在材 料内部产生了一定 的残余应力。保证钣金零件的内 在质量是飞机使用安全可靠的前提条件之一。内在 质量受外 在 质量 的影 响 较大 ，要 提 高 内在 质 量 ，需 要开展精 密成 形技 术 的研 究 ，国外 飞机 公 司 已经 严 格限制零件的手工校形量 以提高钣金零件 的质量 。 2 橡皮成形原理与零件分类 2 ． 1 橡 皮成 形原理 橡皮成形或高压橡皮成形，对于中小批量的钣金 零件来说，是一种经济的现代成形方式。橡皮成形采 用橡皮胎 包括内胎 和外胎 及 唯一 的 由价格低廉 的 材料制成的刚性半模成形，模具生产准备周期短。在 橡皮成形过程中，经加压流体的液压作用使板料通过 柔性胎受压，并迫使坯料成为刚性半模的形状。橡皮 成形过程的设备 目前主要有两种类型，一种是橡皮垫 成形，另一种是橡皮囊成形。橡皮囊成形由于压力大， 可调范 围大 ，在航 空 工业 中迅 速得 到 了广泛 的应 用 ， 橡皮囊成形过程原理如图 1 所示 。 a 成 形 前 b 成形 后 图 1 橡皮囊成形过程示意图 将坯料放置在成形半模上，此半模可以方便地 放在压力机工作 台内。将工作台开入压机内，另一 半模具，即带有内部加压油的内胎已处于压机内。 将油打人压机，并迫使橡皮胎将坯料覆盖在整 个半模上。高而均匀分布的成形压力允许零件的内 凹及翻边部分在一次压制中成形。 卸压后，压机工作台从压机中退出，并可取出成 形零件。然后，压机处于一个新的操作过程 的准备 状态 。 图2显示了瑞典 A B B公司生产的橡皮囊液压成 形设备 ，目前最新型液压机的最大成形单位压力达 到 1 4 0 MP a 。 图 2 橡皮囊液压机 2 ． 2 橡 皮成 形零 件 类型 橡皮成形是利用橡皮垫或液压橡皮囊作为凹模 或凸模 ，将 金属板 材按 刚性 凸模 或 凹模 加压 成形的方法。基于上述特征 ，橡皮成形零件主要为翻 边类零件，也包含有一些浅拉深和压窝类零件。图 3 显示 了几类零件的 图形 。 一 ’ 一一 c 双 弯 边 d 浅拉 深件 图 3 液 压成 形图片 3 钣金橡皮成形关键技术问题 3 ． 1 回弹控 制 钣金精 确制 造 关 键 技 术 之 一 是 控 制 回弹 ， 典 型 回 弹 如 图 4所 示 。 回弹不仅是工业生产中 的一个 实 际 问题 ，也 是 学 术 界 关 注 的 热 点 。 关于回弹 目前已经进行 图4 典型回弹 了很多研究，有很多回弹量描述方法如截面开放角 度、侧壁弯曲半径和凸缘角度等。回弹的经验和理论 研究表 明 回弹 和材料 性 能 、模 具 设计 、过程 变 量 有 8 4 机床与液压 第 3 8卷 关。材料性能包括屈服强度、杨氏模量 、应变强化系 数、各向异性等。模具设计包括圆角半径、模具间 隙、半径厚度比、模具间隙厚度比等。随着计算机技 术、塑性力学和有限元理论 的发展，解决 回弹问题 进人了理论阶段。目前研究集中在 3种可能方法来解 决 回弹问题 。解 析法 是 一种 基 于塑性 力学 的理 论 预 测方法 ；模 具试 验法 是一 个 预过 程来 调节模 具 设计 和过程变量 ；有限元分析法是通过离线分析来模拟 成形过程及其回弹变形。解析模型，提供了预测弯 曲问题 回 弹量 的闭式 解决 方案 ，其 中一些 用 于模具 设计，修改模具参数。尽管回弹能够方便地用这些 模型预测，但是它们的应用受到限制 ，难以处理复 杂的三维成形过程。不同于理论分析模型，试验模 型主要依赖于试验数据建立 回弹与不同几何参数和 过程的关 系。如果 缺乏 理论 背景 ，就需 要很 多 的数 据来建立一个可信赖的模型。试验模型随不同材料 而异，所以通常它们仅适合于一种材料。与理论模 型相似，经验模型只是对简单的操作如二维拉伸弯 曲 、压弯 机弯 曲适 用 。尽 管经验 模 型看 起来 比理论 模型更实际，但是对于实际生产仍不实用，是一个 费时 、费力和 费用 高 的过程 。 由于 通用 有 限元 程序 的建立 ，板 料成 形过 程 的 中心 问题 已经转 移到 选择 有限元类 型模拟板料成形 、动态执行变形过程和模 拟板料和模具之间的相互作用 等方面。数值模拟 的优点是数值模拟允许缺陷问题在昂贵的模具制造 前确定和分离。然而，由于材料和过程的不同，有限 元法的精确度很大程度上依赖于数值解决技术和准 确描述材料行为和过程条件模型。采用有限元，建 立不同特点 的更 加 复杂 的理 论模 型 ，大 大提高 预测 的准确性 。目前 已有很多 商业有 限元软件 如 L s DYNA3D／ L SNI KE3D MS C． Ma r c 、Dy n a f o r m A b a q u s 、P a m s t a m p 、I N D E E D等 。很 多学 者 采 用 数值模拟方法，在成形和回弹模拟方面已经做 了广 泛 的研究 ，研究 包括材 料 、过程 因素 、不同有限元方 法、显隐式方法、从工业应用和试验验证 中采用实 际方法等 。 3 ． 2起 皱控 制 钣金精确制造 的另一个关键技术是控制起皱， 见图 5 。从力学分析 的角度来看，起皱是 板块或壳体在某种局 部压应力作用下产生 屈曲并出现后屈曲大 变 形 的外 部 宏 观表 现H 。钣金橡皮成型 零件具有凸弯边和下 图5 凸弯边起皱 陷特征，经常会发生起皱。起皱的预测和控制是数值 模拟的难点。许多学者对塑性失稳起皱问题进行 了 大量的研究和探讨，这些研究涵盖了从实验研究、理 论分析到数值模拟，从薄板拉深成型、液压成型到弯 管成型，从起皱、后起皱预测到失稳控制等诸多方 面。采用有限元模拟预测起皱是控制起皱的发展趋 势。对于橡皮成型过程，控制起皱 可采用侧压块方 法，对于侧压块的参数优化研究较少，需要进一步研 究。就钣金零件的精确制造 ，国外采用 3种方法① 对于一些成型机理 比较 简单 的 ，通过与 设备制造 厂 、 专业软件公司进行协作 ，编制和使用成型模拟软件 来减小回弹对成型精度的影响；②对一些成型机理 复杂、批量较大的零件，针对具体零件将回弹研究交 给专业院校进行研究，并将研究成果应用到生产中； ③建立专家数据库，经过长期的数据积累，形成一些 经验公式或数据表，应用到生产中去，并根据实际生 产充实数据库。 目前 ，波音公 司在液压成型方面主要 采用的是第三种模式，通过积累的数据库基本解决 了 8 5 ％的液压 成型 回弹 问题 ，剩下 的则 是通 过成 立 临时的工作队，进行研制攻关。欧洲的一些设备生产 厂，为了提高自己设备的市场竞争力，并为用户提高 生产效率 ，实现双赢，积极与一些研究部 门进行合 作，针对专用设备，编制 出有针对性的仿真模拟软 件，如法国 A C B公司针对蒙皮拉形的 S 3 F软件。 3 ． 3 国内外研究 国外对橡皮成形研究主要集中在飞机企业，如 麦道公司曾经出版了橡皮成形手册，但是国外标准 与国内差异很大，以英寸为单位，不适合国内使用。 国际上关于橡皮 成形 的论 文很 少 ，检索 S C I ／ E 1 只有 两篇 j 。国内对于橡皮成形 的研究较 少 ，南京 航空 航天大学的李靖谊教授 副曾在九五支持下进行了橡 皮成形的数值模拟软件 的开发，并对橡皮成形零件 进行模拟。作者 曾在某公 司从事博士后研究 ， 开展橡皮成形过程 的精确制造研究 ，研究主要以试 验和统计 回弹规律为主，对回弹控制的机理和数值 模拟模型研究较少。 4展 望 橡皮成形作为一种特定的钣金成形方式 ，属于 塑性成形 的范畴。由于飞机钣金零件产量小、品种 多 ，橡皮成形是飞机钣金生产的主要方式之一 。 板料成形有限元数值模拟经过了 3 0多年的研究，已 经有了专业的数值模拟软件 ，在国外，所有的模具开 发均要经过数值模拟的检验，采用数值模拟方法是 板料成形模具设计的发展趋势。对于钣金橡皮成形， 下转第6 3页 第 4期 张秀华 几种带补偿措施的双杆串联缸新同步回路的分析 6 3 累误差。例如，图6中若缸 1 1 下行先到达行程端点 ， 挡块触动行程开关 2 s ，2 s给相对应的换向阀 4发信 号，使4 D T得电，换向阀 4处 于上位，此时，泵 出 口处的高压油进入液控单向阀7的控制腔，打开液控 单向阀7 ，液压油由缸 1 0下腔通过液控单向阀7 ，换 向阀4 ，和液控单向阀8进入缸 1 2上腔，而不再经过 缸 1 1 ，进行补油，使后面的液压缸继续下行，到达 行程端点。如有 2个或 3个缸先后到达行程端点，其 工作原理与之相同，相信读者可 自行分析，这里不 再 阐述。这样 ，下行 中积累误 差便 可消除。 图 5 改进后新 回路之四 图 6 改进后新 回路之五 这里需要注意的是，在所有液压缸都到达行程 端点后 ，所 有行 程 开关 同时断 电 ，所 有 二位 二 通 电 磁换 向阀复位 。 3 新同步回路的特点 1 可消除双 向积 累误差 。 2 新同步 回路使用了价格便宜的三位 四通电 磁换 向阀和二 位二 通 电磁 换 向 阀，可避 免在 缸筒 和 缸盖上另 开油 孔 ，减 少加 工 工序 ，从 而可 避 免油 孔 带来的应力集中问题 ，延长液压缸的使用寿命。 3 在活塞 返 回运 动 到位 后 ，换 向阀 2换 到 中 位，泵可卸荷 ，降低了能耗 ，提高了效率 。 4 由于回路 中有泄漏，液压泵供油压力至少 是所有 液压缸工作压力之 和。 5 图2 、4 、5和6结构由于有液控单向阀的存 在，密封好，同步精度高，管路连接较安全 ，可避免 外负载突然增大时对液压元件造成 的冲击 ，但造价 相对较高，适用于同步精度要求高的中小功率液压 系统 。 6 图 3结构由于无液控单向阀，在外负载突 然增大时 ，由于换 向阀的密封问题，会有部分油液 通过换向阀流失掉，从而影响同步精度 ，所以该结 构只能用于低压、对于同步精度要求不高的液压系 统 中。 参考文献 【 1 】汪大鹏， 刘白， 任水英， 等． 带补偿装置串联液压缸的新 同步回路[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 0， 6 8 4 8 5 ． 【 2 】汪大鹏， 吴宪平， 夏卿坤 ， 等． 对串联液压缸的新同步回 路的改进[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 0 3 1 2 5455． 57． 【 3 】汪大鹏， 吴宪平， 夏卿坤， 等． 对单杆串联液压缸的新同 步回路的改进[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 4 ． 【 4 】 汪大鹏 ， 刘白， 王璐佳． 双杆串联液压缸带补偿装置的新 同步回路[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 o o o 1 1 3 03 2． 【 5 】 汪大鹏 ， 戴娟 ， 郝诗明， 等． 双杆串联缸同步回路补偿新 结构[ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 5 1 2 9 4 9 6 ． 上接第 8 4页 与冲压成形类似 ，但又有本质区别，需要开展专门研 究，建立一种可靠的数值模拟模型，以适应我国大型 飞机设计制造的需要。 参考文献 【 1 】 朱东波， 李涤尘 ， 卢秉恒． 板料成形回弹问题研究新进展 [ J ] ． 塑性工程学报， 2 0 0 3 ， 7 1 1 1 1 7 ． 【 2 】钟志华， 李光耀． 薄板冲压成型过程的计算机仿真与应 用[ M] ． 北京 北京理工大学出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 3 】 林忠钦． 车身覆盖件冲压成形仿真[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】 李恒 ， 杨合， 詹梅． 薄壁件塑性成形失稳起皱的国内外研 究进展[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 4 7 8 3 7 8 4 4 ． 【 5 】G i u s e p p e S al a ． A n u me ri c a l a n d e x p e ri m e n t a l a p p r o a c h t o o p t i mi s e s h e e t s t a mp i n g t e c h n o l o g i e s p a r t I I a l u mi n i u m a l - l o y s r u b b e rf o r m i n g[ J ] ． Ma t e ri a l s a n d D e s i g n ， 2 0 0 1 2 2 2 9 93 1 5 ． 【 6 】A s n a fi N a d e r ． O n s t r e t c h and s h ri n k fl ang i n g o f s h e e t a l u m i n i u m b y fl u i d f o rmi n g [ J ] ． J o u ma l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 1 9 9 9 ， 9 6 1 ／ 3 1 9 8 2 1 4 ． 【 7 】李靖谊， 王化明， 张中元． 基于非线性有限元的钣金件成 形极限研究 [ J ] ． 机械科 学与技术， 2 0 0 2 ， 2 1 4 5 1 7 5 1 9 ． 。 【 8 】 李靖谊 ， 王化明， 张中元． 弯曲半管橡皮成形工艺过程数 值模拟研究[ J ] ． 计算力学学报， 2 0 0 3 ， 2 0 1 4 3 4 8 ． 【 9 】陈磊 ， 邱唏 ， 李善良， 等． 橡皮液压凸弯边成形试验与分 析研究[ J ] ． 锻压技术 ， 2 0 0 7 ， 3 2 6 5 8 6 0 ． 【 1 0 ]陈磊 ， 邱唏， 李善良， 等． 新淬火铝合金板材成形 回弹试 验与数值模拟[ J ] ． 锻压技术， 2 0 0 8 ， 3 3 1 4 4 4 6 ． 【 1 1 】陈磊 ， 邱唏， 李善良， 等． 橡皮液压成形直弯边回弹试验 与分析研究 [ J ] ． 塑性工程学报， 2 0 0 8 ， 1 5 3 4 7 5 0． 6 0． 【 l 2 】 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， 1 9 9 2 ．