冯苏乐，李林才，罗益民，沈宏华，徐爱杰，杨学勤

(1. 上海航天精密机械研究所，上海 201600； 2. 湖南航天环宇通信科技股份有限公司，湖南 长沙 412000)

0 引言

作为贮存推进剂的大型压力容器，贮箱承受着运载火箭的气动力、发动机的推力和其他各种载荷的压力，是运载火箭箭体结构的重要组成部分，与涡轮泵、气液导管、活门附件等构成了推进剂的输送系统。因此，贮箱制造质量直接影响运载火箭产品的射程、运载能力等使用性能。

拉深成形是板材立体冲压成形中重要的塑性加工方法[1]。该方法借助于设备的动力和模具、材料间的相互作用，使金属平板坯料外凸缘部分缩小，形成带底的零件。本文研究对象为某新型运载火箭的贮箱瓜瓣零件，瓜瓣零件是椭球箱底的一部分。目前，瓜瓣常用的加工方法主要有压弯成形、拉形成形、拉深成形等。其中：压弯成形具有对设备要求低、模具简单、材料节省等优点，但成形的零件精度不高，容易出现表面起皱、型面偏差等缺陷，对后续产品的焊接装配产生不良影响；拉形成形具有产品成形精度高、模具简单、材料节省等优点，但需配备大吨位、价格昂贵的拉形机；拉深成形具有产品成形精度高、表面质量好、设备通用性强等优点，但材料变形复杂，容易在成形过程中出现破裂、变薄、起皱等问题[2]。对此，目前工业设计中大量采用了有限元仿真手段对成形过程进行模拟，对可能发生的各种缺陷进行预判，以实现降低成本、提高效率的目的[3]。本文采用有限元仿真方法对大直径贮箱瓜瓣的拉深成形进行研究。

1 瓜瓣零件结构分析

某新型运载火箭贮箱的箱底圆环采用2219铝合金，由8块瓜瓣零件拼焊而成，如图1所示。瓜瓣型面理论上为椭球面，长短轴比值为1.6，长轴半径约为1 900 mm，坯料壁厚为6 mm。瓜瓣零件各部位的曲率半径不一致，深度不均匀，属于大直径双曲率薄壁件，零件型面的壁厚减薄率不大于10%，且不能出现褶皱等缺陷。瓜瓣成形难点主要有两方面：一是要保证零件形状尺寸和最小壁厚的要求；二是工艺补充面及压料面不能太大，否则坯料尺寸过大，不利于经济性[4]。因此，本文重点研究了压边力、压料方式、压延筋结构、模具间隙等关键参数对瓜瓣拉深成形的影响，以获取最佳工艺参数。

图1 瓜瓣零件结构示意Fig.1 Schematic diagram of melon petal part stucture

2 瓜瓣拉深成形数值模拟

2.1 瓜瓣材料参数测试

为了解2219铝合金的材料性能，对其力学性能进行分析，从而对数值模拟过程中的材料选择提供支撑。2219铝合金材料的属性参数见表1。

2.2 有限元模型建立

瓜瓣拉深建立有限元模型采用以下方式：

1) 由于凸模、压边圈、凹模在实际成形过程中几乎未变形，因此将其定义为刚体，选择以四边形网格为主的壳单元，网格大小设为20 mm；

表1 2219铝合金材料属性

2) 将凸凹模初始间隙设为6.6 mm；

3) 将压边圈与坯料、凸模与坯料、凹模与坯料的接触方式定义为滑动库伦摩擦。摩擦系数设为0.125，最终得到的瓜瓣拉深有限元模型如图2所示[5]。

图2 瓜瓣拉深有限元模型Fig.2 Finite element model of melon petal deep drawing

2.3 工艺参数对成形过程的影响

2.3.1 压边力对成形的影响

在其他条件不变的情况下，成形工艺中最易调整的是压边力。因此，分析不同压边力对成形性能的影响，对于瓜瓣拉深成形具有重要意义。在其他条件不变的情况下，分析了压边力为2 000，2 500，3 000，3 500 kN时的成形性能，对比结果如图3所示。压边力与壁厚的关系如图4所示。

图3 不同压边力作用下的模拟结果Fig.3 Simulation results of different blank holder force

图4 压边力与壁厚的关系Fig.4 Relationship between blank holderforce and wall thickness

从图3，4中可以看出：当压边力为2 000 kN时，成形瓜瓣法兰区产生起皱缺陷，成形零件的最小壁厚为4.75 mm，减薄率为20.85%；当压边力逐渐增大至2 500 kN时，零件起皱现象减轻，成形零件的最小壁厚增大至5.12 mm；当压边力增大至3 000 kN时，零件起皱进一步减轻，但较大的压边力造成材料流入凹模困难，导致材料减薄严重，最小壁厚为4.2 mm；当压边力为3 500 kN时，过大的压边力会使侧壁区域处产生破裂。总之，压边力过小能有效控制法兰区材料流动，使坯料法兰区受压失稳，引起起皱；压边力过大会过分抑制法兰区材料流动，侧壁区过分减薄，引起拉裂[6]。因此需优化工艺参数，使压边力设置达到最佳拉深状态。

2.3.2 压边面对成形的影响

在对瓜瓣等大型复杂曲面零件拉深过程中需设定合理的压边面形状，使压边面与凸模形状保持一定的几何关系，从而保证毛坯在拉深过程中均匀变形，并能平稳、渐进地紧贴凸模，防止产生皱纹[7]。为了合理设置压边面形状，分别对平压边面、双曲面压边面等进行对比分析。

方案一：平压边面。对平压边面进行仿真，其结构形式如图5所示，该结构形式的优势在于模具结构简单、加工方便，其仿真结果如图6所示。由图可见，零件采用平压边面拉深后，最小壁厚为5.55 mm，由于材料流动不均匀(中间流动较快，前后端流动较慢)，因此瓜瓣零件在4个角处存在明显的起皱缺陷。

图5 平压边面结构形式Fig.5 Plane blank holder surface structure

图6 平压边面数值模拟结果Fig.6 Simulation result of plane blank holder surface

方案二：曲面压边面。该结构形式在模具侧边采用了不同曲率(见图7(a))，其优势在于压料后压边平整，材料流动相对均匀。为了合理设置压边面形状，分别对零件的不同区域进行定义。其中，窄壁部分为A区，小圆角部分为B区，大圆弧部分为C区，大圆角部分为D区，宽壁部分为E区。分别对压边面的尺寸形状进行有限元分析，以达到优化结果[8]。

当C，E区压边面同时存在圆弧且C区下曲量为200 mm时，对拉深过程进行数值模拟，结果如图7(b)所示。由图可见：B，D，E区存在一定程度的起皱，材料最小壁厚为5.34 mm。原因主要是C，E区压边面的下曲量相对B，D区过大，导致材料在B，D区产生堆积。因此，需适当减小C，E区压边面的下曲量，进一步减轻起皱缺陷。

图7 模具初始压边面(下曲量为200 mm)Fig.7 Initial blank holder surface(withreduction of 200 mm)

对C，E区的下曲量进行优化。优化后的C区下曲量减小至175 mm，E区下曲量减小为0，数值模拟后得到壁厚分布，如图8所示。由图可见，材料的起皱和减薄现象有所减轻，最小壁厚为5.68 mm，较前者(下曲量200 mm)减少了0.34 mm，而B，E区仍存在轻微起皱。压边面处的材料由于压边力不足造成起皱，因此需进一步调整压延筋、模具间隙等参数。

图8 压边面B，C，D区下曲量减小至175 mm的结果Fig.8 Blank holder surface of 175 mmreduction in B, C and D areas

2.3.3 压延筋与模具间隙对成形的影响

为解决在拉深成形过程中容易产生失稳起皱等问题，除了考虑压边面对零件成形的影响外，还需考虑压延筋的布置[9]。为减少起皱缺陷产生，对压延筋结构进行设计优化，布置了单排压延筋(见图9)，同时优化了板坯尺寸，以促进成形过程中材料流动，并进行了有限元仿真，结果如图10所示。由图可见，压延筋的增加使产品型面起皱现象得到了明显消除，但在零件直壁处产生了开裂缺陷，因此需进一步调整凸凹模间隙大小及压延筋高度参数。

图9 压延筋结构形式Fig.9 Draw-bead structure

图10 增压压延筋后数值模拟结果Fig.10 Simulation result of draw-bead structure

由于侧壁与凸缘区域为工艺余量区，该处间隙的调整不影响产品尺寸，因此应适当增加成形间隙大小，将原来的6.6 mm调整为18 mm，同时设计了工艺补充面，这样不仅减缓了材料在侧壁处减薄的趋势，而且使模具对瓜瓣壁厚的适用范围扩大至8 mm以上，便于后续产品的厚度调整。

为保证材料充分流动，将压延筋高度从25 mm减小至20 mm，结果如图11(a)所示。对重新优化后的数字模型再次仿真，结果如图11(b)所示。由图可见，前期出现的开裂和起皱现象得到了消除，在对瓜瓣四周余量切割后，最终零件的壁厚为5.78 mm，如图12所示。

图11 优化压延筋对零件成形的影响Fig.11 Influence of draw-bead optimization on part forming

图12 瓜瓣数值模拟优化结果Fig.12 Simulation result of melon petal part

3 瓜瓣拉深成形试验

3.1 模具结构设计

在理论分析基础上，设计了瓜瓣拉深成形模具，其包括凹模、压边圈、顶杆、凸模等结构，针对瓜瓣成形特点对模具结构进行了优化：

图13 优化后单压延筋模具结构Fig.13 Optimized die structure with single draw-bead

1) 凹模采用“双曲面+单拉延筋”设计，不仅能实现拉深过程均匀变形，而且缩短了模具加工周期。优化后的凹模结构如图13(a)所示。

2) 压边圈采用锥形结构设计，不仅能有效降低拉深成形减薄率，而且在成形过程中受力集中均匀，扩大了拉深成形对设备的适用范围。优化后的压边圈如图13(b)所示。

3) 凸模采用蜂窝网格结构，并通过凸台与压边圈导向，提高了零件的成形精度，有效减轻模具50%以上的重量。优化后的凸模结构如图13(c)所示。

3.2 拉深工艺试验

在3 000 t液压机上开展瓜瓣拉深试验。将凹模的对中线(见图13(a))与液压机的台面对齐，并将模具固定在液压机下台面上，同时将凸模与液压机上台面固定；用顶杆对压边圈加压，通过压边圈对坯料施加压边力；液压机上台面下行带动凸模，使坯料产生拉深变形，结果如图14(a)所示。

对首次拉深试验后的压延筋局部进行了修磨，提高材料流动性。在压边力为210 t，拉深速度为7 mm/s、拉深限位高度为1 320 mm的条件下，使用32#润滑油进行润滑，成形瓜瓣拉深成形后未出现起皱和破裂，瓜瓣实物如图14(b)所示。经测量，瓜瓣零件的最小壁厚为5.6 m，满足减薄率不大于10%的设计指标要求，且与数值模拟结果接近。

图14 瓜瓣拉深成形过程及实物Fig.14 Deep drawing process and product

4 结束语

本文对瓜瓣拉深成形过程进行数值模拟和试验研究，设计了瓜瓣拉深成形模具，通过工艺试验一次成形出表面光滑、无褶皱的瓜瓣零件，得出以下结论：

1) 建立了瓜瓣拉深成形有限元模型，对拉深过程中的压边力、压边面、压延筋、模具间隙等参数进行优化。当模具压边面下曲量为175 mm、压延筋为单筋结构、凸凹模间隙为18 mm时，成形效果较理想。

2) 对模具结构进行优化，压边圈采用锥形结构，凸模采用蜂窝网状结构，有效减缓材料在侧壁处变薄的趋势，同时减轻模具50%以上的质量，达到了轻量化效果。

3) 当压边力为210 t、拉深速度为7 mm/s时，完成了瓜瓣零件的拉深成形，产品壁厚为5.6 m，满足减薄率不大于10%的设计指标要求。

通过该研究，减少了模具试模道次，提高了贮箱瓜瓣零件成形效率。后续将开展大型贮箱加工制造的研究，进一步支撑大直径重型运载火箭研制生产，为实现新一代载人运载火箭的成功研制提供技术支持。