充液成形技术是一种新型的金属成形工艺，广泛应用于汽车、航空、航天等领域零部件的生产制造。本文讲述了采用充液拉深工艺代替传统的刚性模拉深工艺成形某盒形件的过程，通过数值模拟的方法研究典型盒形件充液拉深过程，根据数值模拟试验试模，并采用调整压边间隙和压边力的方法解决试模中出现的法兰起皱问题。结果表明：调整压边间隙可以改善零件成形质量，但是不能彻底消除法兰面的皱痕；采用变压边力方式，通过调整压边力可以消除法兰面的皱痕，表面质量好，贴模性好，满足成形技术要求。

充液成形技术介绍

充液成形技术是一种先进的钣金柔性成形技术，是现代精密制造的代表性技术之一。充液成形技术是使用液态的水、油或黏性物质作为传力介质，在成形时，坯料在传力介质的作用下与模具紧密贴合，从而成形出设计的零件形状。根据加工坯料形状的不同，充液成形技术一般有3 类：板材充液成形、管材充液成形和壳体充液成形。

图1 所示为充液拉深成形与普通拉深成形的对比。充液拉深成形的特点是在凹模中充满液体，利用凸模带动板料进入凹模，从而建立反向液压。反向液压减小了普通拉深成形中凸、凹模之间坯料的悬空区，并且使该部分坯料紧贴凸模，进而产生“摩擦保持效果”，缓和板料在凸模圆角处（传统拉深时的危险断面）的径向应力，提高传力区的承载力，抑制坯料减薄和开裂，可有效地提高成形极限，并减少成形道次。

成形时液体从坯料与凹模上表面间溢出，在板料与凹模表面间形成流体润滑，从而减小了板料与凹模之间的摩擦系数。油液的保护作用降低了成形零件表面产生划伤的概率，同时减小了法兰变形所需的径向应力。

零件特点及材料性能

弯曲部分的展开长度为：

圆角拉深部分展开后的毛坯圆角半径R 为：

进而得到：

根据上述计算结果，此盒形件位于图4 所示“红点”位置，可以一次拉深成形。

数值模拟成形

由理论计算可知零件可以一次拉深成形，首先利用数值模拟软件模拟盒形件刚性拉深成形过程，其工艺分析模型如图5 所示。数值模拟参数如下所示：凸模圆角半径16mm，压边圆角半径10mm，凹模型面圆角半径12.7mm，网格尺寸1.5mm。摩擦系数设置为：凸模0.17(粗糙)，凹模0.05(润滑)，压边圈0.05(润滑)。成形过程中初步设定压边间隙为1.76mm，凸凹模间隙为2mm。

采用刚性拉深工艺成形的最终零件的减薄云图和应力分布如图6 和图7 所示，成形后的零件凸模圆角减薄严重，最大减薄率为30%，靠近棱角处的法兰应力集中严重，最终零件会有较大的回弹，不能满足轮廓度和减薄要求。因此下面研究盒形件的充液拉深成形工艺，解决刚性成形产生的问题。

为降低零件减薄率，减小回弹量，零件成形采用充液拉深工艺。当凸模下行至距离最终位置95mm 时，反胀压力6MPa，最终实际拉深高度85mm，最大成形压力30MPa，反胀高度10mm。液体压力设置如图8 所示。充液拉深过程中盒形件的直线部分和圆角部分的变形趋势分别如图9 和图10 所示。

最终零件的成形极限图如图11 所示，最终零件的减薄云图如图12 所示。

由分析结果可知，零件最大减薄23%，无明显起皱破裂趋势，此工艺方案可行。

零件试制

本次试制零件3 件，编号试件1、试件2、试件3，料厚实测均为1.7mm。

试件1

参照数值模拟，试件1 成形时压边吨位设置为325t，拉深吨位设置为350t，板料双面润滑。试件1最终成形结果如图13 所示，零件无破裂和颈缩现象，但法兰面上有轻微皱痕，成形质量不满足零件技术要求。现将零件切割成数块，并测量每个区域的厚度，测量区域如图14 所示，测量结果如表2 所示。

由测量结果可以看出，棱角处底部圆角减薄最大，法兰处增厚明显，靠近棱角的法兰处增厚最大，皱痕最明显，其产生原因是拉深过程中零件法兰受到的拉力不足。

试件2

改善法兰面上的皱痕现象，可以通过调整压边间隙、调整压边力等方法增大法兰拉力。试件2 采用增加垫片，减小压边间隙进而增大法兰拉力的方法成形。垫片厚度为0.4 ～0.45mm，根据试件1 成形后法兰不同区域的厚度分布，放置不同厚度的垫片。垫片放置的位置如图15 所示。

试件2 的成形结果如图16 所示，零件无破裂和颈缩现象，法兰有轻微起皱，但是相较试件1，皱痕有明显地改善。分析原因主要是模具在压制过程中压边法兰产生弹性变形，再加上模具法兰加工研配产生的误差，导致调整后实际的压边间隙与想要的压边间隙存在一定误差，因此通过调整压边间隙会对零件产生一定有益的效果，但当零件对压边间隙非常敏感时就很难达到理想的状态。

试件3

由试件2 的成形结果可知，调整压边间隙可以改善法兰的褶皱现象，但是不能完全消除。再取试件3进行成形，去掉调整垫片，使压边间隙与试件1 相同，调整压边吨位，进而达到调整法兰拉力的目的。初始压边力设置为176t，后期压边力设置为325t，其他压机参数设置保持不变。最终试件3 成形结果如图17 所示，可以看出，零件无破裂和颈缩现象，法兰起皱消失。

结论

⑴通过对充液成形与刚性成形工艺分析对比可以看出采用充液拉深工艺成形盒形件能减少传统刚性成形工艺产生的凸模圆角处减薄严重，棱角处法兰边应力集中严重等问题。

⑵通过本零件的试模过程可以得出由于模具弹性变形和加工研配误差等原因，很难通过垫片间隙的调整获得理想的压边间隙。然而本零件对压边间隙较为敏感，所以很难完全消除零件上的褶皱。

⑶调整压边力可以消除盒形件法兰面上的皱痕，最终零件表面质量好，贴模性好，满足成形技术要求。

★基金项目：天津市科技计划项目（航空发动机薄壁件柔性精密成形，基金号18YFCZZC00240）