变截面型材拉弯成形工艺仿真与优化_金妍.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023变截面型材拉弯成形工艺仿真与优化金 妍,杜建宁,崔 丽,王金权,王鑫宇,关志彬(沈阳飞机工业(集团)有限公司,辽宁 沈阳 110034)摘要:根据 7075 铝合金变截面缘条零件的特征建立有限元仿真模型,研究变曲率型材成形过程中的各项工艺参数对零件拉弯成形时所产生的起皱和回弹等表面质量问题的影响。在等截面与变截面的不同条件下的拉弯仿真工艺参数的选择,会直接影响成形结果。加大拉紧力,可以有效解决拉弯后零件的起皱现象;在相同拉紧力下,减小型材宽度,可以避免型材断裂的问题。增加包覆角度,可以降低拉弯后零件的回弹量,也可以使零件卸载后的相对于模具的位移缩短。工艺仿真与工艺参数的优化可以解决拉弯后零件的起皱和回弹现象,并通过工艺试验对仿真后的结果进行工艺验证。关键词:7075 铝合金;变截面型材;拉弯;起皱;回弹DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.012中图分类号:TG394 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0088-07Simulation and optimization on stretch bending process for variable cross-section profileJin Yan,Du Jianning,Cui Li,Wang Jinquan,Wang Xinyu,Guan Zhibin(AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110034,China)Abstract:The finite element simulation model was established by the characteristics of 7075 aluminum alloy variable cross section edge strip parts,and the influences of various process parameter in the forming process of variable cross-section profile on the surface quality problems of wrinkling and springback generated during the stretch bending of parts were studied.The selection of stretch bending simula-tion process parameters under different conditions of equal and variable cross-sections directly affected the forming results.And increasing the tensile force could effectively solve the wrinkling phenomenon of parts after stretch bending.Under the same tensile force,reducing the width of profile could avoid the problem of profile breakage,and increasing the cladding angle could reduce the amount of springback of part after stretch bending and shorten the displacement relative to the die after the part was unloaded.The process simulation and the opti-mization of process parameters can solve the wrinkling and springback phenomena of parts after stretch bending,and the process verifica-tion of simulation results is carried out by the process tests.Key words:7075 alminum alloy;variable cross-section profile;stretch bending;wrinkling;springback收稿日期:2022-05-15;修订日期:2022-08-25作者简介:金 妍(1978-),女,学士,高级工程师E-mail:584496540 拉弯成形技术在制造业中是一种常见的加工方式,特别是在汽车、火车轨道、大飞机等领域运用广泛,飞机缘条、汽车的行李架、车顶弯梁等零部件也是通过拉弯工艺生产的。如何提高型材拉弯成形的精度、降低制造成本是目前需要解决的主要技术难点1-3。生产此类零件一般具有以下特点:(1)加工精度要求高;(2)纵向尺寸大,成形复杂的型材;(3)弯曲半径大。由于所加工的型材一般均为空心薄壁型部件,这类型材在拉弯过程中容易出现一定的成形缺陷问题,比如拉弯后会出现截面畸变、坍塌、破裂和回弹等缺陷形式。尤其是在加工过程中,铝型材在拉弯卸载后其内应力释放出现的回弹现象会造成成形后的零部件的形状发生改变,从而导致加工后型材产品的精度不达标,影响零件的正常使用。因此,复杂截面型材的精度控制是制造此类零件的关键技术4-6。航空飞机缘条零件位于机身后段,主要作用是加强机身强度、支撑蒙皮内表面,由于机身设计的结构曲线型性需求,缘条零件多呈变角度变截面特性,加之与蒙皮内表面的装配间隙精度高,公差需控制在 0.5 mm 之内的要求,研究此类零件的材料及成形工艺性具有重要意义。本文所研究零件为某型飞机变截面 7075 铝合金加强缘条,当前存在的工艺问题为:成形后零件腹板起皱、回弹严重,导致人工敲修量大,生产效率低,严重制约了飞机型号批产7。因此,采用模拟仿真与工艺试验相结合的方法,通过优化工艺参数,消除零件起皱、减小回弹,从而减少人工敲修量,提高生产效率8。本文分别研究了等截面、变截面型材拉弯工艺,分析了载荷(对应拉伸量)、坯料尺寸、包覆角度等对零件起皱及回弹的影响规律9,获得了优化的工艺参数,并通过工艺试验实现了零件成形,消除了起皱缺陷,减小了回弹10-12。1 等截面型材拉弯成形1.1 等截面型材拉弯仿真1.1.1 仿真参数设定使用原数模的仿真模型及参数设定,如图 1 所示。型材的截面角度为 90,拉紧力为屈服强度截面积=86 MPa140 mm1.8 mm=21672 N。设定拉紧力为 22000 N、包覆角度为 100。1.1.2 仿真试验结果拉弯仿真后结果如图 2 所示。通过仿真结果可以看出,使用原有数模进行等截面型材拉弯时,由图 1 使用原数模的等截面仿真模型Fig.1 Equal cross-section simulation model using original digital model于下模具的限制,使得型材无法顺利嵌入模具间隙,无法流料,弓起现象严重。1.2 等截面型材拉弯试验为验证等截面型材的拉弯仿真结果,进行了等截面型材拉弯试验。型材截面角度为 90,夹钳需先设定拉紧力为 10 kN,以使型材拉直,并嵌入上、下模间隙中。可以看出,由于下模形状的限制,使得截面角度为 90的等截面型材难以嵌入模具间隙,且嵌入时型材内侧与间隙将呈一定角度,导致流料困难,需要人为进行嵌入。拉弯后的型材贴模状态如图 3所示。图 2 使用原数模的等截面型材拉弯仿真结果(a)及放大图(b)Fig.2 Simulation result(a)and enlarged view(b)of stretch bending for equal cross-section profile using original digital model图 3 等截面型材嵌入(a)与拉弯(b)过程Fig.3 Embedding(a)and stretch bending(b)processes of equal cross-section profiles 可以看出,使用当前模具时,等截面型材在拉弯过程中的贴模效果十分不理想,弓起现象十分严重,无法进行贴模,且在补拉时型材在钳口附近断裂。拉弯后的零件及断裂位置如图 4 所示。98第 3 期金 妍等:变截面型材拉弯成形仿真与工艺优化 图 4 拉弯后零件(a)和断裂位置(b)Fig.4 Part(a)and fracture position(b)after stretch bending2 变截面型材拉弯由于等截面型材拉弯在当前试验条件下无法实现,因此,考虑使用变截面型材进行拉弯成形,通过仿真与试验研究各种工艺参数对拉弯过程和零件最终状态的影响规律。2.1 工艺加工方案的改进改进后的工艺方案如图 5 所示。通过 3 段闸压,将板材闸压为变截面型材,在 O 态下进行预拉弯,使型材大概贴模至 1 个角度,约为 90,然后进行固溶热处理,在 W 态进行二次拉弯完全贴模,通过敲修模进行敲修,然后通过检验模进行检验,最后铣削交付。图 5 改进的工艺方案Fig.5 Improved process scheme2.2 拉紧力对成形结果的影响规律2.2.1 不同拉紧力下的拉弯仿真考虑对下模具进行调整,将外侧延伸部分改为在下模具法向的曲面,调整后的仿真模型如图 6图 6 下模调整后的仿真模型Fig.6 Simulation model after lower die adjustment所示,以下模具法向为 y 轴,垂直于下模具法向为x 轴。分别使用 35、42 和 50 kN 这 3 种拉紧力进行仿真,研究拉紧力对零件起皱等缺陷的影响规律。拉紧力为 35、42 和 50 kN 的等效应变仿真结果如图 7 所示。在型材宽度为 140 mm 条件下,使用 3种拉紧力拉弯后,零件最内侧和最外侧的塑性应变曲线如图 8 所示。通过仿真结果可以看出,提高拉紧力可以有效优化拉弯后零件的起皱现象,但在最外侧的应变量也会对应增加,可能导致拉弯过程中型材出现断裂现象。2.2.2 不同拉紧力下的拉弯试验分别设定拉紧力为 35、42 和 50 kN,进行变截09锻压技术 第 48 卷(a)(b)(c)图 7 不同拉紧力下的拉弯仿真结果(a)35 kN(b)42 kN(c)50 kNFig.7 Simulation results of stretch bending with different tension forces面型材的拉弯试验。从试验结果中可以看出,通过增加拉紧力可以有效优化零件的起皱和弓起问题,但在增加拉紧力时会出现颈缩甚至断裂的情况,与仿真结果对比,增加拉紧力会增加拉弯时型材外侧的应变。因此,考虑通过减小型材外侧宽度来解决增加拉紧力时导致的断裂问题。3 型材宽度对成形结果的影响规律3.1 不同型材宽度的拉弯仿真设定型材宽度为 130 mm 进行仿真试验,并观察结果中型材顶点最外侧附近的应变值,以确定型材宽度对于拉弯过程的影响。不同宽度型材在相同应力的条件下,其最内侧和最外侧应变的仿真结果如图 9 所示。3.2 不同型材宽度的拉弯试验将型材宽度从140 mm 降低至130 mm,保持型材内侧宽度不变,将外侧宽度减少 10 mm,并通过应力计算,将拉紧力设定为 46 kN(对应宽度为 140 mm型材的 50 kN)以研究型材宽度对成形过程的影响,试验结果如图 10 所示。从试验结果中可以看出,通过减少型材宽度,在相同应力下可以避免型材断裂的问题,同时当拉紧力提高到一定程度时(即型材内侧均为拉应变后),继续提