崔建昆，呂嗣孝，鄔華英

上海航菱航空科技發(fā)展有限公司 上海 201404

1 序言

帶網格內腔的鋁合金零件質量輕、強度好，廣泛應用于飛機機身機翼、火箭殼體等。根據帶網格內腔鋁合金零件的特點，滾彎是應用最多的一種成形方法[1]。常規(guī)工藝是先進行板材彎曲，再進行內腔的加工，優(yōu)點是精度高，但是需要使用昂貴的五軸數控加工設備；另外一種方案是先加工網格內腔，再進行零件的滾彎，只需要普通三軸數控機床即可完成加工，但是在滾彎過程中網格處受力不均，容易造成筋條屈曲失穩(wěn)甚至斷裂，蒙皮褶皺。

國內外有許多對帶網格內腔鋁合金零件滾彎成形工藝的研究，劉勁松針對整體填料對網格內腔零件滾彎成形的影響進行探究，發(fā)現填料可以改善受力不均和筋條失穩(wěn)的問題，但是填料加工與固定較為繁瑣，且重復利用率較低[2]；郜陽設計了上下焊接邊結構優(yōu)化的零件，提高了零件滾彎成形后的直線度且減小了殘余應力帶來的變形，但增加優(yōu)化結構后零件質量增大較多[3]。

本文在有限元分析的基礎上，提出在網格內腔零件筋條以及網格四角銑削圓角的新思路，探究優(yōu)化后的結構對帶網格內腔鋁合金零件滾彎成形精度的改善，可為相關航空航天零件的滾彎成形工藝提供參考。

2 零件滾彎成形有限元模型的建立

2.1 有限元分析幾何模型建模與結構優(yōu)化

圖1所示的網格內腔鋁合金零件，外形尺寸約為520mm×260mm，加工網格為等尺寸正方形網格，邊長為100mm，網格內部蒙皮厚度為2.5mm，相鄰網格間筋條厚度為4mm，筋條高度為15mm，焊接邊高度為6mm。

圖1 網格內腔鋁合金零件

在了解網格內腔鋁合金零件在滾彎過程中受力情況的基礎上進行結構優(yōu)化，具體思路為：針對網格內腔鋁合金零件的內部網格，在滾彎加工前在網格四角銑削出半徑為5mm的圓角（見圖2a），并根據網格筋條的厚度，在全部網格筋條頂部銑削出半徑為2mm的倒圓角（見圖2b），改善筋條受力后屈曲變形和零件受力不均的情況。

圖2 網格內腔結構優(yōu)化示意

滾彎成形是通過滾動的輥軸形成三點連續(xù)彎曲，并逐步產生塑性彎曲。網格內腔零件滾彎成形下壓過程如圖3所示，幾何模型尺寸見表1。

圖3 網格內腔零件滾彎成形下壓示意

表1 幾何模型尺寸 （單位：mm）

滾彎設備輥子使用的材料是超高強度合金鋼42GrMo，由于其硬度高、不易變形，故作為剛體處理。鋁合金材料性能見表2[4]。

表2 鋁合金材料性能

2.2 網格劃分與邊界條件設置

有限元分析中網格劃分會對結果產生重要影響，合理的網格劃分既可以減少運算量，又可以最大程度模擬真實變形情況[5]。本文選擇采用C3D8R的六面體網格，網格劃分后的模型如圖4所示。

圖4 網格劃分后的模型

3 零件滾彎成形有限元分析

為分析兩種結構在上輥下壓量相同時的等效應力分布，分別對比上輥下壓結束（即第一步結束）時，以及第三步零件滾彎結束（上輥上升）時兩種結構的等效應力。第一步結束時未優(yōu)化的網格內腔鋁合金零件的應力云圖如圖5a所示，優(yōu)化后的零件應力云圖如圖5b所示。由圖5可知，上輥下壓結束時，零件變形主要集中在兩個下輥之間的部位，其余大部分區(qū)域還未進入塑性變形階段。對比結構優(yōu)化前后的應力，并沿縱向位置測量焊接邊、筋條和蒙皮3處受力的大小，結果如圖6所示。由圖6可知，未優(yōu)化網格內腔零件等效應力均勻性較差，導致變形過程中產生了筋條屈曲、背部棱印等缺陷；優(yōu)化后零件整體應力分布的均勻性提高，避免了筋條屈曲，并改善了背部棱印等缺陷。

圖5 第一步結束后零件應力分布

圖6 零件縱向位置所受應力

當第三步結束時，下輥停止轉動，上輥向上位移，零件應力釋放。由圖7可以看出，相較于未優(yōu)化零件（見圖7a），優(yōu)化后的零件（見圖7b）未出現筋條屈曲開裂、背部棱印等缺陷，蒙皮、筋條和焊接邊3處受力均勻，在滾彎中3處都產生均勻的應變，使優(yōu)化后的零件滾彎半徑和殘余應力分布變得均勻，同時使得零件回彈和回彈后的半徑也更加均勻。

圖7 第三步結束后零件應力分布

4 結束語

網格內腔鋁合金零件滾彎成形時筋條受力不均是筋條屈曲失穩(wěn)、零件背部有棱印的主要原因。筋條結構優(yōu)化后的網格內腔鋁合金零件在滾彎成形時各區(qū)域應力水平接近一致，且在相同下壓量下，優(yōu)化后的零件滾彎成形后彎曲半徑更加均勻，獲得的成形件幾何精度高。