● 摘要
板材充液成形技术是指利用流体介质来代替传统的刚性凸模或者凹模，使坯料在流体压力的作用下贴合凸模或凹模而成形的一种先进柔性加工技术。充液成形与传统拉深工艺相比具有模具结构简单、通用性强、成本低、成形精度高及成品表面质量好等特点。充液成形特别适合用于形状复杂、精度要求高的薄壁零件的成形，应用前景广阔。作为一种先进的成形工艺，国内目前还处于推广应用的起步阶段，许多关键问题亟待解决。本文研究了厚向应力对材料成形性的影响，并对复杂异形零件成形过程中的关键技术问题进行了研究，同时对流体压力对回弹的影响机理进行了分析探讨。
通过理论分析和实验方法研究了厚向应力对板材成形性能影响。建立了考虑厚度法向应力及凹槽方向的M-K失稳修正模型，计算结果表明，随着厚度法向应力的增大，成形极限曲线升高，材料的成形性得到提高。进行了单层铝合金板材及带不锈钢覆板的铝合金板材液压胀形实验。与无覆板液压胀形相比，中间采取润滑措施的双层板液压胀形成形性改善量 为6.13%；无润滑的双层板液压胀形成形性改善量 为7.78%。
利用理论分析和数值模拟方法研究了盒形件充液成形变形机理。分析了矩形坯料和圆角坯料的变形特征。根据矩形坯料法兰变形特征，将法兰圆角区分为五个主要变形区，给出了各个变形区内的应力应变状态。对于切圆角坯料，其圆角区可分为三个变形区。其中1区、2区与矩形法兰1区、2区变形性质相同。随着切角径宽比γ的增加，2区、3区逐渐减少，当径宽比γ为0.5时，2区、3区完全消失。
利用数值模拟和实验方法研究了典型盒形件充液成形的失效形式。对于矩形坯料，法兰长直边较法兰短直边容易起皱。对于切圆角坯料，当径宽比γ为0.5时，圆角区与直边区切向压应力分布趋于一致，当压边间隙较大时圆角区和直边区同时起皱。对于盒形件，短边侧壁壁厚减薄较大，此处比长边侧壁容易破裂。为了同时控制起皱和破裂，压边间隙应控制在1.05t0 ~1.1t0 之间。
采用理论分析和数值模拟方法研究了流体压力对定间隙压边充液成形的成形性影响机理。在定间隙压边充液成形过程中，流体压力对成形有两方面的影响。一方面，流体压力增加了法兰与压边圈之间的摩擦阻力，不利于成形；另一方面，流体压力增加了筒壁与凸模之间的摩擦力，使筒壁区承受的拉应力减小，有利于成形。在成形初期不宜施加过大的压力，而在成形后期则较大的压力有助于控制壁厚减薄。进行了典型盒形件的定间隙压边充液成形实验，得到了典型盒形件合理的流体压力加载路径。
研究了斜法兰盒形件充液成形中的预胀形效应，分析了预胀形提高斜法兰盒形件成形性的机理。结果表明，预胀形可使坯料进行少量的反向拉深，使法兰较低处大部分坯料提前贴向凸模，避免了最高处坯料与凸模单点接触，坯料变形更加均匀，抑制了板材过度减薄。
采用法兰倾斜度 表征斜法兰盒形件的法兰倾斜程度。针对倾斜度 =0.15的典型零件研究了预胀高度和预胀压力对成形结果的影响。结果表明，预胀高度对成形影响较显著，当相对预胀高度小于0.7时，容易造成筒壁最高拐角区凸模圆角处的破裂；当相对预胀高度超过0.9时，板材在筒壁最低处产生折皱。通过试验研究获得斜法兰盒形件合理的压力加载路径，成形出了合格零件。
采用数值模拟与工艺实验方法研究了大锥度曲面法兰盒形件充液成形压力加载路径。研究表明，不均匀拉应力和剪应力是引起侧壁拐角处起皱的主要原因。流体压力的加载有利于控制破裂，但不利于对侧壁拐角起皱现象的控制。可通过在法兰直边区设置拉延筋的方法来控制拐角起皱。当拉延筋深度大于5mm时出现破裂现象，当拉延筋深度小于4mm时零件起皱。得到了大锥度曲面法兰盒形件的合理压力加载路径，成形前期压力不宜过大，否则容易起皱，压力加载时间也不能过于滞后，否则容易破裂。
研究了充液成形过程中液体压力对回弹的影响机理。根据充液成形的特点，为了便于理论分析对充液成形过程进行了适当简化，以液体压力作用下的拉深弯曲成形为研究对象，利用Hill塑性弯曲理论推导了液体压力作用下的拉弯回弹量的理论解，分析了液室压力对回弹的影响。结果表明，随着液室压力的增加，外部加载弯矩减小，中性层内移，零件截面上拉应力作用区域增加，回弹量减小。提出了压力作用下板材拉深弯曲回弹的实验方法，并进行了实验。实验结果与理论分析结果保持一致。
利用数值模拟方法对液体压力作用下拉深弯曲成形过程中的应力应变进行了分析，研究了材料性能参数对回弹的影响。结果表明，弹性模量越大、屈服强度越小、零件厚度越大成形结束后的回弹越小。