鋁合金淺盤件液壓拉深成形的回彈數值模擬研究

林冬燕

摘 要：本文運用Dynaform軟件對鋁合金淺盤形件的液壓拉深成形的過程進行了數值模擬。分析了板材成形過程中應力分布對成形后零件的回彈特征的影響。同時也分析了相關工藝參數對鋁合金件回彈的影響。模擬結果表明：液壓成形的淺盤件回彈特征有別于剛模成形，并且適當提高壓邊力和摩擦系數能降低零件的回彈量。

關鍵詞：鋁合金；液壓成形；數值模擬；回彈

1 引言

鋁合金板材廣泛用于航空、交通、家電等領域，但鋁合金板材室溫下塑性成形時回彈較大，影響所成形零件的形狀與尺寸精度[1]。研究者將一些特殊的成形工藝用于鋁合金板材零件的成形，探索提高鋁合金成形性降低零件回彈的方法，如超塑成形、溫成形、VPF成形等[2-3]。而液壓成形技術常見于管材內高壓成形或者充當背壓用于板材充液拉深。這里將液壓成形工藝用于鋁合金板材的拉深成形，使液壓作為主要成形壓力作用在板材上而使其產生變形。通過數值模擬手段研究鋁合金板材液壓拉深成形的回彈問題，分析工藝參數對回彈的影響。

2 有限元建模

鋁合金零件材料為6016鋁合金，厚度為1mm，為淺盤件，其拉深成形屬于淺盒形拉深。由于零件具有對稱性，因此在進行有限元建模時取四分之一作為對象進行建模，如圖1所示。在有限元模型中，凹模和壓邊設置為剛體，板材采用BT殼單元化分網格，為提高模擬精度，板材厚向取7個積分點。材料力學性能直接調取Dynaform材料庫中的6016鋁合金37號（各向同性）材料模型。為保證板材順利完全貼模，成形過程采用漸進形加載方式進行加載，最大壓強為25MPa。成形后零件的回彈假設為無?；貜棧慵募s束形式如圖2所示。

3 結果與分析

3.1 回彈特征分析

鋁合金盤形件回彈后的截面形狀可以看出零件底部截面向上偏離正常截面。在其它工藝參數相同情況下，剛模成形零件回彈后截面形狀則向下偏離正常截面。兩種工藝產生不同回彈現象的主要原因是板材在液壓成形和剛模成形過程中產生不同的應力狀態。液壓成形時，模腔內的板材在液體壓強的作用下首先彎曲成曲率較大的弧形，而在后期與模腔貼模過程中板材在壓強的作用下逐漸由弧形轉變成平直狀態，因此，在這個過程中板材上表面的徑向應力由初始的拉應力變成貼模時的壓應力，而下表面仍為拉應力。對于剛模成形而言，板材上下表面的徑向應力一直為拉應力，并且在摩擦力的作用下，上表面的徑向應力大于下表面。因此，應力狀態的不同致使板材的回彈特征產生差異。

3.2 工藝參數對回彈的影響

3.2.1 壓邊力的影響

為研究壓邊力對鋁合金零件回彈的影響規律，這里選擇了三種大小的壓邊力（整體壓邊的四分之一）進行了模擬，分別為1200N、2400N和4800N。三種壓邊力下，零件回彈后的截面形狀如圖3所示。從圖中可以看出，隨著壓邊力的增加，零件平底部分相對于中心點的回彈量降低。這可能是由于壓邊力的增加，使材料流動方向的阻力增加，即徑向的阻力增加，致使板材沿厚向的應力梯度降低，從而導致板材的回彈量降低。因此，對于此類淺盤零件采用液壓成形時可以適當的增加壓邊力來降低零件的回彈。

3.2.2 潤滑條件的影響

潤滑條件也是影響板材成形質量的因素，這里為研究潤滑條件的影響，在其它工藝參數不變的條件下，改變板材與模具表面間的摩擦系數，分別為0.08、0.125以及0.2，三種不同摩擦系數條件下所獲得的模擬結果如圖4所示。潤滑條件的差異使板材與模具之間的摩擦系數也有所不同，因此三種摩擦系數代表了三種潤滑條件。增加摩擦系數也會使板材徑向的阻力增加，從而使板材沿厚向的應力梯度降低，導致板材的回彈量降低。因此，對于所研究的淺盤零件，采用合理的潤滑條件也能起到降低回彈的作用。

4 結論

本文采用Dynaform軟件對鋁合金淺盤零件的液壓成形工藝進行了模擬，研究了該類型零件在液壓成形工藝條件下的回彈特征以及成形工藝對其回彈的影響，獲得如下結論：液壓成形工藝成形的淺盤件的平底部分徑向應力狀態與傳統剛模成形零件不同，致使前者的回彈特征有別于傳統剛模成形零件；對于淺盤件來說，適當的增加壓邊力以及摩擦系數提高了材料流動阻力，能降低零件的回彈量。

參考文獻

[1] J. T. Gau， G. L. Kinzel. A New Model for Springback Prediction for Aluminum Sheet Forming[J]. Journal of Engineering Materials and Technology. 2005， 127： 279-288

[2] D. M. Li， A. K. Ghosh. Biaxial Warm Forming Behavior of Aluminum Sheet Alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology. 2004， 145： 281-293

[3] 李毅，王忠金，李延平.基于VPF工藝的鋁合金覆蓋件回彈研究[J].材料科學與工藝，2012 （4）：80-83.