劉迪輝，李 顯，鄭方博，王銀茂，孫衛(wèi)東，張志勇

（1.汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室（湖南大學(xué)），長沙410082；2.江蘇鐵錨玻璃股份有限公司，江蘇海安226600）

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型材截面幾何特征對繞彎成形翹曲的影響

劉迪輝1，李 顯1，鄭方博1，王銀茂2，孫衛(wèi)東2，張志勇2

（1.汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室（湖南大學(xué)），長沙410082；2.江蘇鐵錨玻璃股份有限公司，江蘇海安226600）

摘 要：為提高鋁合金型材繞彎成形后彎曲件的尺寸精度，運用仿真分析的方法研究了在繞彎成形過程中截面幾何特征對豎直壁型材成形翹曲的影響.改變具有豎直壁結(jié)構(gòu)型材的截面幾何特征，得到不同型材的成形結(jié)果并進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明：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；增加內(nèi)側(cè)特征能夠顯著減小翹曲.該研究結(jié)果可以指導(dǎo)型材截面設(shè)計，減少成形的難度.

關(guān)鍵詞：繞彎成形；數(shù)值模擬；截面幾何特征；翹曲

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，是未來工業(yè)的發(fā)展趨勢.鋁合金材料密度小，代替鋼鐵結(jié)構(gòu)后，能顯著減輕同體積結(jié)構(gòu)質(zhì)量.窗框類零件、框架式機(jī)構(gòu)等生產(chǎn)過程中，需要對鋁合金型材進(jìn)行彎曲工藝處理.常規(guī)彎曲工藝主要分為依靠工模具形狀成形和運動成形兩大類［1］.繞彎成型是一種依靠工模具形狀成形的加工方式，具有質(zhì)量好、效率高、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是一種比較典型的彎曲工藝［2－3］.國內(nèi)外學(xué)者都對彎曲成形中的截面畸變、翹曲等情況進(jìn)行了研究. 國外，Utsumi等［4］發(fā)現(xiàn)通過在矩形管中間添加加強筋可以有效減小截面畸變，提高成形極限；Megharbel等［5］對硬化材料管材繞彎后發(fā)現(xiàn)，材料的硬化性能對管材的回彈有很大影響.國內(nèi)，劉郁麗、楊合等［6－8］通過建立三維有限元模型對薄壁矩形管繞彎成形進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了薄壁矩形管在繞彎成形中的失穩(wěn)起皺預(yù)測準(zhǔn)則；刁可山等［9］運用仿真技術(shù)研究了彎曲過程中摩擦系數(shù)、截面變形剛度等對型材回彈以及截面變形的影響；劉志文、賈美慧、王修坤等［10－12］研究了各主要工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響，有效減小了管材截面畸變等成形問題.然而，這些研究的對象主要是不同口徑的圓管和方管，對異型鋁合金型材研究較少，對窗框類型材更是鮮有報道.

因此，本文將對幾種不同型面幾何特征的鋁合金窗框類型材繞彎后的翹曲變形情況進(jìn)行研究，分析其幾何特征對繞彎成形翹曲的影響，獲得翹曲變形的規(guī)律，對鋁合金型材設(shè)計，提高成形質(zhì)量都具有重要意義.

1 型材繞彎變形模式

在窗框類鋁合金型材中，很多具有豎直壁結(jié)構(gòu)特征，該類型材的成形過程與常見圓管和方管的繞彎成形類似［13－14］.其成形模具主要由主模、夾緊模和滑動模3部分組成，如圖1所示.繞彎成形時，型材位于三者中間，夾緊模與主模一起夾緊型材后繞主模中心做旋轉(zhuǎn)運動，滑動模隨型材做直線運動，提供壓力和摩擦力.

實際生產(chǎn)過程中，在未卸載時，部分具有豎直壁結(jié)構(gòu)特征的型材彎曲成形后會出現(xiàn)彎曲部分無法貼緊主模的情況，也就是型材出現(xiàn)翹曲，如圖2所示.這是由于在彎曲過程中，非對稱截面型材彎曲力作用點不易通過其截面的彎心，此時，型材除發(fā)生彎曲外還伴隨有扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象［15］.翹曲主要由型材截面幾何特征決定，設(shè)計不合理將會導(dǎo)致生產(chǎn)件不合格，需要增加整形工序才能滿足生產(chǎn)要求，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下.因此，希望通過對型面幾何特征進(jìn)行分析，找出其成形規(guī)律，改善成形結(jié)果.下面采用仿真分析的方法，研究型材截面幾何特征對翹曲的影響.

圖1 繞彎模具

圖2 成形件

2 繞彎成形仿真方法

2．1 材料模型

模擬所用材料為某地鐵窗框6063鋁合金型材.通過單向拉伸試驗和彎曲試驗（沿型材長度方向通過線切割獲取標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣如圖3所示）獲得了該材料的基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如表1所示.

圖3 試樣取樣方式

表1 型材基本力學(xué)性能參數(shù)

材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系可用冪指數(shù)形式表示為

式中：σ－為等效應(yīng)力；ε－為等效應(yīng)變.

2．2 有限元模型

本文運用LS－DYNA軟件建立了繞彎成形主模、夾緊模、滑動模以及型材的三維有限元模型，如圖4所示.其中，型材采用各向同性塑性18號材料模型，網(wǎng)格大小近似為1 mm×1 mm×5 mm，八節(jié)點六面體單元；模具則均定義為剛體殼單元，網(wǎng)格大小近似為10 mm×20 mm，四節(jié)點四邊形殼單元.模具表面和型材表面的接觸，采用軟件中的自動面與面接觸方式（automatic surface to sur?face），摩擦系數(shù)為0.15.型材總長度為550 mm，夾緊模和滑動模的長度分別為120、300 mm.在主模與滑動模之間添加約束，使二者固定在一起繞主模中心做旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)動角度為90°.

圖4 繞彎成形三維有限元模型

2．3 有限元模型的可靠性驗證

選取某一截面的型材進(jìn)行繞彎成形實驗，得到如圖5（a）所示的實驗結(jié)果.應(yīng)用本文所建立的有限元模型對該截面型材繞彎成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5（b）所示.

圖5 有限元模型的可靠性驗證

對比圖5（a）和（b）可知：模擬結(jié)果和實驗結(jié)果吻合良好，說明本文所建立的該類型鋁合金型材繞彎成形過程有限元模型是可靠的.

3 截面幾何特征描述與變形結(jié)果描述方法

以型材的豎直壁結(jié)構(gòu)作為參照，可以將型材型面幾何特征大致分為外側(cè)特征和內(nèi)側(cè)特征.從同一方向觀察，當(dāng)幾何特征位于主模和直壁同側(cè)時，稱該幾何特征為外側(cè)特征；位于異側(cè)時，稱為內(nèi)側(cè)特征.其中，單側(cè)特征又可細(xì)分為簡單橫向特征和復(fù)雜橫向特征.

不同的型面幾何特征，會對成形結(jié)果造成不同的影響，本文主要通過分析幾種簡化基礎(chǔ)模型來研究不同型面幾何特征對型材成形翹曲變形的影響.文中所述簡單橫向特征是指在型材豎直壁的一端增加單一的橫向特征，如圖6所示.其中，橫向特征的長度用L表示.當(dāng)型材具有不止1個橫向特征時，這些幾何特征組合在一起就構(gòu)成了復(fù)雜橫向特征，例如在豎直壁中間位置處增加一個長度為L的橫向特征，如圖7所示.

圖6 簡單橫向特征模型

圖7 復(fù)雜橫向特征模型

一般通過型材與主模的貼合程度來判定成形件的翹曲變形程度，本文所采用模型未涉及加載和卸載的步驟，無需考慮回彈對貼合度的影響.成形后，用起彎面繞主模旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)α度得到的平面截取成形件彎曲部分，如圖8所示，得到角度位置為α的成形截面，將直壁中心線上單元與豎直線所成最大角度θ定義為成形貼合度，如圖9所示.其中，虛線和實線分別代表成形前后同一位置處的截面，成形后橫向特征與豎直壁所成角度無明顯變化.為了便于比較，角度均取絕對值.

圖8 截面的定義

圖9 翹曲變形的定義

4 模擬結(jié)果及分析

4．1 簡單橫向特征對成形結(jié)果的影響

為了得到同一型材繞彎后的翹曲變形情況，選取簡單橫向特征L＝25 mm的型材.繞彎后，從起彎面到90°，每隔15°取截面，其單個截面變形情況如圖10所示.由圖10可知：變形角θ在區(qū)間0°～45°逐漸增大，區(qū)間45°～90°逐漸減小，在45°附近達(dá)到峰值；以45°為對稱中心，可以看出在區(qū)間0°～45° 內(nèi)θ值相對較大.說明在區(qū)間0°～90°內(nèi)，翹曲變形逐漸增大，45°附近達(dá)到最大，之后逐漸減小，且區(qū)間0°～45°內(nèi)翹曲變形較區(qū)間45°～90°嚴(yán)重.

圖10 簡單橫向特征對θ的影響

改變簡單橫向特征的長度，在L＝25 mm型材的基礎(chǔ)上以豎直壁為中心對稱添加簡單橫向特征，可以得到不同型材的變形情況，如圖11所示.由圖11可知，變形角θ隨著L的增加而增加，并且對稱添加簡單橫向特征后，θ的值明顯減小.這說明隨著單側(cè)簡單橫向特征長度的增加，成形件的翹曲變形情況越來越嚴(yán)重，而當(dāng)簡單橫向特征的對稱性增加時，翹曲變形情況明顯好轉(zhuǎn).這是由于當(dāng)型材上下兩端具有不同的橫向特征，豎直壁受到壓應(yīng)力的作用時，就會導(dǎo)致豎直壁薄弱部分向外擴(kuò)散，類似于起皺現(xiàn)象.

圖11 不同簡單橫向特征對θ的影響

4．2 外側(cè)復(fù)雜橫向特征對成形結(jié)果的影響

復(fù)雜橫向特征是指型材豎直壁單側(cè)有不止一個橫向特征.以L＝25 mm型材為基礎(chǔ)模型，增加外側(cè)橫向特征，分析外側(cè)復(fù)雜橫向特征對成形的影響.復(fù)雜橫向特征模型有：在直壁中間添加橫向特征、直壁頂端添加橫向特征以及中間和頂端同時添加橫向特征，對應(yīng)的編號分別為A、B和C，如圖12所示.

圖12 復(fù)雜橫向特征模型

成形后，型材截面翹曲變形情況如圖13所示.由圖13可知，相對于L型材，A號型材在各個截面處的變形角與之基本相同，B號型材變形角有所減小，C號型材變形角最小.這說明單一添加中間橫向特征對翹曲變形結(jié)果影響不大，單一添加頂端橫向特征對翹曲變形結(jié)果有所改善，同時添加中間和頂端橫向特征對翹曲變形結(jié)果有明顯改善.

圖13 不同外側(cè)復(fù)雜橫向特征對θ的影響

4．3 內(nèi)外側(cè)幾何特征對成形結(jié)果影響對比

選取成形后翹曲變形比較明顯的L型材和A號型材，將其外部特征對稱移動到直壁內(nèi)側(cè)，進(jìn)行成形分析，翹曲變形情況如圖14、圖15所示.由圖14、圖15可知，L型材和A號型材的外部特征對稱移動到內(nèi)側(cè)后，θ值明顯減小.這說明，內(nèi)部特征有利于減小直壁特征在繞彎成形中的翹曲變形.這是因為當(dāng)增加內(nèi)側(cè)特征時，將會改變成形后直壁特征處的應(yīng)力狀態(tài)，即由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，當(dāng)直壁處的應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力時，成形后翹曲變形就會得到顯著改善.

圖14 L型材對應(yīng)內(nèi)外側(cè)特征對θ的影響

圖15 A號型材對應(yīng)內(nèi)外側(cè)特征對θ的影響

5 結(jié) 論

1）直壁型材繞彎翹曲變形隨著外側(cè)底部橫向特征的增大而增大，同一型材繞彎翹曲變形存在不對稱性，且不同型面的不對稱性不具有統(tǒng)一性.

2）合理分布外側(cè)橫向特征有助于減小成形翹曲變形，單獨在中間位置處加筋對翹曲變形影響不大，對稱增加橫向特征時能夠減小翹曲變形.

3）繞彎成形時，內(nèi)側(cè)特征可以改變直壁特征處的應(yīng)力狀態(tài)，有助于達(dá)到減小翹曲變形的效果.

4）合理設(shè)計型材截面，使得成形過程中中性層位于直壁處，能夠較好地解決直壁件在成形過程中出現(xiàn)的翹曲變形問題.

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（編輯 程利冬）

Effect of cross section geometric features on warp in rotary draw bending process

LIU Dihui1，LI Xian1，ZHENG Fangbo1，WANG Yinmao2，SUN Weidong2，ZHANG Zhiyong2
（1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body（Hunan University），Changsha 410082，China；2.Jiangsu Tiemao Glass Company Limited，Hai′an 226600，China）

Abstract：To enhance the dimension precision of bending parts，the influence of cross section geometric features on the warp of vertical wall profiles in bending process was studied by theoretical analysis. Forming results were obtained and compared with each other after vertical wall profiles of different cross section geometric features were analysed. The results show that increasing the symmetry of horizontal features outside of vertical wall profiles can be helpful to reducing warping deformation，and increasing features inside can reduce warp effectively. According to the results，cross section geometric features can be guided and the complexity of bending process can be decreased.

Keywords：rotary draw bending process；numerical simulation；cross section geometric features；warp

通信作者：劉迪輝，E?mail：dihuiliu＠163.com.

作者簡介：劉迪輝（1975—），男，博士，副教授.

收稿日期：2015－09－01.

doi：10.11951／j.issn.1005－0299.20160105

中圖分類號：TG386

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005－0299（2016）01－0033－05