小曲率铝合金框形件弯胀复合成形工艺的数值模拟研究

小曲率铝合金框形件弯胀复合成形工艺的数值模拟研究

随着中国航空航天业的快速发展，对重要部件的性能、轻量化和强度提出了更高的要求。近些年，针对该类零件，运用充液成形技术可以获得表面质量较好的合格零件而且模具结构简单、成本低，受到业内广泛关注及应用文中以一种小曲率铝合金框形零件为研究对象，采用压弯-胀形复合成形方法对其进行数值模拟研究，分析了最大液室压力对成形的影响规律，重点关注了其对零件最大减薄率及贴膜度的影响，并对零件关键成形部位进行剖切以分析壁厚的分布情况。基于最优模拟结果，进行回弹模拟分析。最后，结合分析结果，对该小曲率铝合金框形件进行现场试验验证，获得合格零件。1弯曲复合成像的模拟和优化分析1.1零件结构及成形深度如图1所示为某航空铝合金框形件，零件整体为阶梯式曲面构型，长约为872mm，宽约为371mm，曲率半径约为815mm，零件结构为典型的小曲率零件。阶梯处最大成形深度约为106mm，零件整体最大成形深度约为175mm。所用材料为2A12-O铝合金板材，坯料厚度为2mm。1.2有限元模型建立及前处理设置针对该种零件，传统的成形方法是直接刚性模压弯成形，但该种方法用以成形小曲率零件时，零件回弹量较大；也可以采用主动式充液成形的方法成形，但存在起皱问题以及局部减薄率较大，严重时易导致板材破裂，影响零件成形质量。基于上述问题，文中通过结合传统压弯及主动式充液成形方法，优化模具结构及成形参数，用以成形该种小曲率铝合金框形件。根据零件特征结构，在模具上加设拉延筋控制起皱问题，同时在凹模上对应于零件中心区域设计胀形区（后续成形完毕会切除），以增加板材变形量，控制回弹问题。因该零件为轴对称零件，为缩短模拟时间及减小计算量，文中采用1/2板料进行模拟分析。在CATIA软件中建立弯胀成形模具型面，并将生成的IGS文件导入到DYNAFORM软件中，得到的有限元模型如图2所示。对2mm厚的2A12-O铝合金板材进行单向拉伸试验，通过去除弹性段及下降段后，经拟合获得该种材料的真实应力应变曲线，并导入DYNAFORM软件前处理设置中。该材料的真实应力应变曲线如图3所示。1.3弯曲形状值的模拟分析1.3.1最大液室压力的影响在充液成形过程中，最大液室压力是成形过程中一个关键性的参数，直接影响到零件的成形质量圆角处贴膜度也可以从相对圆角半径与最大液室压力的关系中反映出来，对于A和B处圆角成形过程来说，板料在液压力的作用下，沿着模具型面弯曲，是较为复杂的塑性变形过程，对其进行力学解析时，可将其简化处理，认为材料发生了纯弯曲变形，考虑铝合金的各向异性，以中性层为界，外侧为受拉，内侧受压；而对于C,D,E处圆角，可视为在液体压力作用下的圆角填充过程。在板材单拉试验中，断裂时的真实应变ε式中：λ是断面收缩率；A圆角破裂的临界条件为板材弯曲最大等效应力与破裂临界应力相等，即uf073=uf073式中：r为厚向异性指数；p为最大液室压力；σC,D,E处圆角在成形过程中相对圆角半径与最大液室压力的关系可用式（5)从式（4—5）可以看出，相对圆角半径R越小，成形过程中所需要的最大液室压力p越大。从图4可以看出，最大液室压力从5MPa增至25MPa时，零件的最大减薄率也随之上升。同时，在主动式充液胀形过程中，主要的未贴膜区位于圆角处，为方便分析，对零件的5个圆角区域A,B,C,D,E进行贴膜度测量，其中，A,B,E这3处位于零件型面与法兰过渡段，C和D两处位于胀形区与零件型面的过渡段。对于A和B两处圆角来说，在最大液室压力为5MPa时，由于此时压力较小，贴膜度较差，随着液压的增加，A和B两处逐渐贴膜，液室压力增至15MPa后，贴膜度逐渐趋于稳定；对于C处圆角区域来讲，由于该处零件型面成形深度较小、型面变化较缓和，相对容易贴膜，因此最大液室压力对贴膜度几乎没有影响；对于D处圆角区域，虽然与C处同属胀形区，但是该处型面成形深度较大，因此该处贴膜度随着最大液室压力增至20MPa以后，才逐渐趋于稳定；E处圆角由于是零件型面与法兰的过渡区，且位于零件的对称轴上，成形深度最大，因此最大液室压力对其的影响也较为显著，与A和B两处类似，随着液压的增大逐渐贴膜，液室压力增至15MPa后，贴膜度逐渐趋于稳定。对在每个最大液室压力条件下的零件最大减薄率进行分析，将主要减薄区域分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ这7个区域，其中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区域为拉延筋的减薄区，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ区域为零件型面主要减薄区域，Ⅶ为零件底部胀形区的减薄区，如图5所示。各个最大液室压力条件下零件最大减薄率云图如图6所示。由图5和图6可以看出，在最大液室压力为5MPa的情况下，零件的主要减薄区域位于拉延筋区，这是因为液室压力较小时零件没有成形到位，因而多余的法兰也无法进行补料，而此时的拉延筋区域因成形较为充分，成为主要减薄区。随着液压逐渐增大至25MPa，拉延筋Ⅰ和Ⅲ区域的减薄率会随之降低，而Ⅱ区拉延筋由于相邻的零件型面成形深度较小，在较小的液室压力下也能成形到位，因此基本保持不变。随着液压的增大，主要减薄区由拉延筋Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区域转为零件型面内的Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ区域，而胀形区Ⅶ的最大减薄率始终小于Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ区域，在达到了设计该区域时增加零件整体变形量的目标的同时，也没有对零件整体的最大减薄率有不利影响。综合零件最大减薄率及贴膜度的分析结果，选择最大液室压力20MPa作为成形该小曲率框形件的最优液压参数，最终零件的最大减薄率为16.1%，同时零件各处圆角过渡区域贴膜度较好。1.3.2截面分布分析在最大液室压力为20MPa时的壁厚分布进行分析，以实际零件型面（即去除工艺补充面及多余法兰）成形最大深度处与零件中轴线交点投影为坐标原点，以零件的中轴线为y轴，与其垂直方向为x轴，并沿着xy坐标轴作两个垂直的截面，并对截面上的壁厚进行测量，结果如图7所示，可以看到沿截面的壁厚分布较为均匀，壁厚减薄较大处仅出现在圆角过渡区。1.3.3约束节点的选取将较优的成形模拟结果DYNAIN格式文件导入DYNAFORM软件中，建立一个新的df文件进行回弹模拟。需要注意的是，在回弹分析中必须使用和成形模拟同种材料及厚度；由于零件是对称的，在定义约束节点时也应当加在对称面上，且仅需定义2个节点即可（对于非对称零件，需定义3节点用以限制刚体的位移，且不能选在一条直线上、不靠近零件边缘、不选择较大变形区、相互间隔一定距离）；在回弹补偿分析中，为满足回弹前后板料的单元数量一致，也不能使用网格粗化功能。回弹模拟结果如图8所示。可以看出，零件最大回弹量为2mm，且回弹较大区域集中在零件外围（后续会切除）。后续成形完毕后也可以加一道退火工序，以控制零件切除多余工艺补充面及法兰区域后引起的回弹问题。由此可见，利用弯胀复合方法成形该种小曲率框形件能够解决零件成形后回弹较大的问题。2双动充液成形工艺基于上述数值模拟中最优成形工艺参数，对该零件进行试验验证。试验过程在天津天锻航空科技有限公司双动充液成形设备上进行，成形模具实物如图9所示。零件实物如图10所示。由图10可以看出，经弯胀成形后该零件的成形质量较好，表面粗糙度较高，经测量后零件的整体减薄率也比较符合数值模拟结果，验证了该工艺方案的可行性。3模拟结果分析1）综合零件最大减薄率及圆角过渡区贴膜度的理论分析及模拟结果，在最大液室压力为20MPa时成形效果较好，最终零件的最大减薄率为16.1%，同时零件各处圆角过渡区域贴膜度较好。2）对数值模拟后的零件进行剖切分析，发现沿截面的壁厚分布较为均匀，壁厚减薄较大处仅出现在圆角过渡区。3）对最大液室压力为20MPa时的模拟结果进行回弹分析