L162輕型飛機(jī)門(mén)框件拉深成形過(guò)程模擬分析

孫艷茹

（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

拉深成形工藝廣泛用于電器電子、汽車、航天航空等行業(yè)。拉深成形過(guò)程主要產(chǎn)生的缺陷是起皺和破裂。起皺仍然可通過(guò)零件修整等方式得到合格零件，但破裂則會(huì)報(bào)廢。目前，沈飛主要依靠大量的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整工裝和坯料，從而延長(zhǎng)了加工周期，提高了制造成本。

1 零件概述

該零件材料為AL 2024，料厚為0.8 mm，零件裝配于機(jī)身門(mén)框處，幾何模型如圖1所示，成形后零件高度為39 mm。實(shí)際生產(chǎn)中將兩個(gè)零件對(duì)稱放置，添加工藝補(bǔ)充面后形成盒形件，進(jìn)行拉深成形。生產(chǎn)過(guò)程中零件的凸模頂部圓角處常常開(kāi)裂，而在側(cè)壁處常常出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。

圖1 零件模型

圖2 有限元網(wǎng)格模型

2 有限元模擬

本文采用abaqus軟件進(jìn)行有限元分析。將凹模、凸模以及壓邊圈視為離散剛體，采用殼單元并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過(guò)模擬調(diào)試進(jìn)行反復(fù)修改模擬參數(shù)，從而完成有限元模擬過(guò)程。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，添加工藝補(bǔ)充面后的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。本文模擬采用2種方案：①采用一次拉深直接成形出零件。②采用兩次拉深，第一次對(duì)坯料進(jìn)行預(yù)拉深20 mm，隨后下模退出；第二次拉深成形出零件。此方案設(shè)置了8個(gè)步驟，即壓邊圈和坯料向上，實(shí)現(xiàn)第一次合模；下模向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第一次拉深；下模退出；壓邊圈和坯料退出；壓邊圈和坯料向上，實(shí)現(xiàn)第二次合模；下模向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第二次拉深；下模退出；壓邊圈和坯料退出。

2.1 應(yīng)力分布及變形分析

本次有限元分析摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.1、0.125和0.5三個(gè)參數(shù)，模擬可知隨著摩擦系數(shù)的增大，零件圓角處的應(yīng)力集中增加，更容易出現(xiàn)裂紋。因此，采用潤(rùn)滑可減小零件的起皺和開(kāi)裂。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，采用摩擦系數(shù)為0.125進(jìn)行有限元分析。

圖3 方案一等效應(yīng)力分布

圖4 方案二等效應(yīng)力分布

坯料拉深時(shí)受到應(yīng)力作用，厚度方向的應(yīng)力比另外兩個(gè)方向的應(yīng)力小，因此，厚度方向應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，坯料不能保持穩(wěn)定的塑性變形從而發(fā)生起皺，如果起皺較嚴(yán)重就會(huì)發(fā)生破裂。坯料拉深成形過(guò)程中應(yīng)力分布及最終變形情況如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，采用方案一成形后，零件圓角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，超出材料的屈服極限，將出現(xiàn)裂紋。采用方案二成形后，零件圓角周圍應(yīng)力集中減小，而且在材料的屈服極限以內(nèi)，從而減小零件的開(kāi)裂。

2.2 厚度分析

在拉深變形區(qū)，由于拉應(yīng)力過(guò)大材料過(guò)度變薄，則局部失穩(wěn)而產(chǎn)生縮頸斷裂；在非變形區(qū)內(nèi)，如果傳力區(qū)的承載能力不夠，往往變形力超過(guò)了已變形區(qū)的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在該區(qū)內(nèi)發(fā)生拉裂或嚴(yán)重變薄而使零件報(bào)廢。即使非變形區(qū)不是傳力區(qū)，但因變形過(guò)程中金屬的流動(dòng)具有不均勻性，在非變形區(qū)也可能產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力而使材料發(fā)生破壞。在盒形件的后續(xù)拉深過(guò)程中，待變形區(qū)金屬流入變形區(qū)的速度并不一致，靠直邊部分容易拉裂，角部則容易沿高度方向壓屈起皺。

圖5 最終坯料厚度分布

圖6 厚度變化曲線

坯料拉深成形過(guò)程中厚度變化如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，由于C處拉深過(guò)程中厚度變化很小，B處板料拉深過(guò)程中，在模具的影響下塑性變形很大，厚度出現(xiàn)最低值。在拉深過(guò)程中，C處受壓邊力的作用，A處與凸模直接接觸，在拉深力的作用下形成盒形件，B處受拉伸和彎曲的雙重作用，因此，B處材料的變形量最大，即拉深的危險(xiǎn)斷面。在拉深過(guò)程中主要控制B處的板料厚度，防止拉應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，使得板料變薄過(guò)多從而出現(xiàn)拉裂。如果拉深過(guò)程中，部分板料不貼模，則板料在單向拉伸力的作用下會(huì)出現(xiàn)起皺。

3 結(jié)論

隨著工業(yè)化的發(fā)展，人們對(duì)拉深零件的精度要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)生產(chǎn)中采用不斷調(diào)試工藝參數(shù)以及修整模具等方法來(lái)控制零件的質(zhì)量，不僅提升了報(bào)廢率，且使得產(chǎn)品研制周期增長(zhǎng)。借鑒國(guó)內(nèi)外薄板零件的工藝設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件的模擬結(jié)果，則會(huì)提高零件的質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的研制周期和研制成本。采用abaqus模擬拉深件的成型過(guò)程，能夠預(yù)測(cè)缺陷的位置并可以調(diào)整參數(shù)到最優(yōu)范圍。但模擬過(guò)程中網(wǎng)格劃分出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)，對(duì)于個(gè)別位置處的模擬云圖缺少準(zhǔn)確性。要進(jìn)一步提高abaqus軟件數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度，應(yīng)進(jìn)一步提高材料模型從而模擬成形曲線以及起皺極限模擬，從而更精確地預(yù)知零件的成形精確度。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉雙，朱如鵬.基于ABAQUS的漸開(kāi)線齒輪齒根裂紋擴(kuò)展仿真［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43（01）：86-90.