题目：充液冲击复合成形机理及关键技术研究

摘  要

板材充液冲击成形技术是充液成形和冲击成形的复合成形技术，首先利用液体静压充液成形完成零件大部分尺寸特征，再利用高能量冲击完成微小尺寸特征或进行液压打孔，以更大限度地提高材料的成形性能，减少成形的道次，属于高能率成形的一种。该复合成形技术，具有设备吨位小、成形零件精度高、成形道次少等优点，但是，相应的成形设备设计与制造、复合成形机理、成形过程模拟建模、充液后冲击成形中波传递规律等各个方面均需要进行深入研究，以便有效地解决板材充液冲击成形的成形机理及关键技术问题。该项技术的研究及关键技术突破对于板材充液冲击成形技术的推广和我国制造业水平的提升具有重要意义。

针对充液冲击成形技术中冲击波的形成和作用进行了理论分析，液体柱塞以一定速度压缩液体时，在极短时间内可以引起液体介质状态突变从而形成冲击波，可以用作充液冲击成形中冲击波的能量来源。其次，充液冲击成形中液体介质受到高压作用时密度将发生变化，可压缩性不可忽略；分析了液体介质水在充液冲击成形高压下的状态方程表达式，确定充液冲击成形中液体介质工作状态。最后，依据冲击波阵面前后质量守恒、动量守恒、能量守恒，获得波阵面前后压力、波速、能量等之间的关系，从而确定了一定速度的液体柱塞压缩液体时可产生冲击波的压力、波速和能量大小计算公式，为板材充液冲击成形设备提供设计依据。

板材充液冲击成形与传统充液成形最大的特点在于冲击成形属于高能率成形，针对板材在冲击成形下的动态响应特点进行理论分析，按照应变率对加载状态进行分类，确定了充液冲击成形应变率范围在102s-1，属冲击载荷作用。其次，确定了板材初始速度加载可准确模拟板材充液冲击成形中冲击过程。

基于充液冲击技术作用原理，设计并制造了进行充液冲击成形设备。利用冲击气缸压缩气体膨胀做功，经气体柱塞与液体柱塞碰撞传递、液体柱塞压缩液体转换、冲击波动态加载于板材来实现成形。成功制造出脉冲压力峰值100MPa，冲击建压时间小于1ms的充液冲击成形设备。

采用MSC.Patran和Dytran对充液冲击成形设备中冲击气缸输出能量至液体能量间多级转换过程进行数值模拟建模分析，包括无背压时冲击气缸中初始气压对气体柱塞机械动能的影响，气体柱塞质量对气体膨胀能量利用率的影响，液体柱塞动能与液体内能转化，液体柱塞前端型面形状对液体压力空间分布的影响等。通过分析液体冲击波形成的不同影响因素，不仅获得了时间尺度相关联的液体压力变化曲线，并获得了三维空间尺度上的液体压力动态分布云图，为板材充液冲击成形提供准确的加载路径打下基础。

板材充液冲击成形既具有静态高压加载，又有冲击动态加载，是材料复杂的高压高速变形运动过程。通过采用ANSYS/LSDYNA显式动力学分析比较了板材在力作用和能量作用下板材壁厚分布、应力应变曲线。得出在板材应力分布不同，最易破裂区域不同，板材胀形过程不同。在充液冲击成形下，内部应力分布趋于均匀，中心区域和边界区域两处为最易破裂危险区域，板材在ms内快速完成胀形，瞬间达到最大胀形高度，随后贴膜保持不变。充液冲击成形所需能量大约为充液成形能量的一半。

基于在充液冲击成形中板材完全胀形后，板材内部存在多个最大应力区域逐步融合并向法兰方向运动的特点，提出了一种新型的板材冲裁方法——充液冲击冲裁方法。以液体作为凸模，冲裁是在冲击产生动态拉应力作用下实现。板材高压冲击加载下的模拟结果证明了充液冲击成形理论分析的正确性，为处理复杂零件充液冲击成形材料变形控制提供了参考，为充液冲击成形拓展应用提供了技术支撑。

在北航自主设计制造的充液冲击成形设备上进行了充液冲击自由胀形实验，成功获得了具有多个特征尺寸的的胀形零件；进行了多孔同时冲击冲裁试验，对冲裁零件剖面40倍显微放大检测，得出冲裁质量良好的结论。验证充液冲击成形可在一次能量输出的情况下可一次完成多个特征成形，包括凸包，凹痕、冲孔等，并具有提高节约模具设计成本，提高零件整体性能等优点。

板材充液冲击成形技术集成了传统充液成形和冲击成形的优点，包括板材成形性极大提高、成形道次显著减少、零件成形精度大大改善、复杂结构件可选择设计自由度提高以及小特征尺寸成形改善等。发展此项技术对航空航天、汽配领域中具有小弯角、高凸起、筋纹等局部特征的复杂零件具有显著的优势。