● 摘要
随着轻量化技术的快速发展，在航空、航天和汽车等制造业，高强难变形材料与几何形状复杂整体结构的钣金零件被大量设计和采用。高温成形利用加热提高材料塑性，是制造难变形材料零件的主要工艺方法；充液拉深技术具有模具成本低、成形精度高以及对零件外形适应性强等特点，是解决复杂结构钣金件整体精密成形的有效方法。为了解决成形温度高易氧化板料的成形问题以及复杂结构深型腔飞机钣金零件成形问题，本文针对真空环境热拉深和动态充液拉深工艺与装备技术进行了系统深入的研究。
根据高强度难变形材料的成形温度和成形力等需求，提出了真空环境热成形设备的总体设计原则和主要技术指标，分别计算与设计了主机系统、液压系统、加热系统、真空系统、水冷系统、降温系统和计算机测控系统，解决了高温环境下动密封技术难题，实现了热拉深过程中压边力、温度和真空度等参数自动精确控制，研制了成形力500kN、压边力300kN、最高工作温度900℃、最高温度下真空度10-2Pa的真空环境热拉深设备。系统精度分析表明，成形力和压边力的线性度以及压边力、真空度、温度等参数的控制精度均达到了设计要求。
进行了室温及720~870℃的温度范围和5×10-4~2×10-2s-1的应变速率范围内的纯钼板材单向拉伸试验，分析了纯钼的热塑性变形行为，建立了描述纯钼板材高温变形行为的Arrhenius类型本构方程，并与试验数据进行了对比，验证了其预测的准确性。
通过有限元模拟与试验结果的对比分析，确定了纯钼板材在不同润滑条件下成形时摩擦系数与温度的关系，得出了成形温度、拉深速度、润滑条件、模具尺寸和压边间隙等工艺参数对拉深性能的影响规律。在建立的真空热拉深设备上进行了纯钼板材的高温拉深试验，并与有限元分析结果进行了对比，验证了数值模拟的准确性和真空环境热拉深设备成形高强度难变形材料零件的可行性。
根据所成形飞机复杂钣金零件的最大尺寸和材料等因素，提出了动态充液拉深设备的主要技术指标，设计了通用的充液室结构，采用闭环控制技术实现了压边力、液室压力和凸模速度等参数的连续动态调节，研制了成形力5500kN、压边力2000kN、最大液室压力100MPa的动态充液拉深设备。系统精度分析表明，压边力和液室压力动态响应速度快，控制精度高，能够实现复杂加载路径。
针对铝合金宽法兰盒形件和不锈钢异形件所使用的材料，分别进行了单向拉伸试验和刚模胀形试验，获取了材料的基本力学性能和成形极限曲线。结合零件工艺难点和塑性成形基本原理，分析了主要工艺参数及模具参数对零件成形质量的影响。结果表明，盒形件液室压力加载区间全部由转角区决定，合理的液室压力加载路径包括初始反胀压力、高低压分段位移和提高材料成形极限的最大背压力；不锈钢异形结构件的失效形式为外凸特征起皱和内凹特征不贴模，对于外凸起皱问题，不能仅仅依靠调整液室压力来消除，需要设置拉延筋，对于内凹特征不贴模难点，需要增加整形工序和相应的去应力热处理中间工序。
建立了宽法兰盒形件和不锈钢异形件充液拉深成形的有限元分析模型，分析了液室压力加载路径、压边力和拉延筋等工艺参数对成形质量的影响，优化设计了工艺参数和模具参数，进行了复杂结构零件充液拉深的模具设计，采用优化的工艺参数在建立的动态充液拉深设备上进行了工艺试验，得到了合格的零件，并与数值模拟结果进行了对比，验证了有限元分析的准确性和利用动态充液拉深装备成形复杂结构零件的优越性和先进性。