T型材拉彎成形工藝優(yōu)化及回彈模擬研究

摘 要：擠壓型材零件的拉彎成形工藝是金屬冷成形彎曲零件的一種重要成形工藝，其廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車設(shè)備等制造行業(yè)。本文研究航空鋁合金型材補(bǔ)償片零件的拉彎成形，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)以及型面來提高零件成形質(zhì)量。本文采用等弧切分法研究補(bǔ)償片腹板面起皺的原因，控制模腔間隙來抑制腹板起皺。結(jié)合有限元模擬和差值迭代補(bǔ)償算法修正模具型面，補(bǔ)償拉彎回彈。利用修模完成補(bǔ)償片零件的大批量精準(zhǔn)拉彎成形，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)制造來說意義重大。

關(guān)鍵詞：擠壓型材；失穩(wěn)起皺；回彈補(bǔ)償；有限元模擬

中圖分類號(hào)：TG 386" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在航空制造業(yè)中，拉彎成形是鋁合金型材彎曲零件的主要成形方法之一。型材拉彎成形是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程，在成形過程中，零件難以精確控制，通常會(huì)出現(xiàn)拉彎回彈、截面畸變、失穩(wěn)起皺和材料破裂等成形缺陷，影響拉彎零件的成形精度和質(zhì)量。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)型材拉彎進(jìn)行研究。經(jīng)過數(shù)值模擬分析，王賀等[1]得到補(bǔ)拉量、預(yù)拉量、摩擦條件和型材長度對(duì)拉彎零件曲率半徑的影響依次降低的結(jié)論。谷諍巍等[2]將數(shù)值模擬與攝動(dòng)法結(jié)合，消除了雙凸型材的成形缺陷，獲得高成形精度構(gòu)件。付秀娟等[3]建立校正彎曲的回彈預(yù)測模型，總結(jié)了校正力與回彈之間的定量關(guān)系。張學(xué)廣等[4]將夾鉗載量等效為拉伸缸沿轉(zhuǎn)臂的拉伸量與轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)角，提出了一種基于增量控制的型材拉彎軌跡設(shè)計(jì)方法。

在飛機(jī)機(jī)身框緣組件中的T型材補(bǔ)償片拉彎成形后，腹板面材料失穩(wěn)起皺，緣條面回彈變形，零件一次成形精度低。本文以補(bǔ)償片零件為研究對(duì)象，采用等弧切分法和差值迭代補(bǔ)償法研究成形模具的結(jié)構(gòu)以及型面設(shè)計(jì)，對(duì)零件拉彎產(chǎn)生的起皺和回彈進(jìn)行優(yōu)化。

1 零件特征

該補(bǔ)償片零件的外形特征為單向曲度，等曲率，兩端頭帶下陷，零件三維模型如圖1（a）所示，其主要成形工藝包括拉彎成形以及液壓成型。零件總長約470 mm，所用材料為O態(tài)7075鋁合金，型材截面尺寸如圖1（b）所示。材料室溫屈服強(qiáng)度為373 MPa，抗拉強(qiáng)度為569 MPa。

2 零件成形工藝

成組拉彎是型材零件一種較為常見的拉彎工藝改進(jìn)方法，2件型材組合彎曲能夠減少畸變，該工藝普遍適用于外形規(guī)則或截面、結(jié)構(gòu)對(duì)稱的型材零件。本文補(bǔ)償片零件單曲度、等曲率且中心對(duì)稱，將其橫向排列于同一曲率弧線上，合二為一，成組拉彎，能夠使生產(chǎn)效率加倍。

3 腹板起皺分析以及優(yōu)化

3.1 腹板起皺分析

模腔間隙高度為H，對(duì)拉彎模三維數(shù)模型面進(jìn)行等弧切分，如圖2所示。總弧長1 081.61 mm，記錄每隔108.14 mm弧長對(duì)應(yīng)的H，將型面共分為9點(diǎn)。

根據(jù)等弧切分得到拉彎模H的平均值為2.0 mm，平均超過T型材腹板厚度0.4 mm，模胎H制造公差為-0.2 mm～0 mm，因此拉彎模模腔間隙H整體超過正差。

該模具左右對(duì)稱，應(yīng)用Abaqus軟件模擬毛料右半部分成形過程。將毛料設(shè)為殼體，提取拉彎模型面并將其設(shè)為離散剛體，單元類型為四邊形單元（S4R），對(duì)毛料施加位移邊界條件，使毛料沿著拉彎模型面軌跡彎曲，模擬預(yù)拉、彎曲、補(bǔ)拉和卸載4個(gè)分析步，分別得到腹板面的厚度云圖（如圖3所示）。從左端頭彎曲部位起，T型材腹板開始受壓，毛料在左端頭彎曲處擠壓最嚴(yán)重，厚度變化最明顯，其腹板面厚度由原材料的1.600 mm增至1.657 mm。

T型材腹板受擠壓后厚度增至1.657 mm，拉彎模模腔間隙H平均值為2.0 mm，模腔間隙大于腹板厚度。根據(jù)測量以及模擬結(jié)果分析，當(dāng)拉彎時(shí)T 型材腹板面收邊，厚度增加，模腔間隙較大，無法有效約束當(dāng)收邊時(shí)腹板面材料在豎直方向上的流動(dòng)，難以抵抗腹板材料形變產(chǎn)生的變形抗力，導(dǎo)致腹板極易出現(xiàn)起皺的情況。

3.2 腹板起皺抑制

消除T 型材腹板起皺的常用方法包括調(diào)整拉伸力、模具輪廓曲率和型材截面積等。本文制作拉彎模，在模具設(shè)計(jì)制造過程中將H嚴(yán)格控制在-0.2 mm～0 mm，模腔間隙對(duì)垂直于腹板厚度方向的起皺進(jìn)行抑制，使腹板穩(wěn)定收邊。

4 拉彎回彈分析以及優(yōu)化

4.1 拉彎回彈模擬分析

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，補(bǔ)償片拉彎成形后彎曲回彈，零件與反切外樣板之間產(chǎn)生回彈間隙，腹板面型材極高導(dǎo)致手工修正回彈量十分困難，因此記錄同一批次零件（共42件）拉彎成形、壓制下陷后與切面樣板之間的平均間隙值。測量部位為等曲率圓弧頂點(diǎn)處，測量得到同一個(gè)批次零件一次拉彎成形后的回彈間隙為1.2 mm～1.5 mm。為了進(jìn)一步優(yōu)化拉彎模具型面，提高一次拉彎成形的產(chǎn)品合格率，本文進(jìn)行回彈模擬研究。

選取模型右半部分進(jìn)行研究，拉彎成形以及回彈階段的應(yīng)力云圖如圖4所示。在拉彎機(jī)夾鉗的拉力作用下，毛料先沿X方向被拉直，如圖4（a）所示（X方向垂直于腹板，不發(fā)生位移或旋轉(zhuǎn)）。然后毛料沿Y方向、Z方向進(jìn)行靠模彎曲，如圖4（b）所示。為保證毛料與模具型面完全貼合，對(duì)毛料進(jìn)行補(bǔ)拉伸，如圖4（c）所示，毛料沿X方向的拉伸量為3%。另外，由應(yīng)力云圖可知，緣條外表面的應(yīng)力最大。從預(yù)拉伸階段到彎曲階段，再到補(bǔ)拉階段，毛料的受力逐漸增大，直至回彈卸載后毛料不再受力。

4.2 拉彎回彈補(bǔ)償擬合

對(duì)拉彎成形以及回彈過程模擬結(jié)果進(jìn)行分析。不計(jì)毛料余量，將除去多余毛料的補(bǔ)償片零件部分視為有效區(qū)域，在模擬后處理結(jié)果云圖中，提取零件緣條外表面中部有效成形區(qū)域中的結(jié)點(diǎn)陣列，有效結(jié)點(diǎn)路徑如圖5所示，順序連接各處結(jié)點(diǎn)，形成路徑，該路徑在垂直于腹板面的X方向不發(fā)生位移或旋轉(zhuǎn)，因此僅提取路徑中全部結(jié)點(diǎn)在卸載階段（即回彈階段）的Y、Z點(diǎn)位坐標(biāo)值。將提取的卸載階段結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行擬合后得到回彈曲線，將提取的理論彎曲路徑結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行擬合后得到拉彎曲線。

分別得到回彈路徑以及拉彎路徑結(jié)點(diǎn)后，為了得到補(bǔ)償路徑的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，采用差值迭代補(bǔ)償法推導(dǎo)其補(bǔ)償路徑。差值迭代補(bǔ)償法是用有限次迭代補(bǔ)償將回彈量疊加補(bǔ)償至前一次模具型面，回彈路徑的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與拉彎路徑的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)相減[5]，將其差值反向附加于對(duì)應(yīng)的拉彎結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，得到的一系列數(shù)值即補(bǔ)償路徑的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值。點(diǎn)位計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：ΔX為補(bǔ)償路徑結(jié)點(diǎn)X方向坐標(biāo)差值，X方向不發(fā)生位移，因此差值為0；Y補(bǔ)償為補(bǔ)償路徑結(jié)點(diǎn)Y方向坐標(biāo)；Z補(bǔ)償為補(bǔ)償路徑結(jié)點(diǎn)Z方向坐標(biāo)；Y1為拉彎路徑結(jié)點(diǎn)Y方向初始坐標(biāo)；Z1為拉彎路徑結(jié)點(diǎn)Z方向初始坐標(biāo)；Y2為回彈路徑結(jié)點(diǎn)Y方向初始坐標(biāo)；Z2為回彈路徑結(jié)點(diǎn)Z方向初始坐標(biāo)。

根據(jù)提取的回彈路徑和拉彎路徑的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及計(jì)算得到的補(bǔ)償路徑結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，在CATIA軟件中分別擬合回彈曲線、拉彎曲線和補(bǔ)償曲線（如圖6（a）所示），補(bǔ)償曲線即最終模具型面右半側(cè)的補(bǔ)償路徑，對(duì)其進(jìn)行鏡像操作后得到合并拉彎模具型面補(bǔ)償路徑（如圖6（b）所示），固定拉彎模型面，以該理論補(bǔ)償曲線為修型依據(jù)，建立回彈補(bǔ)償后的拉彎模具三維型面。

5 現(xiàn)場驗(yàn)證

綜上所述，采用等弧切分法檢測模具偏差并進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用差值迭代補(bǔ)償法擬合回彈補(bǔ)償曲線，測試新制模具的成形效果。原模具成形零件表面褶皺明顯（零件表面質(zhì)量如圖7 （a）所示），回彈間隙明顯（如圖7（b）所示）。新制模具成形零件腹板面平整（零件表面質(zhì)量如圖7（c）所示），與切面樣板比對(duì)，間隙值滿足設(shè)計(jì)制造要求，拉彎回彈得到補(bǔ)償（回彈間隙如圖7（d）所示）。無須使用皺縮機(jī)收邊或手工敲修，修正量減少，生產(chǎn)周期縮短，提升了零件的一次交檢合格率、生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

6 結(jié)語

本文優(yōu)化T型材補(bǔ)償片零件的拉彎成形工藝，擬合回彈補(bǔ)償路徑，得到以下結(jié)論。1）對(duì)等曲率零件的拉彎成形來說，成組拉彎工藝有利于降低零件的生產(chǎn)制造成本，提高生產(chǎn)效率。2）采用等弧切分法和模擬仿真方法分析腹板厚度變化，修改模具槽內(nèi)高度，解決T型材拉彎成形腹板失穩(wěn)起皺問題。3）基于Abaqus有限元軟件，采用位移控制的拉彎加載方式模擬拉彎成形以及回彈過程，運(yùn)用差值迭代補(bǔ)償算法擬合回彈補(bǔ)償路徑，得到模具型面回彈修復(fù)理論模型。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，拉彎模成形零件與切面樣板的貼合間隙滿足設(shè)計(jì)制造要求。4）合理的模具設(shè)計(jì)可以取代大量手工敲修，從工藝設(shè)計(jì)源頭對(duì)實(shí)際可能存在的缺陷進(jìn)行評(píng)估以及優(yōu)化，基于有限元模擬技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)制造前預(yù)先進(jìn)行修模，能夠節(jié)省生產(chǎn)和制造成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

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[2]谷諍巍，蔡中義，徐虹，等.拉彎成形的數(shù)值分析與工藝優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2009，39（5）：1167-1171.

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