鋁型材拉彎成形數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

郭浩宇,閆曉磊,陳昌榮，練國(guó)富,黃旭,馮美艷

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州350118；2.福建省汽車電子與電驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350118)

鋁型材具有密度低、強(qiáng)度高、抗沖擊性能好、易回收等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車安全部件和框架式車身的制造[1]。拉彎成形是鋁型材的一種重要加工形式。鋁型材在拉彎過程中容易產(chǎn)生起皺、破裂、回彈等缺陷，使得最終成型的拉彎件在尺寸和形狀精度都很難達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，如何確保型材成型質(zhì)量的穩(wěn)定可靠是彎曲成型件的主要問題。

一般可以通過仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段進(jìn)行工藝優(yōu)化來提高型材拉彎后的成型質(zhì)量[2]。Finn等[3]研究了車身零件彎曲成形回彈數(shù)值模擬方法，提出在仿真的不同階段采用不同的算法可以更加接近實(shí)際的生產(chǎn)情況；Arid H. Clausen等[4]利用有限元軟件，分析了不同型材截面大小對(duì)鋁型材回彈和畸變的影響規(guī)律。JoungsikSuh等[5]通過研究拉伸方法和拉伸長(zhǎng)度對(duì)回彈進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果表明在彎曲前進(jìn)行預(yù)拉和彎曲后進(jìn)行補(bǔ)拉可以有效地改善型材的成型質(zhì)量；Gu等[6]研究了不同成形曲率下的鋁型材回彈情況；杜建寧等[7]針對(duì)常用鋁合金型材零件進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)了型材在成形過程中容易出現(xiàn)問題的區(qū)域，驗(yàn)證了數(shù)值模擬回彈過程的準(zhǔn)確性。卜曉珍等[8]利用有限元軟件對(duì)π截面鋁型材進(jìn)行了拉彎仿真，分析了預(yù)拉和補(bǔ)拉對(duì)鋁型材回彈的影響規(guī)律。

目前，針對(duì)鋁型材拉彎成形工藝數(shù)值模擬的分析研究還不夠完善，少有考慮包覆拉伸對(duì)型材回彈后的影響。本文基于有限元方法，對(duì)A6043系的汽車行李架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行拉彎成形仿真模擬，研究其位移控制拉彎成形的工藝，分析了不同條件下的預(yù)拉、包覆拉、補(bǔ)拉和摩擦系數(shù)對(duì)汽車行李架成型件回彈的影響規(guī)律。根據(jù)影響成型質(zhì)量的規(guī)律優(yōu)化工藝參數(shù)，有效減少試驗(yàn)的次數(shù)，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，為此類零件生產(chǎn)的工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 拉彎成形工藝

1.1 基本原理

拉彎成形工藝與其他成形工藝相比成本低，適合加工變曲率大的型材。型材拉彎是將型材在一定的彎曲條件下壓入模具成型的彎曲過程[9]，如圖1所示。通常采用的拉彎加載方式有3種：分別為預(yù)拉-彎曲(P-M)、彎曲-補(bǔ)拉(M-P)、預(yù)拉-彎曲-補(bǔ)拉(P-M-P)，根據(jù)現(xiàn)有研究表明，P-M-P的拉彎成型方式成型質(zhì)量最好，因?yàn)閺澢笆┘右欢ǖ念A(yù)拉力可以使型材進(jìn)入塑性階段，適當(dāng)?shù)睦炝磕苡行Ц纳瞥尚偷膽?yīng)力分布狀態(tài)，減少成形后的缺陷[10]。

圖1 拉彎加工原理圖Fig.1 Schematic diagram of stretch bending processing

1.2 回彈

拉彎成形過程相對(duì)比較復(fù)雜，影響因素較多，比如型材的材料屬性，零件的形狀和大小，成型的溫度及工藝參數(shù)等[9]。對(duì)于汽車行李架結(jié)構(gòu)件而言，拉彎卸載后回彈量大小是評(píng)價(jià)一款行李架最終成型效果的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。本文研究的回彈是指拉彎卸載前后型材的形狀發(fā)生變化所引起的現(xiàn)象，回彈量以卸載前后型材兩端的間距d0來描述，如圖2所示。

圖2 回彈卸載前后變化圖Fig.2 Changes before and after springback unloading

2 拉彎成形有限元模型的建立

2.1 材料模型

汽車行李架采用A6043系鋁型材，金屬材料拉伸測(cè)試依據(jù)室溫測(cè)試的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 228.1-2012)，在電子拉力試驗(yàn)機(jī)(Instron，LEGEND 2382)上以2 mm/min的拉伸速率進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸，得到如圖3所示的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。根據(jù)Krupkowsky方程：

圖3 A6043真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 A6043 true stress-strain curve

σ=K(ε+ε0)n

(1)

其中，K為強(qiáng)度系數(shù)；n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)。建立塑性變形中的應(yīng)力σp與應(yīng)變?chǔ)舙之間的本構(gòu)關(guān)系和非線性擬合，獲得A6043鋁型材力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 A6043鋁型材力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of A6043

2.2 數(shù)值模擬建模

利用ABAQUS軟件數(shù)值模擬汽車行李架的加工過程，汽車行李架與其他拉彎成形件相比形狀和截面都不規(guī)則，以不規(guī)則回形截面鋁型材為研究對(duì)象，建立如圖4所示的裝配體模型，該模型由鋁型材件、夾鉗和模具組成。由于結(jié)構(gòu)關(guān)于中心面對(duì)稱，故采用1/2模型，減少計(jì)算時(shí)間。

圖4 拉彎有限元模型Fig.4 Stretch-bending finite element model

拉彎成形過程主要分成3個(gè)階段：預(yù)拉、彎曲包覆拉和補(bǔ)拉。為了使仿真過程與實(shí)際結(jié)果更加貼近，不同階段算法也不同，拉彎過程為大變形階段，采用動(dòng)態(tài)顯示算法，考慮其幾何非線性，卸載過程用靜力隱式算法。以C3D8R為型材實(shí)體單元網(wǎng)格，C3D4為模具和夾鉗的單元網(wǎng)格,其中鋁型材的網(wǎng)格數(shù)為20 210個(gè)單元，模具和夾鉗的網(wǎng)格數(shù)分別為110和1 050個(gè)單元。

在進(jìn)行拉彎數(shù)值模擬成形的過程中，鋁型材與模具一直保持接觸，而模具與型材的接觸摩擦又是非線性的，所以在ABAQUS仿真過程中模具與型材之間采用硬接觸，通用接觸算法和庫倫摩擦模型。

2.3 夾鉗的運(yùn)動(dòng)軌跡

在模擬拉彎過程中，型材由夾鉗運(yùn)動(dòng)的位移軌跡控制，夾鉗的運(yùn)動(dòng)軌跡可分解成x軸和y軸上的位移。由于型材的模具對(duì)稱，所以只取一側(cè)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算夾鉗的軌跡分為兩段，先拉彎大弧段，再拉彎小弧段。

如圖5所示，待加工件的原始長(zhǎng)度為L(zhǎng)，模具的大弧半徑為R，弧度為α；小弧段半徑為r，弧度為β。夾鉗在x方向的位移量為f(x)，在y方向的位移量為f(y)。

圖5 位移加載軌跡示意圖Fig.5 Schematic diagram of displacement loading trajectory

在圖5中，假設(shè)預(yù)拉量為Δl1,包覆拉伸量為Δl2，補(bǔ)拉量為Δl3，預(yù)拉結(jié)束后夾鉗的坐標(biāo)位置是：

f(x)=L+Δl1

(2)

f(y)=0

(3)

預(yù)拉結(jié)束后型材的長(zhǎng)度為L(zhǎng)+Δl1，彎曲包覆拉伸結(jié)束后夾鉗的坐標(biāo)位置是：

f(x)=Rsinα+rsin(α+β)-rsinα+

(L+Δl1+Δl2-Rα-rβ)cos(α+β)

(4)

(5)

補(bǔ)拉結(jié)束后夾鉗的坐標(biāo)位置是：

(6)

(7)

3 試驗(yàn)方案

3.1 拉彎工藝參數(shù)的選擇

根據(jù)汽車行李架鋁型材零件的成形特點(diǎn)，預(yù)拉量、包覆拉伸量、補(bǔ)拉量和摩擦力的大小都會(huì)影響型材的最終成型質(zhì)量，目前研究拉彎成形工藝參數(shù)優(yōu)化一般不考慮它們之間的交互影響[11-12]。預(yù)拉和補(bǔ)拉可以有效改善型材內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，一般限定在0.2%～1%之間，型材彎曲的包覆拉伸階段是其主要變形階段，造成成形材料起皺和斷裂現(xiàn)象的主要原因是拉伸量過大，一般拉伸量限定在1%～3%之間，摩擦系數(shù)在生產(chǎn)過程中也會(huì)有所波動(dòng)。拉彎成形水平因素如表2所示。

表2 拉彎成形水平因素取值表Tab.2 Factor levels for stretch forming

3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是一種研究多因素多水平的試驗(yàn)方法，有助于減少試驗(yàn)數(shù)量并通過正交矩陣尋找最佳工藝參數(shù)組合，改善型材的成型質(zhì)量，從而減少試驗(yàn)的成本和時(shí)間[13]。根據(jù)因素和水平的數(shù)目，本次所選用的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表為四因素三水平表格L9(34)，共計(jì)9組試驗(yàn)，各試驗(yàn)水平如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)表Tab.3 Orthogonal experiment table

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過數(shù)值模擬分析研究不同工藝參數(shù)對(duì)不規(guī)則截面汽車行李架零件成形質(zhì)量的影響規(guī)律，正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal experiments

4.2 極差分析

根據(jù)極差的計(jì)算公式對(duì)正交數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到4個(gè)工藝參數(shù)極差值如表5所示。

表5 極差分析結(jié)果Tab.5 Range analysis results

通過對(duì)極差結(jié)果的分析，包覆拉伸量是影響回彈的主要因素，摩擦系數(shù)、補(bǔ)拉量和預(yù)拉量影響較為顯著。

4.3 工藝參數(shù)影響分析

預(yù)拉量對(duì)回彈量的影響趨勢(shì)如圖6所示，回彈量與預(yù)拉量呈現(xiàn)初負(fù)相關(guān)，預(yù)拉量越大，回彈量越小。預(yù)拉量從0.2%增大到1%的過程中，回彈量減少較為顯著。主要是因?yàn)轭A(yù)拉量越大，型材越容易進(jìn)入塑性狀態(tài)，在拉彎卸載后彈性變形區(qū)域減少?gòu)亩鴾p少回彈量[2]。

圖6 回彈量隨預(yù)拉量的變化Fig.6 Variance of the amount of springback varies with the amount of pretension

圖7是型材回彈大小隨包覆拉伸量變化的趨勢(shì)圖，當(dāng)包覆拉伸量從1%增大到3%時(shí)，回彈量減少明顯。由于包覆拉伸階段是型材彎曲的貼模階段，型材的主要變形就在包覆階段，改善包覆拉伸量可以有效改善鋁型材內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，使塑性變形部分減少，降低回彈量[14]。

圖7 回彈量隨包覆拉伸量的變化Fig.7 Variance of springback with the amount of coating stretch

隨著補(bǔ)拉量增大，型材回彈大小隨補(bǔ)拉量的變化如圖8所示，當(dāng)補(bǔ)拉量從0.2%增大到1%時(shí)，回彈量一直是下降的趨勢(shì)。通過控制補(bǔ)拉量的大小可以改善型材中的應(yīng)力分布情況，加大補(bǔ)拉量可以使型材的應(yīng)力分布情況變得更均勻[2]。

圖8 回彈量隨補(bǔ)拉量的變化Fig.8 Variance of the amount of springback with the amount of supplementary stretch

摩擦系數(shù)對(duì)回彈量的影響如圖9所示。摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，型材的回彈量最小。摩擦系數(shù)的增大對(duì)回彈量的影響較為明顯，且與摩擦系數(shù)呈正相關(guān)性。摩擦系數(shù)越大，相同的拉伸量需要克服的摩擦力越大，以至于型材在塑性變形區(qū)域較小，且摩擦力會(huì)對(duì)型材拉伸有一定的抑制作用，使得型材表面受力分布不均勻。所以在拉彎過程中減少不必要的摩擦因素可以改善型材成型后的回彈量[8]。

圖9 回彈量隨摩擦系數(shù)的變化Fig.9 Variance of the amount of springback with the coefficient of friction

從正交試驗(yàn)結(jié)果可得出拉彎的最佳工藝參數(shù)為：摩擦系數(shù)0.1，預(yù)拉量和補(bǔ)拉量1%，包覆拉伸量3%。針對(duì)最佳工藝參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，最佳工藝參數(shù)情況下的拉彎成型件回彈量為3.47 mm，回彈量最小。如圖10標(biāo)注位置所示。

圖10 回彈量云圖(預(yù)拉量1%，補(bǔ)拉量1%，包覆拉伸量3%，摩擦系數(shù)0.1)Fig.10 Nephogram of springback amount (pre-stretching amount 1%, supplementary stretch amount 1%, coating stretch amount 3%, friction coefficient 0.1)

4.4 包覆拉伸量單因素分析

通過正交試驗(yàn)分析可知，在拉彎過程中，包覆拉伸量對(duì)型材的成型質(zhì)量影響最大，在保證其他幾個(gè)因素都是最優(yōu)的情況下，對(duì)包覆拉伸量做單因素分析，分析包覆拉伸量分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%的回彈量，得到關(guān)于包覆拉伸量與回彈量的一元非線性方程：

y=9.58×exp(-x/0.56)+3.45Δ

(8)

函數(shù)關(guān)系、方程(8)與試驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)值的結(jié)果擬合度R2達(dá)0.999，符合實(shí)際的變化規(guī)律。如圖11所示，當(dāng)包覆拉伸量達(dá)到3%以后，超過了材料的屈服應(yīng)力，進(jìn)入塑性變形階段，回彈量趨于穩(wěn)定，再增加包覆拉伸量對(duì)改善回彈作用不大。在其他工藝參數(shù)相同，分別為預(yù)拉量1%、補(bǔ)拉量1%、摩擦系數(shù)0.1時(shí)，對(duì)1%和7%包覆拉伸量的型材進(jìn)行仿真模擬，得到應(yīng)力云圖如圖12所示。從應(yīng)力云圖可以看出，改變包覆拉伸量可以有效改善鋁型材內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，使塑性變形和卸載后彈性變形部分減少，降低成形后的回彈量。

圖11 回彈量隨包覆拉伸量的變化(預(yù)拉量1%，補(bǔ)拉量1%)Fig.11 Change of springback with the coating stretch amount (pre-stretching 1%, supplementary stretch 1%)

圖12 不同包覆拉伸量的應(yīng)力云圖Fig.12 Stress nephogram of different coating stretches

5 結(jié)論

1)回彈量與預(yù)拉量、包覆拉伸量、補(bǔ)拉量呈負(fù)相關(guān)性，與摩擦系數(shù)成先減小后增大的趨勢(shì)。

2)通過正交實(shí)驗(yàn)得到最佳工藝參數(shù)：預(yù)拉量為1%、包覆拉伸量為3%、補(bǔ)拉量為1%、摩擦系數(shù)為0.1。在最佳工藝參數(shù)下，汽車不規(guī)則鋁型材行李架的拉彎成形回彈量最小。

3)包覆拉伸量對(duì)回彈量的影響最為顯著，且回彈量隨包覆拉伸量的增大而降低；通過包覆拉伸量單因素分析，發(fā)現(xiàn)包覆拉伸量超過3%后，回彈量趨于穩(wěn)定。