DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.02.004

纤维增强金属层板零件充液成形过程及工艺分析

刘世琛¹，郎利辉¹，关世伟¹，绳斯佳¹，曾一畔²

(1. 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京，100191；

2. 成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都，610092)

摘要：对某型号飞机外表面盒形件进行研究，应用有限元软件Abaqus/Explicit建立玻璃纤维增强铝合金层板充液成形的有限元模型，研究充液成形过程中液室压力以及压边力对成形结果的影响，并通过实验验证仿真结果的准确性；通过对成形后的零件进行真空固化处理，最终得到合格零件。研究结果表明：在该方盒形零件的充液成形过程中，当成形加载压边力为2.0 MN，液室压力为30 MPa时，可以成形出质量良好的零件；成形后真空固化处理工艺能有效校正零件翘曲等现象，提高零件强度和刚度。

关键词：纤维增强金属层板；充液成形；液室压力；压边力；真空固化；有限元模拟

中图分类号：TG394             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)02-0272-07

Investigation on hydroforming technology and process of fiber reinforced metal laminate parts

LIU Shichen¹, LANG Lihui¹, GUAN Shiwei¹, SHENG Sijia¹, ZENG Yipan²

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China;

2. Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co. Ltd., Chengdu 610092, China)

Abstract: The outer surface of a box-shaped part in a certain type of aircraft was studied, and the finite element model of glass fiber reinforced aluminum laminate hydroforming process was established by using Abaqus/Explicit software. The effect of blank holder force coupled with cavity pressure on the forming results was investigated during the hydroforming procedure, and its accuracy was verified by experiments. Then, the qualified part was finally obtained by vacuum solidification of the formed part. The results show that a qualified box-shaped part can be obtained when the blank holder force is 2.0 MN and the cavity pressure is 30 MPa. Also, the vacuum solidification process of the formed part can rectify the warping phenomenon and improve the strength and stiffness of the part.

Key words: fiber reinforced metal laminates; hydroforming; cavity pressure; blank holder force; vacuum curing; finite element simulation

长期以来，飞机、汽车制造企业都在寻求一种具有高比强度、优异的疲劳性能和耐腐蚀能力的新型材料。一方面，飞机及汽车结构的轻量化生产能大大减少燃油消耗；另一方面，这样轻质化的结构有益于交通工具的长途运输，并且能显著提高产品的寿命。为了实现这些目标，荷兰科学家研制出一种新型复合材料即纤维增强金属层板，这种材料是利用树脂将金属和纤维用层合板工艺复合起来，具有优越的加工性能、良好的抗冲击性以及高强度和耐疲劳特性^[1-2]。如今的纤维增强金属层板广泛应用于航空航天领域大型结构的简单零部件成形，而对于小型复杂结构件的成形应用较少，因此，采用充液成形技术成形这类纤维增强金属层板零件，实现了传统真空热压罐成形、纤维树脂充模成形(resin transfer molding)等技术无法完成的小零件小特征的成形，解决了由于纤维材料伪塑性、小延伸率和冲压成形技术的局限性而导致难以采用拉深方式成形的难题，扩大了纤维增强金属层板的应用范围^[3-4]。目前，国外研究者多采用传统拉深成形对纤维增强金属层板进行研究。HOU^[5]研究了含有聚丙烯增强树脂的单向玻璃纤维材料的拉深性能；LUKE等^[6]研究了成形温度和成形速度对于热塑性纤维材料成形的影响；KALYANASUNDARAM等^[7]研究了含有热塑性树脂的纤维增强材料的压边力和温度对于成形的影响，同时研究了应力应变的分布。而国内的研究主要集中于这种新型材料的制备及性能检测；梁中全等^[8]研究了玻璃纤维金属层板的力学性能及其在大型空客A380中的应用；黄世民^[9]系统地介绍了纤维增强铝合金胶接层板的发展情况，研究了其性能特点和应用现状；马毅宏^[10]对玻璃纤维增强铝合金层板的制备过程进行了优化，对玻璃纤维金属层板的力学行为、环境容耐性、疲劳裂纹进行了研究；ZAFAR等^[11]提出了利用多层金属层板加橡胶板成形的方法，通过留出填充纤维的间隙，应用真空袋-热压罐技术来成形小型且形状相对复杂的层板零件。本文选用某型号飞机外表面小型盒形零件作为研究对象，以半固化热固型树脂玻璃纤维增强铝合金层板为材料，研究其充液成形过程中液室压力和压边力对零件成形的影响，并在此基础上对成形质量良好的零件进行真空固化处理，最终得到合格的零件。

1  零件概述与材料性能

该零件为轴对称方盒形零件，零件长为350 mm，宽为170 mm，最小成形圆角半径为5 mm，成形区半径为70 mm，法兰边长为15 mm，成形深度为13 mm，零件厚度为0.8 mm，如图1所示。成形零件选用“2+1”形式的玻璃纤维增强铝合金层板材料，即2层铝合金材料中间夹着1层玻璃纤维材料，铝合金层采用厚度为0.3 mm的2024-T3材料，纤维层采用厚度为0.2 mm的EWR200-100玻璃纤维预浸料，2种材料的力学性能参数分别如表1和表2所示。层合板材料制备过程如下：首先，对铝合金表面进行阳极氧化处理；然后，通过手工铺贴的方式得到半固化板料；成形之后，对质量良好的零件进行真空固化处理最终得到满足要求的方盒形零件。

图1  零件示意图

Fig. 1  Diagram of the part

表1  2024-T3材料力学性能

Table 1  Mechanical properties of 2024-T3

表2  EWR200-100材料力学性能

Table 2  Mechanical properties of EWR200-100

2  制造工艺分析与有限元建模

此前一般采用传统铝合金材料先拉深成形再机加工或采用充液成形再机加工的方法进行该零件的成形。但拉深成形后零件表面容易产生压痕，难以消除，表面质量较差。而利用充液成形工艺制造的零件质量虽然得到了很大改善，但零件机械性能有所欠缺，质量减小效果不显著。因此，采用半固化纤维增强金属层板充液成形工艺和真空固化工艺，再运用机械加工的方式成形该零件，不仅能有效提高零件的强度刚度，而且能更好地满足轻量化的要求。

玻璃纤维增强金属层板方盒形件充液成形是一个较复杂的动态接触过程。在该方盒形件液压成形有限元模拟中，为了便于层合板成形的分析，将板料作为变形体分层解析，而将压边圈和液室凹模作为解析刚体处理。铝合金层和玻璃纤维层以及板料与压边圈和液室凹模间的接触均采用罚函数算法，考虑到层板间呈现半固化状态并参考文献[12-16]，将摩擦因数分别设置为0.50，0.10和0.05。

在Abaqus/Explicit数值模拟软件中建立有限元分析模型，如图2所示。分别将铝合金和玻璃纤维材料参数导入Abaqus材料属性模块，板料与压边圈以及液室凹模都采用4节点壳单元结构，并对其进行网格划分，网格边长为4 mm^[17-20]。由于实验成形过程中压边力与液室压力对于零件的成形质量的影响较为明显，因此，本文重点分析不同压边力F_c(分别为1.5，2.0，2.5 MN)和不同液室压力p_b(分别为20，30，40 MPa)对于充液成形性能的影响。

图2  有限元分析模型

Fig. 2  Finite element model

3  模拟结果分析

3.1  应力应变分布

通过数值模拟和实验可知当成形压边力为2.0 MN、液室压力为30 MPa时，能够得到成形质量良好的零件，此时各层板的等效应力分布及模拟成形效果如图3所示。从图3可以看出：2种不同材料在成形后的最大等效应力出现在同一位置即方盒形件4个底部圆角区域，但其最大应力却有所差异：上层铝合金材料成形中整体应力略大于下层铝合金板料应力，而中间纤维层在成形后所产生的应力比金属材料层的应力大。图4所示为玻璃纤维铝合金层板零件成形后各层板材料应变沿零件长度方向的分布。由图4可以看出：在零件法兰和中间腔体区域，3层板材料的应变变化趋势基本一致且其值较小，而各层板的最大应变位置基本相同(即底部圆角区域)，上层铝板的最大应变为9.04%，大于下层铝板的最大应变(为8.22%)，而玻璃纤维层材料的最大应变只有4.86%。

从图3和图4所示的各层板应力及应变分布结果可以看出：材料性能的差异对零件的成形性能有着较大的影响。在有限元模拟过程中铝合金材料被视为弹塑性本构材料，而玻璃纤维材料则看作是正交各向异性材料模型，这就意味着前者在成形过程中经历了弹塑性变形，最大应力很大程度上取决于材料的抗拉强度，而后者由于其本身纤维材料“伪塑性”的特点，其变形基本处于弹性阶段，因此，在三轴应力方向经历了较小的应变，最大应力取决于纤维极限拉伸强度。同时，由于玻璃纤维材料的铺层方式为0°/90°，使得中间层材料在0°和90°方向(分别与零件长度和宽度方向一致)表现出优异的拉伸性能，而在±45°方向强度较弱。从整个零件充液成形工艺角度分析，在成形初始阶段，压边力和液室压力首先作用在上层铝合金板料，随着液室压力不断增大，中下层板料逐渐发生变形并不断贴合凹模，因此，上层铝板在成形过程整体的应力和应变会比下层铝板的大。而从零件特点也可以看出，材料在底部圆角区域产生较大变形，从而导致在该区域产生较大的应力和应变。

图3  各层板等效应力分布及模拟效果

Fig. 3  Distribution of equivalent stress and simulated renderings during hydroforming process of box-shaped part

图4  纤维增强金属层板成形后各层材料应变沿零件长度方向的分布

Fig. 4  Strain distribution of three-layer sheet after hydroforming process along direction of length of part

3.2  壁厚分布

通过数值模拟结果能够得到成形后纤维金属层板零件各层板料壁厚沿零件长度方向的分布，如图5所示。从图5可以看出：质量良好的零件成形后上、下层铝板的壁厚分布趋势是一致的，最小壁厚位置同样是盒形件底部圆角区域，法兰区域和中间腔体位置壁厚有所增大。由减薄率计算公式 (其中，d_f为成形厚度，d_i为初始厚度)，通过计算可以得到上层铝板成形后的最大减薄率为3.3%，略大于下层铝板的最大减薄率2.9%。在模拟过程中，调整成形压边力和液室压力等工艺参数对铝合金材料壁厚的影响不大。图6和图7所示为在不同压边力和液室压力的作用下，中间玻璃纤维层在成形后的薄厚分布。从图6和图7可以看出：随着液室压力和压边力不断增大，中间层材料的减薄率也会逐渐增大；液室压力对成形后材料壁厚的影响要大于压边力对成形后材料壁厚的作用，压边力为2.5 MN时的最大减薄率能达3.5%，而液室压力为40 MPa时的最大减薄率为4.0%。但模拟结果同时表明当达到设置的最大压边力和液室压力时，零件已经产生破裂现象，这说明层合板在成形过程中，中间纤维层材料性能起到了决定性作用。上、下铝合金层的壁厚及减薄率还远远未达到2024铝合金的成形极限，而过大的压边力和液室压力会导致中间纤维层材料发生脆性断裂，从而使整个层板零件产生破裂失效。相反，过小的压边力会导致铝合金层和玻璃纤维层在零件法兰区域不能充分贴合，而过小的液室压力增会造成2种材料变形不充分，这都会影响层合板材料在成形过程的变形协调性，从而使零件产生分层失效。

图5  零件成形后上下层铝合金板料壁厚沿零件长度方向的分布

Fig. 5  Wall thickness distributions of upper and lower aluminum sheet after hydroforming process along the direction of length of the part

图6  不同压边力作用下中间层纤维材料壁厚沿零件长度方向的分布(p_b=30 MPa)

Fig. 6  Wall thickness distributions of middle fiber material along direction of length of part under different blank holder forces (p_b=30 MPa)

图7  不同液室压力作用下中间层纤维材料壁厚沿零件长度方向的分布(F_c=2.0 MN)

Fig. 7  Wall thickness distributions of middle fiber material along the direction of length of the part under different cavity pressures (F_c=2.0 MN)

4  实验结果分析

玻璃纤维金属层板材料按预定坯料尺寸进行制备，加工相应方盒形零件充液成形模具，调整优化压边压力和液室压力等工艺参数，达到零件成形质量要求。在实验过程中，不同工艺参数对成形零件质量的影响见表3。

从表3可以看出：当成形加载压边力为2.0 MN，液室压力为30 MPa时，可以成形质量良好的零件；过小的压边力加载会使得纤维金属层板零件出现分层现象，而过大的液室压力加载会使得层合板发生破裂，从而导致零件失效。纤维金属层板成形过程中的2种失效形式及成形质量较良好零件如图8所示。从图8可以看出：纤维金属层板方盒形零件的破裂发生在盒形底部圆角区域，与传统单层铝合金板料成形并无明显差异；而层合板特有的分层缺陷则一般产生于零件的法兰边缘位置。尽管在优化成形工艺参数后能得到质量较良好的零件，但从图8还是可以看出零件发生了翘曲等现象，零件形状还远远无法满足最终的产品质量要求。其主要原因在于，层合板中铝合金材料厚度较小(为0.3 mm)，玻璃纤维材料几乎没有刚度，过大的成形压力会造成零件出现集中性失稳，从而导致零件出现翘曲。

为了减少零件的翘曲，增强零件性能，采用真空固化处理对成形后的零件进行二次加工。真空固化工艺实验设备由高温固化炉和真空处理装置组成。实验的真空度为0.1 MPa，固化温度为120 ℃，固化时间一般为3 h。图9所示为层合板材料在真空固化前后得到的实验件。从图9可以看出：固化后得到的零件的翘曲等现象得到了有效消除，零件的强度刚度得到明显提高。最后，利用超声C扫描技术对实验得到的纤维金属层板零件进行无损检测，证实其为能够制造满足生产需求、质量合格的零件。

表3  压边力和液室压力对零件成形质量的影响

Table 3  Effects of bland hold force and cavity pressure on forming quality of parts

图8  纤维金属层板成形过程中的失效形式及质量良好零件

Fig. 8  Failure modes and good shape part of fiber metal laminate during hydroforming process

图9  真空固化前后实验零件

Fig. 9  Experimental products before and after vacuum solidification process

5  结论

1) 应用一种新型的玻璃纤维铝合金层板材料，提出了纤维金属层板层合板充液成形技术，并验证了其可行性；针对某型号飞机上典型的盒形零件进行了理论、模拟和实验研究，并制造出质量合格的零件。

2) 在成形压边力为2.0 MN左右，最大液室压力为30 MPa左右时，可以成形出质量较良好的零件。

3) 中间层玻璃纤维材料在纤维金属层合板成形过程中起到了主导作用；纤维材料“伪塑性”的特点及其特有的正交铺层方式，能够改善和提高纤维材料的性能，提高层合板材料的成形极限，成形能力大大增强。

4) 不同成形工艺参数对成形质量的影响是层合板零件产生失效的重要因素，过大的压边力和液室压力会导致中间纤维层材料发生脆性断裂，使整个层板零件产生破裂失效；而过小的压边力会导致铝合金层和玻璃纤维层在零件法兰区域不能充分贴合，过小的液室压力则会造成2种材料变形不充分，影响材料在成形过程的变形协调性，使零件产生分层失效。

5) 对充液成形得到的纤维金属层合板零件进行真空固化处理，能够有效消除成形后出现的翘曲等现象，提高零件整体的强度的刚度，最终得到满足生产和使用要求的、质量合格的零件。

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(编辑  伍锦花)

收稿日期：2018-04-22；修回日期：2018-06-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51675029)(Project(51675029) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：郎利辉，博士(后)，教授，从事高温高压充液成形研究；E-mail：lang@buaa.edu.cn