飛機小型薄板零件的沖壓成形模擬

蘇昱江

摘要：目前已廣泛應用于汽車、航空、家電、包裝等領域的2524-T3鋁合金是未來交通工具蒙皮及內部加強筋板的輕量化、大批量生產制造的首選金屬板材材料，將該材料用于成形一種新型小型飛機的門板薄板件時，由于鋁合金本身相比鋼鐵加工時的回彈量要高，因而鋁合金板件沖壓加工的工藝參數優化成為了該加工方式的難點。為解決該問題，采用模擬仿真中的動態顯式算法進行了該沖壓過程的工藝參數優化;其中涉及的優化參數包含板料和模具間的摩擦系數，熱沖壓方式（即改變沖壓時的材料彈性模量），沖壓速度，即沖壓時間-速度曲線，以及適應相應回彈量的模具的修形。使用Hypermesh完成網格劃分，并使用ABAQUS有限元分析軟件建立沖壓成形的有限元計算模型，通過修改計算參數、重計算的方式，尋找減少沖壓回彈的適合工藝參數。

關鍵詞：沖壓成形;回彈;ABAQUS;有限元模擬

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.097

0引言

沖壓成形是指靠壓力機和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的加工成型方法。與傳統的加工工藝相比，沖壓成形具有生產效率高、易于機械化與自動化、質量穩定、可以加工較復雜的零件等優點，但成形精度是沖壓成形面臨的一個重要問題，由于工藝參數、模具參數和材料參數等影響，沖壓過程中經常會出現回彈、破裂等現象，產生不符合要求的產品。

隨著全球便利交通發展的趨勢逐步增強，飛機，特別是小型飛機這一方便快捷的未來交通工具會得到越來越多的重視。而在飛機薄壁板件的制造過程中，小型薄板零件的沖壓制造過程受到工藝參數、模具參數、制造環境條件和材料參數的影響，因而容易產生零件沖壓后的回彈，零件的破裂失效等因素。雖然金屬板料沖壓成形能夠成形形狀復雜的零件，但復雜零件的形狀很可能影響到成形件的成形精度和強度（可能產生裂紋或在沖壓過程中失效破裂）。此外，影響沖壓成形精度的因素有很多，如成形過程中的沖壓速度，板料潤滑條件，材料自身屬性和沖壓過程的工藝參數等。這些因素中的一種或者幾種都將對沖壓成形精度造成影響，這使得成形件精度，成形工藝參數控制的回彈補償方面的研究變得較為復雜。因此，只有分別針對其中的某一方面進行系統的研究，才能得出影響因素最大和次要的條件，從而調整這些因素以得到可能的最優結果。

然而傳統工藝采用試錯法，對沖壓模具進行修模，耗費了大量的人力、物力、財力。隨著計算機技術與計算理論的發展，計算機輔助模具設計得到了越來越廣泛的應用。所以，在實驗前使用有限元方法對板材的沖壓實驗進行數值模擬，利用所得分析結果來指導板材的沖壓實驗就顯得尤為重要，這樣可大大地減少實驗方案數，以較少的成本完成沖壓實驗。

目前，有 限 元 分 析 軟 件 有Ansys、Deform、Dynaform、ABAQUS等軟件。其中ABAQUS作為一套功能強大的模擬工程軟件，其解決的問題從簡單的線性問題到許多復雜的非線性問題，對飛機小型薄板零件沖壓成形的有限元模擬非常方便。

1薄板零件特征

本文目標零件是成形小型飛機的門板部分設計零部件的關鍵部位（在沖壓后需進行裁邊處理得到最終零部件），如圖1所示，該零件所具有的特征如下：

（1）零件厚度為2mm，使用材料為鋁合金2524-T3。

（2）零部件的折彎位置（下部位置彎曲半徑約為20mm，上部位置彎曲半徑約為13.5mm，上部左側端部彎曲半徑約為10mm），以及中心位置的圓形凸臺;零件左上方的孔洞需在沖壓前進行切割（沖壓后零件難以準確定位板料和沖裁方向），而在分析過程中忽略該孔洞對沖壓過程的影響。目標零件（在沖壓步驟中左上角的沖孔是由下一步沖孔工藝完成的，而非在本工藝步中完成）的特征如圖1所示。

在完成零部件的模型建立后，便可通過專業的有限元網格劃分軟件Hypermesh，使用四邊形殼單元完成了目標對象的有限元網格劃分（不使用三角形單元以避免網格沙漏及應力集中情況的產生），結果如上圖2所示，包含了凸模、凹模和板料的有限元網格。

2板料沖壓回彈的模擬

本文使用專業的非線性有限元計算軟件ABAQUS完成沖壓回彈的模擬過程，使用其中的動態顯式分析步，針對沖壓過程進行模擬，而使用靜態分析步作為回彈部分的模擬。板料的沖壓回彈模擬過程如表1中所示。

此外，針對參數的調整，本文使用其內部自帶宏語言keywords完成，可更改如零部件名稱，材料屬性，制定面、單元及節點集，以及分析步中的載荷加載參數和輸出變量。由于該程序可自動被軟件識別和讀取計算，因而可直接編程求解，是一種高效、便捷的優化求解參數方法。

3工藝參數的優化

針對上述沖壓回彈模擬過程，可知可優化的參數如下：

（1）通過在板料和凸模之間均勻涂抹潤滑油或潤滑脂的方式減小凸模和板料之間的摩擦系數（凹模和板料間需具有一定的摩擦系數，這里使用0.2，以確保板料在沖壓過程中的準確定位，而不會產生相對滑移）。

（2）改變材料在沖壓前的彈性模量（熱沖壓過程），以一定程度上減小板料的回彈量。

（3）改變沖壓過程的工藝參數，如在整個沖壓過程中，沖壓速度（改變定值，或從某一時刻沖壓速度呈現出某一方式進行變化）。

（4）模具的修改以適應回彈量，即根據回彈的預判重新設計模具（本文由于篇幅限制而不討論該優化方法的使用）。

因而本文首先針對上述的第一和第三，這2個因素首先進行正交模擬沖壓實驗，以觀察通過該調整工藝參數是否可能得出較好的沖壓結果。通過摩擦系數設置為0.15、0.2、0.25和0.3的情況以及沖壓時間為0.1、0.5、1的情況（沖壓距離是恒定的19.5mm），最終通過調整摩擦系數為0.2，沖壓時間為0.1s情況（沖壓速度為0.39m/s）時，得到了較為良好的結果，如圖3所示，結果中淺灰色部分為目標成形件形狀，而深灰色為結果文件輸出的結果模型，二者對比可發現除左上角位置與目標成形件最大差異為0.25mm外，其余部分差異均較小，基本滿足沖壓件要求。