鋁合金型材三維多點柔性拉彎工藝研究

王 梓

（山東諾維科輕量化裝備有限公司，山東 煙臺 265700）

鋁合金型材三維彎曲空間結構目前作為在汽車、高鐵和航天航空等領域廣泛應用的骨架部件，具有輕質量、高結構強度、優化空氣動力學性能與美觀的集合造型特點，以我國CRH380 高鐵動車為例，在該部動車的車頭骨架結構中，就運用了比較典型的鋁合金型材三維彎曲構件[1-2]。同時，該種骨架構件還存在較大抗變形性、較差塑性、復雜的薄壁結構特點以及較窄的加工窗口等待解決問題，所以如何實現鋁合金型材構件的精準化塑性，始終是金屬加工領域的熱門研究話題。目前國際上多數學者指出，對該種鋁合金型三維材料構件可以運用三維彎曲成形加工工藝，譬如鋁合金型材擠出—彎曲—一體化成形、三維空間疊加扭矩成形、多點成形以及連續墊彎等成形施工工藝[3]。該研究針對其中鋁合金型材的三維多點柔性拉彎成形制件工藝展開探討，選用該工藝能夠對鋁合金型材的傳統拉彎工藝無法實現的三維彎曲、改良柔性、降低工藝模具成本量等問題進行有效解決。接下來將在簡單介紹三維多點柔性拉彎成形制件工藝的基礎上，通過有限元建模運用ABAQUS 軟件展開正交試驗數值模擬研究。

1 三維多點柔性拉彎成形制件工藝

三維多點柔性拉彎成形制件工藝，作為基于傳統二維拉彎成形工藝技術結合多點成形工藝的1 種技術集成式操作工藝，能夠基于多點離散模具形成的包絡面，經過耦合疊加變形后，獲得薄壁復雜空間構件的三維多點拉彎成形成品[4]。圖1 為三維多點柔性拉彎成形制件工藝流程，概括了該制件工藝主要步驟，可以實現高效拉彎，與此同時充分吸收多點成形技術的柔性拉彎制件工藝特點，在很大程度上提升了工藝制件的生產效率，可以三維多點彎曲成形，突破傳統拉彎工藝局限。并且拉彎制件工藝修模比較簡單，方便有效控制回彈。經過回彈補償，能夠對多點模具包絡面進行快速修整從而精準拉彎成形。

2 有限元建模

使用三維多點柔性拉彎成形制件工藝在該研究中建立有限元分析模型，運用ABAQUS 軟件中包括的Standard、Explicit 2 個部分來求解器模塊，前者運用隱式解法，后者運用顯式解法。在模擬建模中，考慮到該研究主要針對如何控制成型階段的截面畸變可能性，以及回彈變形階段的拉彎反復成形問題。綜合考慮該種工藝在操作中所涉及的線性、非線性相關問題，鋁合金型材需要反復2 次貼合模具才可以成形。因為鋁合金型材和模具頭體不斷接觸，所以在這個過程中線性、非線性會隨之改變。在整個工藝彈性變形轉變為塑性變形過程中，鋁合金型材的屈服準則條件公式如公式（1）所示[5]。

式中：σ為拉彎成形工藝過程中產生的等效應力；σF為屈服應力；s為應力張量。

在鋁合金型材的板材彎曲成形工藝過程中，由原本的彎曲變形逐漸過渡形成中間彈塑性變形，最終獲得塑性變形制作相應目標構件的過程，遵循了塑性法則即塑性狀態下的構件應力關系以及硬化法則，如公式 （2） 所示[6]。

圖1 三維多點柔性拉彎成形制件工藝流程

式中：K為強化系數；為等效應變；n為應變強化指數；εs為屈服應變。

根據表1 中的鋁合金型材的相關材料參數，運用ABAQUS 有限元分析軟件，建立如圖2 所示的有限元分析模型構件。選擇5 mm×5 mm 的水平、垂直2 個方向模具頭體網格尺寸，能夠節約該次研究的計算時間。

表1 鋁合金型材參數

圖2 三維多點柔性拉彎成形制件工藝構件圖

3 截面畸變影響因素研究

在鋁合金型材拉彎成形工藝結束后，外側承受拉應力及內側承受壓應力會改變原本截面，集中表現為外腹板塌陷、側壁凸脹、內腹板褶皺等不同情況，也就是改變了鋁合金型材的高度、寬度，一般為對稱型材截面變形表現。圖2 中該鋁合金型材的長用L表示，多點模具頭體共N個，建立有限元截面畸變圖，如圖3 所示。

3.1 多點模具頭體影響畸變

在三維多點柔性拉彎成形制件工藝操作過程中，鋁合金型材極易發生褶皺缺陷，對制件整體質量和精度均產生了嚴重的影響，因此合理化三維多點模具頭體就至關重要，有直線、弧線2 種不同的設計方法[7]。有限元分析2 種不同設計方法下的鋁合金型材應力分布情況，能夠發現直線設計中型材的應力為4.553 MPa～320.8 MPa，存在316.247 MPa 的應力差；在弧線設計中型材的應力為8.99 MPa～319 MPa，存在310.01 MPa 的應力差。所以弧線設計的型材應力值幅度明顯小于直線設計，表示弧線設計能夠均勻分布應力，并且弧線設計比直線設計的褶皺缺陷現象少 ，所以可以采用弧線設計來提高鋁合金型材的制件拉彎成形工藝質量。

在三維多點模具頭體設計中，分別設計了80 mm、100 mm、120 mm 的不同的單元寬度，水平設計180°、垂直設為90°，三維彎曲角度為30°，彎曲水平寬度2 500 mm、彎曲半徑與1.0%L預拉量、1.0%L補拉量和0.1 摩擦系數條件下，根據多點模具頭體數量的單元寬度分布情況，能夠發現80 mm 多點模具寬度條件可以達到較小的鋁合金型材應力改變范圍，并且呈現比較均勻的應力分布情況。

在其他條件不變的情況下，選擇多點模具頭體數量條件分別為6、8、10、12，完成三維多點柔性拉彎成形制件，發現隨著頭體數量的不斷增加，應力值隨之減小，越明顯的應力分布值表示制件工藝質量越差[8]。

3.2 預拉量影響畸變

在鋁合金型材三維多點柔性拉彎成形過程中，軸向施加的力為預拉力，在該次有限元模型分析中，分別設計其他最優條件變量，選取0.8%L、1.0%L、1.2%L、1.4%L以上4 種不同預拉量展開試驗，通過有限元分析，在這4 種不同的預拉量型材應力分布試驗中，應力分 別 為10.30 MPa～317.8 MPa、9.730 MPa～318.4 MPa、11.79 MPa～324.5 MPa、12.08 MPa～326.3 MPa。根據計算所得的應力差值，發現隨著預拉量逐漸增加，應力值也隨之增加，說明在拉彎成形工藝過程中，增加了型材的局部變形壓力，所以產生了隨之增大的應力差值，也就影響了應力分布均勻。根據主應力的分布變化情況，能夠發現在預拉量不斷由0.8%L增加至1.4%L的過程中，應力最大值也由最初的0.2574 增加至最終的0.2732，鋁合金型材的制件拉彎成形質量也就不斷變差。

圖3 有限元鋁合金型材截面畸變圖

3.3 補拉量影響畸變

在鋁合金型材三維多點柔性拉彎成形過程中，P-M與P-M-P 作為2 種最常用的型材加載方式，關鍵差別即是否對鋁合金型材施加補拉力[9]。補拉力的施加主要作用是為了有效減少型材拉彎成形過程中的應力差，在卸載抑制制件的補拉力之后，最大化減少鋁合金型材的回彈。在該次有限元模型分析中，分別設計其他最優條件變量，選取0.8%L、1.0%L、1.2%L、1.4%L以上4 種不同的補拉量展開試驗，根據有限元分析發現這4 種不同的補拉量型材應力分布試驗應力分別為9.728 MPa～318.5 MPa、10.10 MPa～320.5 MPa、10.22 MPa～322 MPa、10.15 MPa～322.2 MPa。根據計算所得的應力差值，發現隨著補拉量逐漸增加，應力值也隨之增加。說明在拉彎成形工藝過程中，增加了型材的局部變形壓力，應力差值隨之增大，也就影響了應力分布均勻的情況。根據主應力的分布變化情況，發現在補拉量不斷地由0.8%L增至1.4%L過程中，應力最大值也由最初的0.2673 增至最終的0.3337，鋁合金型材的制件拉彎成形質量也就不斷變差。

3.4 摩擦系數影響畸變

在鋁合金型材的拉彎成形工藝制作中，不可避免地會產生摩擦力，摩擦力與其接觸表面的濕度、硬度、粗糙度、滑動速度以及應力密切相關。在有限元模擬分析中，一般在夾鉗、模具接觸型材時產生型材截面畸變情況。該次有限元模擬分析在控制其他條件變量下，選取0.05、0.10、0.15、0.20， 4 種不同摩擦系數條件，試驗型材截面畸變情況。根據有限元分析發現，這4 種不同的摩擦系數型材應力分布試驗分別為8.767 MPa～313.5 MPa、9.728 MPa～318.5 MPa、11.13 MPa～322 MPa、8.698 MPa～321.7 MPa。根據計算所得的應力差值，發現隨著逐漸增加的摩擦系數，應力值也隨之增加，說明在拉彎成形工藝過程中，增加了型材的局部變形壓力，應力差值隨之增大，也就影響了型材的拉彎應力分布均勻情況。根據主應力的分布變化情況，發現在摩擦系數不斷由0.05 增至0.20 的過程中，應力最大值也由最初的0.2136 增至最終的0.3179，鋁合金型材的制件拉彎成形質量也就不斷變差。

4 結語

目前，在我國的各應用領域中，鋁合金型材具備了低密度、易回收以及高剛性的技術優勢，該研究選用三維多點柔性拉彎成形制件工藝，能夠突破傳統拉彎成形過程中的技術局限。離散整體模量為多模量頭體，對型材結構空間位置轉變實現截面調形。通過該研究運用ABAQUS 有限元分析軟件建模，得到最優化參數結果組合：1.0%L預拉量、0.8%L補拉量，12 個多點模具頭體數量和0.15 摩擦系數，得出了二維、三維彎曲成形適用于漸進式加載增量成形的結論。