拉彎模具間隙對復雜截面型材成形精度的影響

郭 濤 李曉星

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

拉彎工藝是型材彎曲成形的重要方法，在航空、航天和汽車、軌道列車型材彎曲件的制造中得到了非常廣泛的應用，但是拉彎成形中易產生起皺、拉裂、回彈、截面畸變、縱向扭曲等成形缺陷［1－3］.其中截面畸變和回彈是復雜截面鋁型材的拉彎成形過程中不可避免的缺陷問題，輕者影響產品的使用，重者則產品報廢，嚴重影響了拉彎產品的生產.因此研究影響拉彎截面畸變和回彈主要因素，分析工件空間扭轉規律，以便合理設計拉彎模具和預拉值，有效避免截面畸變和回彈缺陷，成為拉彎工藝生產的研究重點［4－5］.但由于拉彎成形的型材截面形狀多種多樣，同種型材的厚度和力學性能分散性比較大，又具有空心、薄壁和非對稱等特點，同時由于型材拉彎成形過程涉及到幾何非線性、材料非線性、接觸非線性等問題，因而理論解析方法有一定的局限性，不足以指導實際生產.而單純的實驗研究，費用又過于昂貴.考慮到有限元數值模擬技術的優點，本文借助商業有限元軟件ABAQUS對異型截面型材拉彎成形過程進行數值模擬［6－9］，綜合分析拉彎模具間隙對稱和不對稱兩種情況對型材拉彎后的截面畸變及回彈的影響，為合理設計拉彎成形模具提供理論依據，并對制定生產工藝規范具有重要參考價值.

1 零件特征分析

圖1所示為型材的外形及截面尺寸.該型材為半圓形，其半徑為2598.5 mm，截面形狀為非對稱斷面，型材的壁厚分別為6和8 mm.

圖1 型材外形及截面尺寸(單位:mm)

工廠生產工藝常采用拉彎、熱處理、新淬火態下二次補拉的成形方法.圖2為拉彎模具形狀示意圖.

圖2 拉彎模具與型材

由于零件截面為開口，且縱向尺寸跨度很大，在預拉和補拉階段，受長度方向拉力作用，型材壁厚減薄.彎曲階段，型材受彎矩作用，中性層以上壁厚部分(圖1b中A部分)厚度減薄，中性層以下壁厚部分(圖1b中B部分)厚度增大.若預留的拉彎模具間隙值過小，則拉彎過程中型材B部分無法進入拉彎模具當中，導致成形過程無法進行.又由于是二次拉彎，當拉彎模具間隙較小時，熱處理后進行補彎補拉時很可能型材無法放入模具當中.而如果模具預留的間隙較大，會增大型材的截面畸變，即各自由邊的傾斜.因此，拉彎模具與型材間隙會嚴重影響到截面上緣塌陷和回彈后扭曲變形.圖3所示為截面畸變、回彈和扭曲變形示意圖.

圖3 成型缺陷

2 模型建立與材料參數確定

2.1 模型建立

由于模型對稱，取一半進行模擬.采用S4R單元，型材截面網格數目如圖4a所示.長度方向150個單元.預拉及補拉階段拉伸速度為400mm/s，彎曲速度 0.803 rad/s(2 000 mm/s)，摩擦系數為 0.15.

2.2 拉彎模具與型材間隙

圖4 型材單元數

為了研究拉彎模具與型材間隙對型材的橫截面偏轉的影響關系，首先將其他加載參數固定不變，然后設C1為拉彎模具深度方向間隙，C2為寬度方向模具與型材間隙.將拉彎模具設計成兩種情況，一種是左右間隙對稱，如圖5a所示.C1和C2取值如表1所示，例如C2取0.1時表示拉彎模具與型材左右兩個豎邊的間隙均為0.1.表1為8組間隙對稱的模擬方案.另一種為左右間隙不對稱，如圖5b所示，其最左和最右側靠緊型材邊，中間留出間隙的結構.L為中間左側間隙值，R為中間右側間隙值.表2為6組間隙不對稱的模擬方案.

圖5 兩種間隙模型

表1 左右間隙對稱的組合設計表

表2 左右間隙不對稱的組合設計表

2.3 材料參數

考慮到不同的加載方式導致最后型材處于不同的變形狀態，預拉量不同，拉彎熱處理后材料的性能不同［4］，因此將實驗材料預拉伸后用電火花線切割單拉試樣.然后將試樣放入北航材料學院熱處理實驗室的馬弗爐中，500±3℃，放置50 min.將試樣取出放置于室溫(20℃)冷水中約10 s.然后迅速做單拉試驗，在1.5 h內完成.預拉伸、新淬火態的單拉試樣力學性能結果見表3及圖6.

表3 預拉伸3.5%、新淬火狀態的材料性能

圖6 預拉伸3.5%、熱處理后新淬火狀態材料性能

3 模擬結果及分析

3.1 左右間隙對稱

圖7為左右間隙對稱時，8組不同間隙變化對截面畸變影響的模擬結果示意圖.

圖7 間隙對稱布置時截面畸變示意圖(間隙編號參見表1.單位:mm)

當型材拉彎后，8組型材壁厚都減薄，最小厚度均為5.892 mm，并且壁厚最小值都出現在節點I處，即自由邊的端部，同時II和IV節點間縮短約0.3 mm，且發現8組型材的截面畸變方向一致，均偏向右邊.隨拉彎模具深度方向間隙值C1增大，圖3a中的最右端下塌量f增大，最大到0.233.這說明拉彎模具深度方向間隙C1值對截面畸變值影響不大，但會影響型材橫向面的下塌量，因此深度方向間隙定為0或者負向為宜.不過寬度方向拉彎模具與型材間隙會明顯影響回彈后空間最大扭轉值.間隙值小，其回彈后空間最大扭轉值較小.

3.2 左右間隙不對稱

圖8為左右間隙不對稱時，間隙變化對截面畸變影響的模擬結果示意圖，其偏轉量均為節點所在邊上的最大值.比較6組不同的L和R值的拉彎模具結構對型材截面畸變量影響，發現拉彎后，型材最小厚度同樣均在5.894 mm，與左右間隙對稱情況相近.但左右間隙不對稱的截面畸變方向不一致，隨著L值增大，其畸變方向由右邊偏向左邊，并且模擬所得回彈后的空間扭轉量要小于間隙對稱的情況，比較回彈后扭轉量，同時考慮1，2，3 節點的邊和 4，5 節點的邊豎直，L=1，R=3的間隙組合所得到的成形精度要好于其他模具間隙組合.

圖8 間隙不對稱時截面畸變示意圖(單位:mm)

4 結論

采用有限元數值模擬方法對鋁合金型材拉彎過程進行研究，綜合分析拉彎模具間隙對稱和不對稱兩種情況對型材成形精度的影響.通過比較截面畸變和回彈量，結果發現無論左右間隙對稱或不對稱，其拉彎后，型材壁厚均出現減薄，左右間隙對稱結構的拉彎模具其截面畸變方向一致;但左右間隙不對稱的型材拉彎后其截面畸變方向不一致，隨著L值增大，其畸變方向由右邊偏向左邊.模擬結果還發現所得回彈后的空間扭轉量要小于間隙對稱的情況.當拉彎模具采用左側間隙L=1，右側間隙R=3的間隙方式時，所得到的成形精度要好于其他模具間隙組合.

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