角型截面鋁型材拉彎成形工藝模擬研究

谷諍巍,趙立輝,徐 虹,崔 波

(吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

鋁型材由于具有重量輕、剛度高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于制造汽車、軌道車輛等交通工具的車體結(jié)構(gòu)件[1]。拉彎成形是鋁型材車體構(gòu)件制造的最常用方法之一,其工藝原理是在型材兩端同時(shí)施加拉力和彎矩,使型材邊拉伸邊彎曲包繞在成形胎具上,這種成形方法能提高成形件截面應(yīng)力的均勻性,可有效減小彎曲回彈量,提高構(gòu)件的輪廓精度,非常適合于小變形量、大曲率半徑構(gòu)件的彎曲成形。拉彎成形時(shí),為了減小彎曲回彈量,提高成形精度,一般需要增加拉伸位移量,但鋁型材的塑性相對(duì)較差,延伸率較低,能承受的拉伸量范圍非常有限,拉伸位移量過大將導(dǎo)致型材斷裂,位移量過小則難以有效減小回彈,同時(shí)還易出現(xiàn)起皺等缺陷,大大增加了鋁型材構(gòu)件的拉彎成形難度,尤其是一些截面高度尺寸大、彎曲半徑相對(duì)較小的鋁型材構(gòu)件的拉彎成形更加困難,需要借助數(shù)值模擬技術(shù)模擬成形過程,優(yōu)化拉彎工藝參數(shù),才能消除成形缺陷,獲得高質(zhì)量的拉彎件。

本文以某型車輛的角形截面鋁型材立柱構(gòu)件為典型件,運(yùn)用PS2F模擬軟件對(duì)其拉彎成形過程進(jìn)行模擬,分析成形缺陷,優(yōu)化工藝參數(shù)和拉彎胎具型面曲線,獲得了合格的成形件。

1 拉彎成形工藝模擬軟件

PS2F(Profiles stretch 2D Forming)是一種基于解析算法的拉彎成形模擬專用軟件[2]。該軟件由設(shè)計(jì)模塊和機(jī)器模塊兩大模塊組成(圖1)。設(shè)計(jì)模塊主要通過接收拉彎件的截面模型數(shù)據(jù)、輪廓曲線離散化模型數(shù)據(jù)、材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)、摩擦條件、工藝參數(shù)控制數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行拉彎成形過程的模擬計(jì)算,生成拉彎工藝模擬文件,給出沿型材長(zhǎng)度方向的應(yīng)變分布數(shù)據(jù)、截面收縮數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)彎曲回彈量并給出胎具型面補(bǔ)償數(shù)據(jù),進(jìn)行拉彎工藝的優(yōu)化等;機(jī)器模塊主要是接收設(shè)計(jì)模塊生成的模擬文件及數(shù)控拉彎?rùn)C(jī)的機(jī)器信息、拉彎胎安裝位置信息等數(shù)據(jù)文件,進(jìn)行拉彎?rùn)C(jī)夾頭運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算,生成驅(qū)動(dòng)拉彎?rùn)C(jī)運(yùn)動(dòng)的數(shù)控程序。該軟件默認(rèn)的拉彎方式是先預(yù)拉、后彎曲、再補(bǔ)拉。其主要優(yōu)勢(shì)是集成了數(shù)量龐大的拉彎成形經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),模擬分析的準(zhǔn)確度高,拉彎胎具型面精度好,且計(jì)算速度快,操作簡(jiǎn)便,實(shí)用性好。但也存在不足,比如該軟件不能預(yù)測(cè)型材拉彎中可能出現(xiàn)的截面畸變?nèi)毕?它認(rèn)為型材截面各邊都得到了充分的約束,不存在畸變問題;由于軟件內(nèi)部算法缺陷或者受拉彎件輪廓模型不良等因素的影響,計(jì)算出的拉彎胎具型面曲線會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)、自交叉等錯(cuò)誤。

圖1 PS2F軟件工作原理

2 拉彎成形工藝模擬研究

圖2是某型車體立柱零件,由鋁型材經(jīng)拉彎工藝彎曲而成,該零件外形輪廓較復(fù)雜,由3段圓弧和一段直線組成,最小彎曲半徑R1為1232mm,構(gòu)件的長(zhǎng)度尺寸達(dá)到2500mm,其角型截面的彎曲受壓立邊高度尺寸大,達(dá)到120mm,且輪廓形狀精度和成形質(zhì)量要求非常高,誤差要求小于0.5mm。

由于該構(gòu)件截面立邊高度過大,拉彎成形后,在小彎曲半徑弧段出現(xiàn)了波浪狀彎曲;構(gòu)件的最大彎曲回彈量超過3.5mm,導(dǎo)致輪廓精度超差。為了減小回彈,消除立邊波浪狀彎曲,試驗(yàn)中增加了拉伸位移量,但構(gòu)件出現(xiàn)了斷裂。

圖2 角形截面鋁型材立柱

本文用PS2F軟件對(duì)該構(gòu)件的拉彎成形過程進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果見圖3。從圖中可看出,在小弧R1232區(qū)域,材料彎曲變形量較小,且立邊應(yīng)變?yōu)?2.48%,表明該區(qū)域內(nèi)立邊在拉彎成形中受壓,由于立邊厚度較大(10mm),且拉彎胎具的主體和壓板之間的間隙值較小,立邊受壓失穩(wěn)后無法重疊起皺,故呈現(xiàn)波浪狀的彎曲。模擬計(jì)算的最大回彈量為4.6mm(這和實(shí)際的3.5mm很接近),回彈主要是材料的塑性變形太小引起的。從圖3中可見,除了小弧段R1區(qū)域外,材料的整體變形量較小(在1%～4%之間),塑性變形不足,彈性變形比例較大,導(dǎo)致回彈量較大。在小弧R1區(qū)域,材料的局部變形量最大(因?yàn)闃?gòu)件在此處的彎曲半徑小),圖3中的數(shù)據(jù)表明此處最大拉應(yīng)變達(dá)到11.78%。這個(gè)值雖然沒有達(dá)到材料的極限延伸率(17%),但后續(xù)為減小回彈、消除波浪狀彎曲等缺陷,增加了拉伸量,導(dǎo)致此處材料變形超過拉伸極限而發(fā)生斷裂。這種現(xiàn)象在工程實(shí)踐中經(jīng)常發(fā)生。主要是因?yàn)槔瓘澇尚沃胁牧系淖冃瘟鲃?dòng)受摩擦力等因素的影響很大,導(dǎo)致材料受力不均勻,變形也不均勻。尤其是在補(bǔ)拉階段,增加的拉伸量因巨大的摩擦阻力而無法在整個(gè)成形件上均勻傳遞,已經(jīng)彎曲貼緊到胎具上的材料流動(dòng)變形很小,而尚未完全彎曲包繞的材料受到的拉伸變形很大,局部發(fā)生劇烈的形變,并達(dá)到拉伸極限,發(fā)生斷裂。

圖3 車體立柱拉彎成形應(yīng)變分布狀況

要消除構(gòu)件的上述缺陷,需要調(diào)整預(yù)拉、彎曲、補(bǔ)拉階段的拉伸位移等參數(shù),對(duì)拉彎工藝進(jìn)行模擬優(yōu)化,結(jié)果見圖4。從圖4可看出,優(yōu)化拉伸位移后,小弧段區(qū)域的型材受壓立邊的變形量增加,最小應(yīng)變達(dá)到1.42%。這表明此部分材料在彎曲中由受壓變?yōu)槭芾?在拉彎工藝特定的受力狀態(tài)下,成形件立邊將不會(huì)出現(xiàn)因受壓失穩(wěn)而產(chǎn)生的波浪狀彎曲。另外,除了小弧段R1區(qū)域外,構(gòu)件材料的總體變形程度提升到5%～10%,這種變形量有利于固定型材彎曲變形后的輪廓形狀,提高成形精度。但小弧R1段型材水平邊的最大拉應(yīng)變已達(dá)到16.03%,雖然小于此種鋁型材的極限拉伸量,但成形中已不能再繼續(xù)增加拉伸位移,否則會(huì)發(fā)生斷裂。圖5是立柱截面立邊高度尺寸收縮量的模擬結(jié)果,可以看出拉彎后構(gòu)件的截面立邊將出現(xiàn)1.7～3mm不等的不均勻收縮,拉彎胎具支撐該立邊的型面需要對(duì)此作出相應(yīng)的補(bǔ)償,以確保對(duì)立邊的緊密支撐限位,否則支撐不良將產(chǎn)生嚴(yán)重的截面畸變?；貜椀哪M結(jié)果表明,工藝優(yōu)化后成形件端部仍有2.2mm回彈量,拉彎胎具型面需做出相應(yīng)的回彈補(bǔ)償。

3 試驗(yàn)研究

運(yùn)用優(yōu)化后的拉彎工藝數(shù)據(jù)和拉彎胎具型面補(bǔ)償數(shù)據(jù),生成了拉彎數(shù)控程序,開發(fā)制造了拉彎胎具,在美國(guó)某公司制造的數(shù)控拉彎?rùn)C(jī)V-75上進(jìn)行了成形試驗(yàn),拉彎胎具和試驗(yàn)件見圖6。檢驗(yàn)結(jié)果表明,成形件截面立邊的波浪狀彎曲得到了有效控制,輪廓精度誤差也達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),成形件的成形質(zhì)量和精度完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 拉彎胎具和試驗(yàn)件

4 結(jié)論

對(duì)于這種角型截面的拉彎件而言,型材截面立邊的高度尺寸是影響拉彎成形質(zhì)量的重要因素。立邊高度越大,越易發(fā)生起皺現(xiàn)象。增大拉伸位移量能消除起皺,并減小回彈,但也同時(shí)增大成形件的截面畸變程度,劣化成形質(zhì)量,還能引起成形件的斷裂。因此,角形截面件的拉彎成形必須把截面立邊的高度限定在合理范圍內(nèi),尤其是對(duì)于延伸率較小的鋁合金材質(zhì)構(gòu)件,截面立邊過高將使成形非常困難,甚至無法成形。本文結(jié)合某型車輛的角形截面鋁型材車體立柱構(gòu)件的實(shí)際生產(chǎn)狀況,運(yùn)用拉彎成形模擬軟件PS2F,對(duì)該構(gòu)件的拉彎成形工藝進(jìn)行了模擬研究和優(yōu)化,有效控制了成形件受壓立邊起皺、輪廓精度差等缺陷,運(yùn)用模擬優(yōu)化后的工藝數(shù)據(jù)開發(fā)了拉彎胎具和數(shù)控程序,獲得了高質(zhì)量的成形件。

[1] 刁可山,周賢賓,金朝海,等.復(fù)雜截面型材力控制拉彎成形數(shù)值模擬分析[J].材料科學(xué)與工藝,2004(8):413-416.

[2] 金朝海,周賢斌.基于PS2F的鋁型材拉彎回彈研究[J].塑性工程學(xué)報(bào),2007(6):1-4