鋁合金擠壓型材彎曲成形制造技術(shù)研究

劉金輝，黃和鑾，羅銘強(qiáng)，譚日純

（1.廣東興發(fā)精密制造有限公司，廣東 佛山 528137；2.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528137）

鋁合金擠壓型材在航空、高鐵、汽車等領(lǐng)域中的輕量化關(guān)鍵部件中應(yīng)用廣泛，其具有輕質(zhì)、比剛度高、比強(qiáng)度高、彈性好、易加工、可回收等諸多優(yōu)勢。在軌道交通、汽車零部件、航空結(jié)構(gòu)件與多種鋁合金型材彎曲件中，鋁型材彎曲成形質(zhì)量、精度直接關(guān)系到產(chǎn)品最終使用性能，因此，研究鋁合金型材彎曲成形制造技術(shù)具有重要意義。

1 鋁合金型材彎曲成形制造技術(shù)類型

鋁合金型材在汽車緩沖架、框架、邊框式車架等各個(gè)車體結(jié)構(gòu)輕量化方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。鋁合金型材在降低構(gòu)件質(zhì)量的同時(shí)，保障了結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，同時(shí)在性能提升方面也有一定的積極意義，有利于節(jié)能降耗。彎曲件是鋁合金型材的重要組成部分之一，其制造生產(chǎn)既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。鋁合金型材多數(shù)為薄壁結(jié)構(gòu)件，彎曲成形制造時(shí)截面容易產(chǎn)生畸變，出現(xiàn)起皺、破裂、回彈等缺陷，給實(shí)際生產(chǎn)帶來諸多困難[2]。

鋁合金型材彎曲成形制造技術(shù)較多，如：拉彎、繞彎、壓彎、滾彎、自由彎曲、柔性墊彎曲、激光彎曲等[3]。其中，拉彎成形具有成形精度高、回彈量小、生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢，尤其是在成形斷面大、曲率高的鋁合金型材中應(yīng)用效果較好；壓彎成形主要是利用液壓機(jī)或沖床上的彎曲模具完成鋁合金型材彎曲成形制造工作，適用于長度較小、一次成形的型材，可用于制造形狀較復(fù)雜的構(gòu)件。

2 鋁合金型材拉彎—壓彎復(fù)合成形制造技術(shù)原理

為進(jìn)一步提高鋁合金型材彎曲成形制造精度和質(zhì)量，本文提出了鋁合金型材拉彎—壓彎復(fù)合成形制造技術(shù)。從柔性三維拉彎成形技術(shù)、拉彎—壓彎復(fù)合成形技術(shù)兩個(gè)方面分析鋁合金型材拉彎—壓彎復(fù)合成形制造技術(shù)原理。

2.1 柔性三維拉彎成形技術(shù)原理

傳統(tǒng)鋁合金型材拉彎采用的是二維成形技術(shù)，使用整體模具只能在一個(gè)方向上彎曲，成形工藝相對(duì)簡單且可實(shí)現(xiàn)重復(fù)生產(chǎn)，適用于大批量的結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)。但是此種拉彎成形技術(shù)的缺點(diǎn)是柔性差[4]，因此，復(fù)雜截面制造三維拉彎成形技術(shù)成為二維成形技術(shù)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要趨勢。

三維拉彎成形技術(shù)基本原理為多點(diǎn)成形，即將傳統(tǒng)的整體模具離散化，采用空間位置可調(diào)的多點(diǎn)模具對(duì)傳統(tǒng)拉彎設(shè)備機(jī)械臂進(jìn)行改造，增加垂直方向的液壓系統(tǒng)。依據(jù)變形疊加理論將鋁合金型材的三維變形過程分解為水平面、垂直面的變形分量，分步完成復(fù)雜截面型材三維拉彎（圖1）。此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了柔性制造、三維成形，縮短了零件生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)了多種零件快速、高效批量生產(chǎn)。

圖1 柔性三維拉彎成形示意圖

2.2 拉彎—壓彎復(fù)合成形技術(shù)原理

三維拉彎成形技術(shù)雖然彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二維技術(shù)的不足，但是從成形控制角度來看，還需調(diào)整多點(diǎn)模具的包絡(luò)面，從而實(shí)現(xiàn)回彈控制，達(dá)到精確成形目標(biāo)。為此，本文采取水平拉彎、垂直壓彎的成形方法改進(jìn)多點(diǎn)模具載體單元體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 拉壓復(fù)合成形單元體結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，單元架中新增了壓彎油缸，完成型材垂直壓彎成形，同時(shí)單元體新增復(fù)位氣缸，可驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)導(dǎo)向滑塊與多點(diǎn)模具，在非成形過程中完成多點(diǎn)模具垂直高度自動(dòng)化調(diào)形與復(fù)位。

基于此技術(shù)的運(yùn)用，不僅可以完成多曲率半徑方向復(fù)雜彎曲成形，也可以減少人工調(diào)形工作量，提高調(diào)形精度、生產(chǎn)效率。

3 仿真測試

3.1 測試對(duì)象

為驗(yàn)證鋁合金型材拉彎—壓彎復(fù)合成形制造技術(shù)的應(yīng)用效果，本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)其生產(chǎn)制造過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。本次仿真測試選用的是AA6082鋁合金型材，矩形截面60mm×60mm，壁厚4mm，型材長度3m，此次彎曲成形制造目標(biāo)是生產(chǎn)一個(gè)水平方向半徑為4.4m、彎曲角度為40°，垂直方向?yàn)橐欢味嗲拾霃椒较虻腤形的復(fù)雜零件。

3.2 測試方法

根據(jù)目標(biāo)零件形狀，決定采用11個(gè)多點(diǎn)模具，計(jì)算單元體水平水平調(diào)形位置參數(shù)、壓彎油缸下壓位移?？紤]到目標(biāo)零件為對(duì)稱件，由此確定1～6#調(diào)形參數(shù)如表1所示。

表1 多點(diǎn)模具調(diào)形參數(shù)

由于鋁合金型材截面厚度不變，采用殼單元S4R劃分網(wǎng)格，假設(shè)成形中模具不變形，采用剛性單元R3D4劃分網(wǎng)格。根據(jù)材料力學(xué)拉伸測試數(shù)據(jù)計(jì)算可得：彈性模量為71.32GPa、屈服強(qiáng)度為155.44MPa、泊松比為0.35、強(qiáng)度系數(shù)為398.87MPa、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)為0.154。

由于本次采用的是拉彎—壓彎復(fù)合成形制造方法，鋁合金型材成形過程相對(duì)復(fù)雜，涉及拉力、彎矩、壓力耦合作用等，對(duì)此采用位移加載模式進(jìn)行控制。水平拉彎過程中，夾鉗控制點(diǎn)水平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)位移為0.265m，多點(diǎn)模具放開水平面旋轉(zhuǎn)自由度；垂直壓彎過程中，按照表1所示的參數(shù)進(jìn)行移動(dòng)位移，多點(diǎn)模具放開垂直平面上移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)自由度；控制夾鉗沿型材軸向位移，改變型材軸向所受拉力，優(yōu)化回彈變形控制。

3.3 測試結(jié)果

本文通過ABAQUS軟件分析目標(biāo)零件彎曲成形過程，結(jié)果顯示預(yù)拉伸、水平拉彎后型材應(yīng)力分布相對(duì)均勻，垂直壓彎后型材中部發(fā)生應(yīng)力集中的問題；目標(biāo)零件復(fù)合成形，且整體形狀流暢，仿真結(jié)果理想。

基于成形仿真結(jié)果建立回彈仿真分析模型，采用ABAQUS軟件預(yù)測回彈變形[5]，結(jié)果顯示成形件水平、垂直方向的回彈偏差最大值位于型材兩端，分別為6.53mm、4.36mm，總回彈值為測量點(diǎn)回彈的直線偏差，計(jì)算可得直線偏差為7.85mm；回彈變形后，最大殘余應(yīng)力減小至67.91MPa。

4 結(jié)語

為進(jìn)一步提高彎曲件質(zhì)量，不僅需要掌握各種彎曲成形制造方法特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要合理選擇相關(guān)工藝方法，還需要基于現(xiàn)有的工藝方法，不斷引入先進(jìn)的技術(shù)原理，并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，解決傳統(tǒng)彎曲成形制造方法存在的不足。因此，本文將拉彎技術(shù)和壓彎技術(shù)相結(jié)合，提出了鋁合金型材復(fù)合成形制造技術(shù)，仿真測試結(jié)果表明，提出技術(shù)有效提高了彎曲成形制造效率與構(gòu)件成形質(zhì)量，減少了人工調(diào)形工作量，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。