工业型材拉弯成形的数值模拟与工艺参数优化

更新日期：2021-10-29

　　随着航空航天、汽车和高速列车等工业的快速发展，零件大型化、整体化趋势明显，大型型材零件的使用日渐增多，工业型材拉弯主要制造工艺之一的拉弯成形也受到越来越多的关注。型材的截面形状类型多、差异大，不同形状和弯曲尺寸的型材拉弯过程中出现的问题不尽相同，除存在起皱、拉裂和回弹等与板材成形相同的缺陷外，还存在着截面畸变和纵向扭曲等特殊问题，质量控制难度加大。

　　大尺寸中空截面的异型型材在拉弯过程中，因其空心、薄壁、不对称等特点，易出现截面畸变、外缘破裂、卸载回弹和回弹后扭转等问题，成形精度难以保证。有限元数值模拟作为一种先进的成形工艺优化技术，已经在生产实践中得到广泛应用，可以有效缩短生产周期，降低试错法的生产成本，提高加工准确性。采用数值模拟技术对型材拉弯工艺过程进行分析，可以优化加载方式、加载速度等工艺参数，减小和预防截面畸变等缺陷，为实际生产中制定成形工艺规范提供可靠的依据。

　　工业型材拉弯加工厂家针对航天工业中应用的大尺寸开口型材零件成形中出现的问题，设计了适用的模具，辅以内加填充物的成形方法，采用ABAQUS软件对其拉弯过程进行数值模拟和工艺参数优化，有效地减小了截面畸变，并根据数值模拟结果，提出了合理的加载成形方式，对生产实践进行指导。

　　研究现状：型材拉弯是指型材在弯曲的同时施加切向拉力，以克服内侧的起皱及发送截面内的应力分布以减少回弹，提高成形精度。拉弯成形可以分为由力控制的拉弯成形和由位移控制的拉弯成形。从使用的设备上看，由力控制的拉弯成形通常可以分为直进台面拉弯成形、转臂式拉弯成形（图1）及转台式拉弯成形三种方式。

　　实际生产中经常采用拉－弯和拉－弯－拉的加载方式。拉－弯－拉加载模式的优点是回弹量较小，能够消除材料的初始变形，残余应力较小，对收边拉弯能有效地防止腹板失稳起皱；缺点是补拉过程受摩擦力的影响，材料受力不均匀造成变形不均匀，并且增大了截面畸变。

　　拉弯方法同样能够消除材料的初始变形，有效地防止失稳起皱，同时操作更为简单，不受摩擦力的影响；缺点是回弹量较大。

　　目前对拉弯的研究主要采用解析计算法、试验分析法和数值模拟3种方法，由于型材拉弯成形的复杂性，理论解析时需要作许多假设，不涉及截面形状的变化，因而理论解析方法有一定的局限性，不足以指导实际生产。而单纯的实验研究费用贵且周期长。采用数值模拟对工艺过程进行仿真研究，可缩短生产周期，降低试验试错的生产成本，提高加工准确性。

　　所用的材料为铝合金型材2A12-O，实际生产中在退火状态下成形，预拉－弯曲结束后，进行淬火热处理，在新淬火状态下进行补拉。初始退火状态材料性能由单拉试验获得，单拉试样直接在型材上用电火花线切割获得。E=7.1729×104MPa，ν=0.367，σ0.2= 153.52MPa，σb=256.28MPa，δu=23.5％，r0=0.66763，K=329.105，n=0.1445。

　　中空型材在成形过程中，容易发生截面变形、局部下陷、翘曲等，从而影响成形质量，因此在本模拟中，使用橡胶作为内部填充物，橡胶材料应用超弹性理论描述其变形性能，其本构关系用三次减缩多项式形式的应变能表示。

　　根据所选用的材料，取C10=0.461312，C20=0.01752，C30=8.81×10-5，单位均为MPa。

　　模拟中采用Hill48各向异性屈服准则，选用库仑摩擦定律处理型材与模具间的摩擦接触，取摩擦系数为μ=0.15。

　　零件特征分析

　　盛达拉弯所研究的截面有两种，分别如图2，3所示，所用零件为半圆弧形，半径R=2598.5mm，均为大尺寸的开口非对称薄壁型材。原始材料轴向尺寸大（约8m，由对称性取1/2模型进行计算，考虑给夹持端预留的长度，材料长度达4.5m）。

　　模具设计与处理

　　大尺寸开口薄壁型材在弯曲过程中截面畸变严重，为防止上缘塌陷，模具分别设计如图4所示。

　　力学和位移边界条件：在Abaqus中，采用位移和角度控制方式。预拉阶段，控制夹钳运动使型材沿长度方向伸长。补拉阶段，弯曲角度不变，控制夹钳沿夹持端切线方向伸长。加载速度为400mm/s，位移加载曲线采用在step中定义smooth step的方式。弯曲阶段在夹持端所加载荷为F=σ・s，夹钳旋转角速度为0.803r/s。

　　成形缺陷的定义：针对本文研究的两种截面形状，对截面畸变、回弹定义如图5所示。

　　有限元模拟结果与分析：开口薄壁型材在成形过程中最大的成形缺陷之一是上缘塌陷，导致截面严重变形。图6为是否添加填充物的模拟结果对比。图7为内加填充物拉弯的最大应力和应变。其中Mises应力为216.9MPa，塑性应变为5.58％，均在材料成形极限范围内，因而方法可行。

　　型材中对称面上，不加填充物最大塌陷量为27.384mm，回弹后扭转量为992.972mm；加填充物最大塌陷为0.4983mm，回弹后扭转量为39.15mm。可见改进模具设计与加填充物的方法有效地减轻了截面畸变的程度，提高了零件成形精度。

　　  天津型材拉弯网结束语
（1）大尺寸开口薄壁型材拉弯中，受径向压应力作用，上缘面塌陷严重。根据具体截面形状合理设计模具形状，并在内部加入支撑物，可有效减小截面塌陷和回弹后扭转量。
（2）预拉量增加，图5a中e1、e2、e4的值均增大，其中e1变化最为明显。下缘偏转值e3、e5受模具限制，变化不明显。在分析截面畸变量随预拉、补拉的变化规律时，主要考察e1、e2、e4的变化。
（3）预拉量对回弹后半径增加值影响不明显。
（4）补拉量对截面畸变的影响并不明显，且小于预拉量对畸变的影响。
（5）补拉对回弹影响显著，随着补拉增加，最大半径增加值显著减小，但补拉大于1.24％后，影响不大。

　　通过数值模拟实验，对两种大尺寸复杂截面型材拉弯工艺进行研究，对模具进行了合理设计，从一定程度上避免了收边拉弯起皱、空间扭转的产生，通过内加充填物的方式，有效地改善了截面下陷的状况；通过对预拉量、补拉量的研究，确定了最佳预拉－补拉值为0.78％、1.24％。