耐腐蝕性鋁合金復(fù)雜型面的多點(diǎn)成形研究

王洪波，王超宇，劉一飛，劉曉莉，付文智，李明哲

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 511464； 2.吉林大學(xué) 輥鍛所，吉林 長春 130022)

板料傳統(tǒng)成形方式依賴于模具的生產(chǎn)制造，板料成形精度的控制完全依賴于生產(chǎn)設(shè)計(jì)模具人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)成形后出現(xiàn)的各種缺陷無法快速調(diào)節(jié)，對(duì)由于大變形量復(fù)雜曲面的板料成形的回彈無法保證其一次成形達(dá)到目標(biāo)型面要求。柔性多點(diǎn)成形[1-4]是相對(duì)于傳統(tǒng)板料成形方式的重大突破,基于離散化思想，將傳統(tǒng)模具型面離散成單獨(dú)的單元體，通過單元體的組合形成包絡(luò)面來代替整體模具，縮短了整體模具的生產(chǎn)和調(diào)試周期，極大提高了生產(chǎn)效率，適用于復(fù)雜型面的板料成形，可以滿足市場小批量、個(gè)性化的要求。通過使用有限元軟件ABAQUS對(duì)耐腐蝕性鋁合金復(fù)雜曲面進(jìn)行了多點(diǎn)成形數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，分析了復(fù)雜曲面件多點(diǎn)成形模具型面構(gòu)造的可操作性以及在下壓和卸載之后的表面情況。

1 模型建立及準(zhǔn)備

1.1 材料參數(shù)

采用耐腐蝕性鋁合金[5-7]和聚氨酯彈性墊作為實(shí)驗(yàn)材料。耐腐蝕性鋁合金強(qiáng)度較高、密度較小，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)大型化、輕量化的需求，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：6.2%Mg、0.85%Mn、0.4%Fe、0.35%Si、0.12%Zn、0.017%Zr、0.012%Cu和余量Al。材料的性能參數(shù)見表1。

表1 耐腐蝕性鋁合金和聚氨酯材料性能參數(shù)Table 1 Parameters of corrosion-resistant aluminum alloy and polyurethane materials

1.2 有限元模型

所要成形的零件為不規(guī)則三維復(fù)雜曲面，目標(biāo)曲面形狀如圖1所示。

圖1 目標(biāo)件形狀Fig.1 Target shape

為了更好對(duì)此目標(biāo)件進(jìn)行多點(diǎn)成形過程數(shù)值模擬，在板料加載過程中選用動(dòng)態(tài)顯式算法[8]來提高計(jì)算效率，在卸載過程中選用靜態(tài)隱式算法來保證計(jì)算精度。圖2所示為在ABAQUS中建立的多點(diǎn)成形總裝配模型，圖中上部和下部虛影部分為多點(diǎn)模具，中部為兩塊聚氨酯彈性墊夾板料。板料為梯形板料，下底為630 mm，上底為500 mm，高為770 mm，板料厚為4 mm。彈性墊的形狀為矩形，尺寸為850 mm×750 mm，厚為10 mm。多點(diǎn)模具形面尺寸為700 mm×800 mm，基本體單元為10 mm×10 mm，沖頭半徑為10 mm。

圖2 多點(diǎn)成形總裝配模型Fig.2 Multi-point forming general assembly model

1.3 接觸條件、邊界條件及載荷

在成形過程中主要是板料、模具和彈性墊三者之間相互接觸。接觸屬性選用罰函數(shù)，使模型得到良好的力學(xué)約束，以便能得到更加精確的收斂解。摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15，法向采用硬接觸。

在多點(diǎn)成形過程中，使下模被完全固定，上模沿移動(dòng)方向的平移自由度不受限制,在其他方向的平移和旋轉(zhuǎn)受到限制。金屬板和彈性墊沒有約束和限制,金屬板和模具的相對(duì)位置需要對(duì)齊。在實(shí)際成形過程中有時(shí)間-位移加載和時(shí)間-壓力加載兩種方式。此次模擬采用時(shí)間-位移加載方式來實(shí)現(xiàn)，成形過程基于彈性墊20%的壓縮進(jìn)行加工。

1.4 單元類型及網(wǎng)格劃分

在模擬中，為了簡化模型，僅保留多點(diǎn)沖頭的球冠部分作為剛體創(chuàng)建模型，多點(diǎn)模具采用R3D4(四結(jié)點(diǎn)三維雙線性剛性四邊形)單元類型的自由化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。板料和聚氨酯彈性墊均采用C3D8R(八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元)實(shí)體單元類型的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。

1.5 回彈模型的建立

在進(jìn)行回彈建模時(shí)，只保留壓力成形后的板料作為初始狀態(tài)，使板料的彈性變形部分得到充分釋放，但是為了避免板料在空間內(nèi)無限運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)板料進(jìn)行一定約束，以得到良好的分析結(jié)果。此次計(jì)算采用靜態(tài)隱式算法進(jìn)行回彈分析，采用整體模型進(jìn)行計(jì)算，選擇三個(gè)連線約成直角且在非應(yīng)力集中區(qū)的約束點(diǎn)約束板料的無限運(yùn)動(dòng)。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 成形件應(yīng)力、應(yīng)變分析

圖3為成形件回彈前后的應(yīng)力、應(yīng)變云圖。對(duì)比圖3a和圖3c可以看出，由于板材在成形時(shí)存在彈性變形，其壓力卸載后彈性變形部分回復(fù)，其殘余應(yīng)力數(shù)值的分布范圍減小，且應(yīng)力的分布明顯更加均勻，在邊角等變形量較小處回彈更加明顯。從圖3b和圖3d下壓和回彈之后的應(yīng)變云圖可以看出，在板料的中部和邊緣區(qū)域出現(xiàn)輕微的應(yīng)變不連續(xù)現(xiàn)象，說明板料在成形后存在明顯的表面缺陷。

圖3 成形件回彈前后應(yīng)力、應(yīng)變云圖Fig.3 Stress and strain nephogram of the formed part before and after springback

2.2 成形件回彈量分析

圖4為成形目標(biāo)件回彈前后的輪廓對(duì)比圖，其中黑色網(wǎng)格為回彈前部件輪廓圖。由圖4可知，目標(biāo)件為不規(guī)則扭曲件，在卸載回彈時(shí)其回彈過程復(fù)雜，各結(jié)點(diǎn)位置的回彈方向都不同，在端點(diǎn)處回彈最為明顯。

圖4 回彈前后輪廓對(duì)比圖Fig.4 Contrast of contours before and after rebound

圖5為成形件中線處的法向高度曲線，圖中a-a′為中線處的取值路徑，X軸表示從a點(diǎn)到a′點(diǎn)的距離，Y軸表示各點(diǎn)在垂直方向上的高度值?？梢园l(fā)現(xiàn)，此成形件在卸載后回彈較大，且各點(diǎn)的回彈量均不相同，在中線端點(diǎn)處的最大回彈量達(dá)到7.20 mm，回彈前、后形狀差別較大，且由于此成形件為三維不規(guī)則曲面，在各個(gè)方向、各個(gè)結(jié)點(diǎn)的曲率都不同，其在中線上表現(xiàn)出不平滑的趨勢。通過對(duì)比此類曲面，在使用多點(diǎn)模具成形方式對(duì)大變形量三維不規(guī)則扭曲件進(jìn)行壓制時(shí)，多點(diǎn)成形方式能夠?qū)崿F(xiàn)此類曲面的成形，對(duì)此類曲面的成形具有通用性；但是由于大變形量復(fù)雜曲面的成形，板料會(huì)出現(xiàn)明顯的回彈現(xiàn)象，且成形表面會(huì)出現(xiàn)壓痕、起皺等表面缺陷，無法完全滿足目標(biāo)件的成形精度要求。后期可通過調(diào)整模具型面進(jìn)行補(bǔ)償和改變成形路徑進(jìn)行成形。

圖5 成形件沿法向方向的位置Fig.5 The position of the formed part along the normal direction

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用多點(diǎn)設(shè)備對(duì)此復(fù)雜型面進(jìn)行成形，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)所用板料為耐腐蝕性鋁合金，彈性墊為聚氨酯材料，多點(diǎn)沖頭個(gè)數(shù)和模具型面等參數(shù)與模擬所用各參數(shù)設(shè)置相同。

圖6 多點(diǎn)設(shè)備成形圖Fig.6 Forming diagram of multi-point equipment

為了將所得實(shí)驗(yàn)件與目標(biāo)件進(jìn)行對(duì)比，成形后對(duì)所得實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行激光掃描，如圖7所示。將掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到逆向軟件中與目標(biāo)件進(jìn)行對(duì)比，得到誤差云圖如圖8所示。通過誤差云圖分析可得，板料整體誤差云圖分布不均勻，出現(xiàn)誤差不連續(xù)的現(xiàn)象，在板料上表現(xiàn)出輕微的壓痕起皺。板料整體在中部區(qū)域回彈量較小，在端部和端點(diǎn)區(qū)域表現(xiàn)出較大回彈量，其誤差分布與模擬分布相吻合；整體板料正向回彈最大值為2.13 mm，反向回彈最大值為1.83 mm，其差值為3.96 mm，實(shí)驗(yàn)所得成形件的回彈量小于模擬所得的，說明在實(shí)際成形耐腐蝕性鋁合金復(fù)雜曲面時(shí)多點(diǎn)成形精度較高，對(duì)以后成形復(fù)雜曲面提供一定的理論支持。

圖8 誤差云圖Fig.8 Error cloud map

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)分析可知，多點(diǎn)成形技術(shù)能夠滿足對(duì)耐腐蝕性鋁合金復(fù)雜曲面的成形要求，且實(shí)際成形精度較模擬結(jié)果更高，具有良好的成形效果；但是同樣在成形過程中存在輕微的壓痕、起皺缺陷，通過數(shù)值模擬可以對(duì)成形缺陷做出相應(yīng)的預(yù)測，操作人員可以通過型面補(bǔ)償來滿足目標(biāo)件的成形需求，且可通過改變成形路徑來優(yōu)化成形結(jié)果，以此來指導(dǎo)生產(chǎn)進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。

4 結(jié) 論

通過以上對(duì)耐腐蝕性鋁合金三維不規(guī)則曲面進(jìn)行多點(diǎn)成形模擬和實(shí)驗(yàn)可以得出：

1)對(duì)于此類大變形不規(guī)則曲面進(jìn)行多點(diǎn)成形，成形設(shè)備可以很好地構(gòu)造出上下模具的包絡(luò)面并能成功完成壓制，多點(diǎn)柔性成形方式對(duì)于此類型面具有很大的兼容性，拓寬了多點(diǎn)成形技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用范圍，且實(shí)驗(yàn)成形精度較模擬精度更高，可以實(shí)現(xiàn)大變形復(fù)雜曲面的簡單成形，對(duì)此類部件的實(shí)際應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

2)多點(diǎn)成形后的復(fù)雜曲面在中線的端點(diǎn)處表現(xiàn)出較大回彈，且在此類成形件表面容易出現(xiàn)輕微的壓痕、起皺缺陷，對(duì)于精度要求較高的產(chǎn)品無法通過一次成形達(dá)到使用要求。后續(xù)可通過對(duì)型面進(jìn)行優(yōu)化或者設(shè)計(jì)成形路徑直接調(diào)節(jié)多點(diǎn)模具型面進(jìn)行壓制，使成形件達(dá)到更高的使用要求。