基于繞彎成形工藝的鋁型材截面優(yōu)化研究

高亞南，李彥波，曹大興，劉凱凱，張寶成

(中國兵器工業(yè)集團(tuán)凌云工業(yè)股份有限公司 研發(fā)中心，河北 涿州 072750)

管材、型材彎曲成形是一種重要的金屬成形手段，車用電池殼邊框通常是采用將直條形鋁合金通過繞彎工藝進(jìn)行彎曲成形，在繞彎過程中工件容易出現(xiàn)外弧面受拉截面收縮，內(nèi)弧面受壓截面擴(kuò)張的缺陷，導(dǎo)致側(cè)面存在寬度差，無法滿足設(shè)計要求。以往的繞彎研究大多集中于對圓管及矩形管的研究，對于復(fù)雜空腔結(jié)構(gòu)繞彎成形的研究較少[1-4]。在截面畸變機(jī)理及回彈的研究中發(fā)現(xiàn)，截面變形是型材受到切向拉應(yīng)力和切向壓應(yīng)力的合力所致，一旦超過其允許的范圍就發(fā)展為畸變，減小彎曲模及夾塊與型材之間的間隙對回彈有很好的抑制作用[5-7]。在繞彎成形材料的研究中發(fā)現(xiàn)隨著材料屈服強(qiáng)度的增加，截面畸變及曲率半徑回彈增加，但垂直徑向方向的截面畸變變化相對較小[8]。在工件幾何特征對繞彎成形研究中發(fā)現(xiàn)，增加豎直壁型材外側(cè)橫向特征的對稱性有助于減小成形翹曲變形，使成形中性層位于直壁處，能夠較好地解決直壁型材翹曲變形的問題[9-10]。在針對摩擦系數(shù)、夾持壓力和助推速度對繞彎成形的研究中發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)和夾持壓力越大，回彈角和橫截面高度變形越小，且壓塊壓力存在敏感值，當(dāng)壓塊壓力小于敏感值時，助推速度對壁厚和褶皺沒有明顯的影響，當(dāng)壓塊壓力大于敏感值，助推速度大于參考值時，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了明顯的褶皺[11-12]。在針對溫度及拉力對繞彎成形的研究中，肖寒[13]分析了鎂合金的成形特性，研究表明隨著成形溫度及預(yù)拉伸量的增加，型材回彈角逐漸減小。在芯棒對繞彎成形起皺的研究中，Jiang、Shohei等[14-15]設(shè)計了一種新型碗狀芯棒，多層芯塊可以相互嵌套、逐層彎曲，為管壁提供有效的支撐，從而抑制工件的起皺。為解決成形過程中截面畸變的問題，本文基于繞彎成形工藝，應(yīng)用仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法進(jìn)行產(chǎn)品截面的優(yōu)化，使產(chǎn)品滿足后續(xù)焊接工藝要求。在8%的增重比約束范圍內(nèi)，獲得了滿足工藝要求的產(chǎn)品截面結(jié)構(gòu)。

1 車用電池殼邊框特性

1.1 材料屬性

車用電池殼邊框材料為6061 T4鋁合金，真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。屈服強(qiáng)度為163 MPa，抗拉強(qiáng)度為346 MPa，延伸率為22%。

圖1 6061 T4鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 車用電池殼邊框特征

車用電池殼邊框截面結(jié)構(gòu)如圖2所示，寬度為82 mm，由于四周壁厚2 mm，立筋壁厚1.8 mm較薄，內(nèi)部空腔較多且不一致，在成形過程中常會被壓塌，外弧面受拉伸向內(nèi)收縮，內(nèi)弧面受壓向外擴(kuò)張，成形后截面呈梯形，側(cè)面變形嚴(yán)重，形成寬度差，而側(cè)面為焊接裝配面，要求面內(nèi)寬度差小于等于1 mm。因此，需要優(yōu)化截面結(jié)構(gòu)，提高成形工藝性，并同時滿足增重比不超過8%的輕量化要求。

圖2 電池殼邊框截面結(jié)構(gòu)

2 繞彎有限元模型

繞彎成形有限元模型如圖3所示，材料狀態(tài)為異形多腔直條形鋁型材，寬度82 mm，3根聚乙烯芯子穿入空腔，單邊間隙0.15 mm，左側(cè)經(jīng)夾塊夾緊后，與彎曲模同時旋轉(zhuǎn)45°進(jìn)行彎曲成形，成形彎曲半徑為122 mm，成形過程中壓塊向左移動始終保持壓料，防皺塊始終貼緊工件防止起皺。

圖3 繞彎成形有限元模型

本文采用MARC軟件進(jìn)行仿真，模具均處理為剛體，芯子處理為彈性體，彈性模量6 555.7 MPa，泊松比0.4，工件處理為各向同性彈塑性變形體，彈性模量為210 GPa，泊松比0.3，不考慮應(yīng)變率影響，塑性采用圖1真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。網(wǎng)格單元選擇六面體8節(jié)點(diǎn)及三棱柱6節(jié)點(diǎn)單元，夾塊與工件為粘接關(guān)系，其他均為接觸關(guān)系，工件、芯子、模具摩擦系數(shù)為0.12，成形結(jié)束后，釋放所有接觸，工件進(jìn)行回彈。

3 成形仿真結(jié)果分析

3.1 原始方案成形狀態(tài)分析

按照原始方案成形后，仿真所得電池殼邊框最大主應(yīng)變?nèi)鐖D4所示，經(jīng)測量成弧半徑為128 mm，兩直邊夾角為43°，回彈角為2°。變形主要發(fā)生在外弧面，最大主應(yīng)變?yōu)?.18，未超過材料延伸率。實(shí)驗(yàn)所得成形狀態(tài)如圖5所示，由于外弧面受拉，成形后最大主應(yīng)變?yōu)?.18，接近材料延伸率22%，根據(jù)圖1材料應(yīng)力應(yīng)變曲線判斷，此時外弧面已接近材料單向拉伸實(shí)驗(yàn)時的徑縮狀態(tài)，因此有輕微“橘皮”現(xiàn)象。經(jīng)測量，實(shí)際成弧半徑為120 mm，兩直邊夾角為43.2°，回彈角度為1.8°，仿真半徑誤差6.7%，夾角誤差0.5%，回彈角誤差11%。

圖4 仿真所得電池殼邊框最大主應(yīng)變

圖5 實(shí)驗(yàn)成形狀態(tài)

3.2 成弧區(qū)切片分析

分別取成弧區(qū)域直線段、成弧邊緣、成弧中間段切片進(jìn)行對比，不同位置切片結(jié)構(gòu)如圖6所示，可以看出成弧中間段變形最為嚴(yán)重，立筋向內(nèi)側(cè)傾斜超出公差要求。

圖6 不同位置切片結(jié)構(gòu)

取成弧中間段進(jìn)行三坐標(biāo)掃描，如圖7所示，成形過程外弧面受拉，內(nèi)弧面受壓，導(dǎo)致外弧面向內(nèi)收縮，由于型腔內(nèi)部立筋較薄，強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致立筋向內(nèi)傾斜，經(jīng)測量外弧面由82.00 mm收縮為79.00 mm，內(nèi)弧面由82.00 mm擴(kuò)張為82.90 mm。將仿真成形結(jié)果提取成弧中間段截面形狀如圖8所示，外弧面寬度為79.42 mm，與實(shí)驗(yàn)誤差0.5%，內(nèi)弧面寬度為82.76 mm，與實(shí)驗(yàn)誤差為0.2%。

圖7 成弧中間段三坐標(biāo)掃描截面形狀

圖8 成弧中間段仿真所得截面形狀

由于邊框側(cè)面為焊接裝配面，若成弧區(qū)域?qū)挾茸兓^大將會導(dǎo)致側(cè)面裝配無法滿足要求，故對側(cè)面進(jìn)行精確分析。如圖7所示，分別在工件側(cè)面等間距取點(diǎn)，序號依次記為1#～11#，由于1#位置變形最小，因此，以1#為基準(zhǔn)做理論寬度線，分別測量不同標(biāo)記點(diǎn)距離理論線的差值，在理論線中間的為負(fù)值，理論線兩側(cè)的為正值。右側(cè)面差值如圖9所示，可以看出右側(cè)面均為負(fù)值，即均處于收縮狀態(tài)，且由內(nèi)弧面向外弧面收縮趨勢逐漸增大。仿真所得右側(cè)面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值為1.60 mm，實(shí)驗(yàn)所得右側(cè)面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值為1.83 mm，仿真誤差12%。左側(cè)面差值如圖10所示，可以看出實(shí)驗(yàn)7#和8#位置為擴(kuò)張段，9#～11#位置為收縮段，仿真所得左側(cè)面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值為1.74 mm，實(shí)驗(yàn)所得左側(cè)面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值為1.98 mm，仿真誤差12%。仿真所得差值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，誤差較小，可以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行截面的優(yōu)化。

圖9 右側(cè)面各標(biāo)記點(diǎn)距離理論線差值

圖10 左側(cè)面各標(biāo)記點(diǎn)距離理論線差值

4 截面優(yōu)化

4.1 方案設(shè)計

本文基于繞彎工藝，通過改善工件截面結(jié)構(gòu)使繞彎成形后截面寬度及側(cè)面保持較好的狀態(tài)。根據(jù)圖8可以看出，由于壁厚較薄、強(qiáng)度較低，在成形后出現(xiàn)立筋向內(nèi)傾斜的趨勢，因此，設(shè)計以下4種方案進(jìn)行改進(jìn)。方案1：將壁厚增大為2.5 mm。方案2：將壁厚增大為3.5 mm，目的是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度防止立筋倒塌。方案3：在工件左側(cè)面增加矩形凸臺。方案4：在工件兩側(cè)面增加矩形凸臺，目的是將壓塊開槽包住凸臺，通過壓塊對凸臺限位，進(jìn)而限制立筋向內(nèi)側(cè)倒塌，不同方案的截面形狀如圖11所示。

圖11 不同方案截面形狀

4.2 不同方案仿真結(jié)果分析

圖12為右側(cè)面不同方案各標(biāo)記點(diǎn)距離理論線的差值，可以看出，方案1和方案2加強(qiáng)壁厚的方式，強(qiáng)度提高較弱，不能抵抗立筋倒塌。方案3在左側(cè)增加凸臺，只對左側(cè)立筋起作用，對右側(cè)作用甚小，差值相對原始方案基本無變化。方案4通過兩側(cè)凸臺限制立筋的方式能夠有效減小右側(cè)面向內(nèi)倒塌的趨勢，差值由原始方案的1.60 mm減小為0.90 mm。

圖12 右側(cè)面不同方案各標(biāo)記點(diǎn)距離理論線差值

圖13為左側(cè)面不同方案對應(yīng)的差值： 標(biāo)記點(diǎn)7為擴(kuò)張最大點(diǎn)， 可以看出方案2和方案4擴(kuò)張值最小， 數(shù)值為0.25 mm； 標(biāo)記點(diǎn)11為收縮最大點(diǎn)， 可以看出方案3和方案4收縮值最小數(shù)值為0.23 mm。

圖13 左側(cè)面不同方案各標(biāo)記點(diǎn)距離理論線差值

圖14為不同方案左側(cè)面及右側(cè)面寬度差，可以看到采用方案4時，對兩側(cè)面寬度差均能較好地控制。右側(cè)面寬度差由1.60 mm減小為0.90 mm，左側(cè)面寬度差由1.74 mm減小為0.50 mm。

圖14 不同方案左側(cè)面及右側(cè)面寬度差

綜合分析兩側(cè)面的擴(kuò)張值、收縮值、寬度差，可以確定方案4為最優(yōu)結(jié)果，證明通過在截面兩側(cè)增加凸臺能夠有效控制繞彎成形后的截面狀態(tài)。

4.3 仿真驗(yàn)證方案可行性分析

工件按方案4優(yōu)化后驗(yàn)證成形可行性，圖15為仿真所得電池殼邊框截面形狀，圖16為電池殼邊框成形區(qū)最大主應(yīng)變分布，可以看到凸臺受模具作用輕微變形，側(cè)面立筋倒塌趨勢明顯減弱，工件外弧面及內(nèi)弧面寬度變化均比原始方案小，有效改善了工件的成形性。工件凸臺位置最大主應(yīng)變?yōu)?.21，未超過材料延伸率，無拉裂風(fēng)險，證明了方案的可行性。

圖15 方案4仿真所得電池殼邊框截面形狀

圖16 電池殼邊框成形區(qū)最大主應(yīng)變

質(zhì)量控制方面，不同方案成形工件質(zhì)量情況如表1所示，可以看到，與其他方案相比，方案4增加壁厚的方式能夠大大減小產(chǎn)品質(zhì)量，且增加凸臺后產(chǎn)品質(zhì)量相對于原始方案僅增加了1.8%，但成形工藝性明顯提高，同時滿足了成形質(zhì)量和產(chǎn)品輕量化兩方面的要求。

表1 不同方案產(chǎn)品質(zhì)量

在汽車零部件輕量化背景下，針對此類空心件產(chǎn)品，本文用以提高成形工藝性的截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路有較好的借鑒意義。

5 結(jié) 論

1)通過仿真能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)際繞彎成形后工件的狀態(tài)，成弧半徑值仿真與實(shí)際誤差6.7%，包角值仿真與實(shí)際誤差0.5%，回彈角值仿真與實(shí)際誤差11%。

2)通過增加工件壁厚的方式進(jìn)行繞彎成形，立筋不能夠抵抗成形過程中向內(nèi)倒塌的趨勢，截面畸變改善不明顯。

3)優(yōu)化方案合理有效。通過在工件兩側(cè)增加凸臺優(yōu)化截面結(jié)構(gòu)，有效限制了工件立筋向內(nèi)倒塌變形，工件成形后截面尺寸得到有效的控制，凸臺強(qiáng)度滿足成形工藝。在8%的增重比約束范圍內(nèi)，優(yōu)化方案增重1.8%，即明顯提升了工件的成形工藝性。