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，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，保障了結(jié)構(gòu)剛度和強度，同時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)既是重點也是難點。鋁合金型材多數(shù)為薄壁結(jié)構(gòu)件，彎曲成形制造時截面容易產(chǎn)生畸變，出現(xiàn)起皺、破裂、回彈等缺陷，給實際生產(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方向上彎曲，成形工藝相對簡單且可實現(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)的多點模具對傳統(tǒng)拉彎設(shè)備機械臂進(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)實現(xiàn)了柔性制造、三維成形，縮短了零件生產(chǎn)周期，實現(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)整多點模具的包絡(luò)面，從而實現(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，同時單元體新增復(fù)位氣缸，可驅(qū)動連桿帶動導(dǎo)向滑塊與多點模具，在非成形過程中完成多點模具垂直高度自動化調(diào)形與復(fù)位。

基于此技術(shù)的運用，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 測試對象

為驗證鋁合金型材拉彎—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)一個水平方向半徑為4.4m、彎曲角度為40°，垂直方向為一段多曲率半徑方向的W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個多點模具，計算單元體水平水平調(diào)形位置參數(shù)、壓彎油缸下壓位移。考慮到目標(biāo)零件為對稱件，由此確定1～6#調(diào)形參數(shù)如表1所示。

表1 多點模具調(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)計算可得：彈性模量為71.32GPa、屈服強度為155.44MPa、泊松比為0.35、強度系數(shù)為398.87MPa、應(yīng)變強化指數(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復(fù)雜，涉及拉力、彎矩、壓力耦合作用等，對此采用位移加載模式進(jìn)行控制。水平拉彎過程中，夾鉗控制點水平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，運動位移為0.265m，多點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)行移動位移，多點模具放開垂直平面上移動與旋轉(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，總回彈值為測量點回彈的直線偏差，計算可得直線偏差為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，根據(jù)實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)用價值。