鋁合金型材三維多點(diǎn)柔性拉彎工藝研究

王 梓

（山東諾維科輕量化裝備有限公司，山東 煙臺 265700）

鋁合金型材三維彎曲空間結(jié)構(gòu)目前作為在汽車、高鐵和航天航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的骨架部件，具有輕質(zhì)量、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、優(yōu)化空氣動力學(xué)性能與美觀的集合造型特點(diǎn)，以我國CRH380 高鐵動車為例，在該部動車的車頭骨架結(jié)構(gòu)中，就運(yùn)用了比較典型的鋁合金型材三維彎曲構(gòu)件[1-2]。同時，該種骨架構(gòu)件還存在較大抗變形性、較差塑性、復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及較窄的加工窗口等待解決問題，所以如何實(shí)現(xiàn)鋁合金型材構(gòu)件的精準(zhǔn)化塑性，始終是金屬加工領(lǐng)域的熱門研究話題。目前國際上多數(shù)學(xué)者指出，對該種鋁合金型三維材料構(gòu)件可以運(yùn)用三維彎曲成形加工工藝，譬如鋁合金型材擠出—彎曲—一體化成形、三維空間疊加扭矩成形、多點(diǎn)成形以及連續(xù)墊彎等成形施工工藝[3]。該研究針對其中鋁合金型材的三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝展開探討，選用該工藝能夠?qū)︿X合金型材的傳統(tǒng)拉彎工藝無法實(shí)現(xiàn)的三維彎曲、改良柔性、降低工藝模具成本量等問題進(jìn)行有效解決。接下來將在簡單介紹三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝的基礎(chǔ)上，通過有限元建模運(yùn)用ABAQUS 軟件展開正交試驗數(shù)值模擬研究。

1 三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝

三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝，作為基于傳統(tǒng)二維拉彎成形工藝技術(shù)結(jié)合多點(diǎn)成形工藝的1 種技術(shù)集成式操作工藝，能夠基于多點(diǎn)離散模具形成的包絡(luò)面，經(jīng)過耦合疊加變形后，獲得薄壁復(fù)雜空間構(gòu)件的三維多點(diǎn)拉彎成形成品[4]。圖1 為三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝流程，概括了該制件工藝主要步驟，可以實(shí)現(xiàn)高效拉彎，與此同時充分吸收多點(diǎn)成形技術(shù)的柔性拉彎制件工藝特點(diǎn)，在很大程度上提升了工藝制件的生產(chǎn)效率，可以三維多點(diǎn)彎曲成形，突破傳統(tǒng)拉彎工藝局限。并且拉彎制件工藝修模比較簡單，方便有效控制回彈。經(jīng)過回彈補(bǔ)償，能夠?qū)Χ帱c(diǎn)模具包絡(luò)面進(jìn)行快速修整從而精準(zhǔn)拉彎成形。

2 有限元建模

使用三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝在該研究中建立有限元分析模型，運(yùn)用ABAQUS 軟件中包括的Standard、Explicit 2 個部分來求解器模塊，前者運(yùn)用隱式解法，后者運(yùn)用顯式解法。在模擬建模中，考慮到該研究主要針對如何控制成型階段的截面畸變可能性，以及回彈變形階段的拉彎反復(fù)成形問題。綜合考慮該種工藝在操作中所涉及的線性、非線性相關(guān)問題，鋁合金型材需要反復(fù)2 次貼合模具才可以成形。因為鋁合金型材和模具頭體不斷接觸，所以在這個過程中線性、非線性會隨之改變。在整個工藝彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃芜^程中，鋁合金型材的屈服準(zhǔn)則條件公式如公式（1）所示[5]。

式中：σ為拉彎成形工藝過程中產(chǎn)生的等效應(yīng)力；σF為屈服應(yīng)力；s為應(yīng)力張量。

在鋁合金型材的板材彎曲成形工藝過程中，由原本的彎曲變形逐漸過渡形成中間彈塑性變形，最終獲得塑性變形制作相應(yīng)目標(biāo)構(gòu)件的過程，遵循了塑性法則即塑性狀態(tài)下的構(gòu)件應(yīng)力關(guān)系以及硬化法則，如公式 （2） 所示[6]。

圖1 三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝流程

式中：K為強(qiáng)化系數(shù)；為等效應(yīng)變；n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)；εs為屈服應(yīng)變。

根據(jù)表1 中的鋁合金型材的相關(guān)材料參數(shù)，運(yùn)用ABAQUS 有限元分析軟件，建立如圖2 所示的有限元分析模型構(gòu)件。選擇5 mm×5 mm 的水平、垂直2 個方向模具頭體網(wǎng)格尺寸，能夠節(jié)約該次研究的計算時間。

表1 鋁合金型材參數(shù)

圖2 三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝構(gòu)件圖

3 截面畸變影響因素研究

在鋁合金型材拉彎成形工藝結(jié)束后，外側(cè)承受拉應(yīng)力及內(nèi)側(cè)承受壓應(yīng)力會改變原本截面，集中表現(xiàn)為外腹板塌陷、側(cè)壁凸脹、內(nèi)腹板褶皺等不同情況，也就是改變了鋁合金型材的高度、寬度，一般為對稱型材截面變形表現(xiàn)。圖2 中該鋁合金型材的長用L表示，多點(diǎn)模具頭體共N個，建立有限元截面畸變圖，如圖3 所示。

3.1 多點(diǎn)模具頭體影響畸變

在三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝操作過程中，鋁合金型材極易發(fā)生褶皺缺陷，對制件整體質(zhì)量和精度均產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，因此合理化三維多點(diǎn)模具頭體就至關(guān)重要，有直線、弧線2 種不同的設(shè)計方法[7]。有限元分析2 種不同設(shè)計方法下的鋁合金型材應(yīng)力分布情況，能夠發(fā)現(xiàn)直線設(shè)計中型材的應(yīng)力為4.553 MPa～320.8 MPa，存在316.247 MPa 的應(yīng)力差；在弧線設(shè)計中型材的應(yīng)力為8.99 MPa～319 MPa，存在310.01 MPa 的應(yīng)力差。所以弧線設(shè)計的型材應(yīng)力值幅度明顯小于直線設(shè)計，表示弧線設(shè)計能夠均勻分布應(yīng)力，并且弧線設(shè)計比直線設(shè)計的褶皺缺陷現(xiàn)象少 ，所以可以采用弧線設(shè)計來提高鋁合金型材的制件拉彎成形工藝質(zhì)量。

在三維多點(diǎn)模具頭體設(shè)計中，分別設(shè)計了80 mm、100 mm、120 mm 的不同的單元寬度，水平設(shè)計180°、垂直設(shè)為90°，三維彎曲角度為30°，彎曲水平寬度2 500 mm、彎曲半徑與1.0%L預(yù)拉量、1.0%L補(bǔ)拉量和0.1 摩擦系數(shù)條件下，根據(jù)多點(diǎn)模具頭體數(shù)量的單元寬度分布情況，能夠發(fā)現(xiàn)80 mm 多點(diǎn)模具寬度條件可以達(dá)到較小的鋁合金型材應(yīng)力改變范圍，并且呈現(xiàn)比較均勻的應(yīng)力分布情況。

在其他條件不變的情況下，選擇多點(diǎn)模具頭體數(shù)量條件分別為6、8、10、12，完成三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件，發(fā)現(xiàn)隨著頭體數(shù)量的不斷增加，應(yīng)力值隨之減小，越明顯的應(yīng)力分布值表示制件工藝質(zhì)量越差[8]。

3.2 預(yù)拉量影響畸變

在鋁合金型材三維多點(diǎn)柔性拉彎成形過程中，軸向施加的力為預(yù)拉力，在該次有限元模型分析中，分別設(shè)計其他最優(yōu)條件變量，選取0.8%L、1.0%L、1.2%L、1.4%L以上4 種不同預(yù)拉量展開試驗，通過有限元分析，在這4 種不同的預(yù)拉量型材應(yīng)力分布試驗中，應(yīng)力分 別 為10.30 MPa～317.8 MPa、9.730 MPa～318.4 MPa、11.79 MPa～324.5 MPa、12.08 MPa～326.3 MPa。根據(jù)計算所得的應(yīng)力差值，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)拉量逐漸增加，應(yīng)力值也隨之增加，說明在拉彎成形工藝過程中，增加了型材的局部變形壓力，所以產(chǎn)生了隨之增大的應(yīng)力差值，也就影響了應(yīng)力分布均勻。根據(jù)主應(yīng)力的分布變化情況，能夠發(fā)現(xiàn)在預(yù)拉量不斷由0.8%L增加至1.4%L的過程中，應(yīng)力最大值也由最初的0.2574 增加至最終的0.2732，鋁合金型材的制件拉彎成形質(zhì)量也就不斷變差。

圖3 有限元鋁合金型材截面畸變圖

3.3 補(bǔ)拉量影響畸變

在鋁合金型材三維多點(diǎn)柔性拉彎成形過程中，P-M與P-M-P 作為2 種最常用的型材加載方式，關(guān)鍵差別即是否對鋁合金型材施加補(bǔ)拉力[9]。補(bǔ)拉力的施加主要作用是為了有效減少型材拉彎成形過程中的應(yīng)力差，在卸載抑制制件的補(bǔ)拉力之后，最大化減少鋁合金型材的回彈。在該次有限元模型分析中，分別設(shè)計其他最優(yōu)條件變量，選取0.8%L、1.0%L、1.2%L、1.4%L以上4 種不同的補(bǔ)拉量展開試驗，根據(jù)有限元分析發(fā)現(xiàn)這4 種不同的補(bǔ)拉量型材應(yīng)力分布試驗應(yīng)力分別為9.728 MPa～318.5 MPa、10.10 MPa～320.5 MPa、10.22 MPa～322 MPa、10.15 MPa～322.2 MPa。根據(jù)計算所得的應(yīng)力差值，發(fā)現(xiàn)隨著補(bǔ)拉量逐漸增加，應(yīng)力值也隨之增加。說明在拉彎成形工藝過程中，增加了型材的局部變形壓力，應(yīng)力差值隨之增大，也就影響了應(yīng)力分布均勻的情況。根據(jù)主應(yīng)力的分布變化情況，發(fā)現(xiàn)在補(bǔ)拉量不斷地由0.8%L增至1.4%L過程中，應(yīng)力最大值也由最初的0.2673 增至最終的0.3337，鋁合金型材的制件拉彎成形質(zhì)量也就不斷變差。

3.4 摩擦系數(shù)影響畸變

在鋁合金型材的拉彎成形工藝制作中，不可避免地會產(chǎn)生摩擦力，摩擦力與其接觸表面的濕度、硬度、粗糙度、滑動速度以及應(yīng)力密切相關(guān)。在有限元模擬分析中，一般在夾鉗、模具接觸型材時產(chǎn)生型材截面畸變情況。該次有限元模擬分析在控制其他條件變量下，選取0.05、0.10、0.15、0.20， 4 種不同摩擦系數(shù)條件，試驗型材截面畸變情況。根據(jù)有限元分析發(fā)現(xiàn)，這4 種不同的摩擦系數(shù)型材應(yīng)力分布試驗分別為8.767 MPa～313.5 MPa、9.728 MPa～318.5 MPa、11.13 MPa～322 MPa、8.698 MPa～321.7 MPa。根據(jù)計算所得的應(yīng)力差值，發(fā)現(xiàn)隨著逐漸增加的摩擦系數(shù)，應(yīng)力值也隨之增加，說明在拉彎成形工藝過程中，增加了型材的局部變形壓力，應(yīng)力差值隨之增大，也就影響了型材的拉彎應(yīng)力分布均勻情況。根據(jù)主應(yīng)力的分布變化情況，發(fā)現(xiàn)在摩擦系數(shù)不斷由0.05 增至0.20 的過程中，應(yīng)力最大值也由最初的0.2136 增至最終的0.3179，鋁合金型材的制件拉彎成形質(zhì)量也就不斷變差。

4 結(jié)語

目前，在我國的各應(yīng)用領(lǐng)域中，鋁合金型材具備了低密度、易回收以及高剛性的技術(shù)優(yōu)勢，該研究選用三維多點(diǎn)柔性拉彎成形制件工藝，能夠突破傳統(tǒng)拉彎成形過程中的技術(shù)局限。離散整體模量為多模量頭體，對型材結(jié)構(gòu)空間位置轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)截面調(diào)形。通過該研究運(yùn)用ABAQUS 有限元分析軟件建模，得到最優(yōu)化參數(shù)結(jié)果組合：1.0%L預(yù)拉量、0.8%L補(bǔ)拉量，12 個多點(diǎn)模具頭體數(shù)量和0.15 摩擦系數(shù)，得出了二維、三維彎曲成形適用于漸進(jìn)式加載增量成形的結(jié)論。