机械工程学报：不锈钢外板对5A06铝合金板材液压胀形行为的影响
2022-12-20【作 者】张志超;徐永超;苑世剑
【前 言】
5A06 铝合金由于比强度高，抗腐蚀能力强，可焊性能好，广泛应用于航空、航天领域的整流罩、燃料贮箱等复杂深腔零件。该类超薄壁厚零件整体成形时，坯料径厚比达 375 以上，通过普通拉深方法成形，极易发生起皱和破裂缺陷，采用充液拉深方法能有效改善悬空区坯料受力状态，避免起皱和破裂缺陷的发生，然而，对于超薄壁厚深腔零件，通过单独增加液室压力增大悬空区径向拉应力，容易导致悬空区破裂，切向力作用下的悬空区失稳起皱仍然无法克服。采用双层板充液拉深方法，增加外层板厚度或者强度提高曲面零件悬空区抗失稳能力和承载能力，可以施加更大的液室压力，从而形成更大的内层板悬空区表面压力，可以解决整体成形起皱问题。但是，液室压力高，拉深力较大，大型零件成形所需拉深力将超过 100 MN，现有设备难以满足吨位要求，且对于大型的凹模-充液室的模具结构承载能力也是考验；通过液压胀形方法，所需胀形压力相对较小，但是胀形顶部易集中性变形失稳，板料过度减薄最终发生破裂[1-4]。针对以上问题，提出双层板液压胀形成形方法，在内层板外侧增加外层板的方法来抑制起皱和破裂缺陷的发生，降低成形压力和设备吨位。
为了研究外层板提高内层板成形极限和均匀变形能力的机制，本文采用液压胀形方法，以航空航天领域常用的铝合金 5A06 板材为研究对象，研究 1Cr18Ni9Ti 不锈钢外层板条件下的双层板液压胀形行为。通过理论和数值模拟，分析双层板界面上法向压力、切应力对内层板应力、应变的影响规律，给出内层板应力应变分布结果。试验验证双层板协调变形行为，讨论外层板提高内层板均匀变形能力及极限变形的机制。
【结 论】
(1) 双层板液压胀形屈服时内外层板曲率半径不同，极限弹性变形量越大，则屈服半径越小，胀形时越早发生屈服。1Cr18Ni9Ti 不锈钢板材屈服半径为 440.6 mm，5A06 铝合金板材屈服半径为 345.2mm，双层板胀形时，不锈钢外层板先于铝合金内层板发生屈服。
(2) 双层板液压胀形存在界面经向摩擦力和法向应力，经向摩擦力导致内层板材经向应力减小，在顶点处经向应力减小明显；法向应力导致经向和纬向的应力减小，但是不改变应力偏量。外层板能明显减小内层板变形区的应力、应变梯度，使得半球顶部位经向和纬向应变下降 10%，半球顶部位经向和纬向应力下降 6.7%，整个胀形区的应变和应力分布更加均匀。
(3) 采用 1Cr18Ni9Ti 不锈钢外层板能明显提高5A06 铝合金内层板的极限胀形高度，由铝合金单板胀形极限高度 38.5 mm 提高到50.9 mm，提高了32%。铝合金内层板半球顶部极限应变显著提高，由单板胀形的极限应变 49.7%提高到 75.4%，提高了 51.7%。
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