擠壓型材壓制成形回彈預測與補償研究

董恒瑋，蔡成，門向南，楊坪川，王磊

擠壓型材壓制成形回彈預測與補償研究

董恒瑋1，蔡成2，門向南2，楊坪川2，王磊2

（1.空裝駐成都地區(qū)第一軍事代表室，四川 成都 610091；2.航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 鈑鉗加工廠，四川 成都 610091）

航空擠壓型材的壓制成形工藝是一種重要的飛機鈑金成形工藝方法，由于壓制成形過程存在回彈現(xiàn)象，科學準確地預測回彈補償值對于提高產品質量具有重要的意義。為了有效預測航空擠壓型材壓制成形工藝過程產生的回彈，利用ABAQUS軟件建立了一種擠壓型材零件壓制成形工藝過程的有限元仿真建模方法，利用預定義場模型研究了成形過程的回彈仿真技術并通過工藝試驗進行了驗證。該方法對于其他種類的航空鈑金零件的成形仿真及回彈預測研究也具有積極的參考意義。

ABAQUS；擠壓型材；壓制成形；有限元方法

現(xiàn)場生產過程中擠壓型材的壓制成形工藝（閘壓與液壓成形工藝）都存在回彈現(xiàn)象。由于工藝模型補償回彈僅憑工藝人員經驗，導致某些情況下試模出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，成形后需依靠手工校正。隨著產品研制向多樣化、快速化方向發(fā)展，傳統(tǒng)憑借經驗的工藝模式逐漸顯現(xiàn)出試制產品質量不穩(wěn)定、周期不可控等問題。譚學明等[1]提出一種基于有限元計算的平整性修模與下陷深度修模結合的模具型面迭代修正算法；韓志仁等[2]利用有限元方法模擬型材下陷成形過程，預測了型材下陷回彈補償量；熊旭等[3]針對型材熱壓下陷成形缺陷分析及抑制方法進行研究，建立不同模具方案下的型材下陷成形有限元模型，并進行了有限元模擬。同時，長期以來的工藝系統(tǒng)積累了一定的關于型材類零件壓制成形的模具設計知識及回彈補償經驗知識?，F(xiàn)場試模合格后穩(wěn)定投產的零件也為開展相關數字化研究提供了豐富案例，可用于有限元模型的修正與優(yōu)化。

綜合現(xiàn)有工作基礎與優(yōu)勢，將長期以來積累的工藝經驗與數字化分析方法相結合，促進技術轉型升級，對于提高零件的成形質量與生產效率具有積極的現(xiàn)實意義。

1 材料塑性成形力學參數測試

研究分析典型的擠壓型材材料屈服應力、抗拉強度、彈性模量及應力－應變關系等，建立企業(yè)的典型擠壓型材材料物性參數數據庫，為有限元仿真提供物性參數依據。

通過材料的單向拉伸試驗可以獲得有限元仿真所需的材料物性參數數據。選取某項目中牌號7050-O的鋁合金擠壓型材作為典型分析對象進行試驗，實驗完成后的試片如圖1所示，其真實應力－塑性應變曲線關系如圖2所示。

2 有限元建模與實驗分析

型材的壓制成形工藝（閘壓與液壓成形工藝）是一種重要的鈑金成形工藝，是在壓力設備（閘壓機或單柱/多柱液壓機）上使用壓模（壓制成形模具）通過模具上模與下模之間的壓力壓制成形零件幾何外形的一種成形工藝方法。

型材壓制成形是典型的非線性問題：金屬材料進入塑性成形階段是典型的材料非線性問題；原材料形狀發(fā)生改變，由原材料狀態(tài)變?yōu)榱慵顟B(tài)，是典型的幾何非線性問題；上模與下模和零件接觸狀態(tài)發(fā)生變化，由不接觸/局部接觸變?yōu)榻佑|，是典型的接觸非線性問題[4-5]。

圖1 單向拉伸試驗完成后試片的示意圖

圖2 7050-O擠壓型材材料的真實應力－塑性應變曲線

采用ABAQUS軟件建立有限元分析模型，利用數值模擬方法對成形過程進行仿真是一種廣泛使用的方法[6]。以某Z字形截面型材零件為例，建立其壓制成形零件的有限元分析模型，計算成形后的變形回彈值。零件模型如圖3所示，零件的材料牌號為7050-O。

圖3 典型Z字形型材零件示意圖

2.1 幾何模型的創(chuàng)建

利用CATIA軟件繪制型材壓制成形的幾何模型。為減小計算量，該零件某單個下陷如圖4所示，其利用擠壓型材原材料壓制成形下陷后銑切外形制造，下陷深度2.0 mm，下陷過渡區(qū)長度14.3 mm，零件兩邊寬分別為25 mm及19 mm，材料厚度2 mm，立邊高度41 mm，屬于典型的擠壓型材壓制成形類零件。

圖4 某Z字形型材壓制成形零件示意圖（壓制后銑切前）

利用CATIA提取曲面的功能，提取該零件的兩個表面模擬成形過程中的模具表面，提取后移動表面，使兩面的幾何位置關系為上模與下模的初始位置。針對圖4所示零件，提取零件的下表面作為下模的模具表面后保持幾何位置不變，提取零件的上表面作為上模的模具表面后沿下陷成形方向的反方向將上模表面移動2 mm作為上模的初始位置，其中2 mm即為零件的下陷深度值。根據零件的幾何外形繪制壓制成形前原材料的幾何模型。通過裝配功能導入繪制的三個模型，導入后幾何關系如圖5。

圖5 某Z字形型材壓制成形幾何關系示意圖

將CATIA中繪制的上模、下模及原材料的幾何模型另存為IGS格式，依次導入ABAQUS軟件。將原材料幾何模型作為部件導入，定義其模型空間為“三維”，類型為“可變形”；將上模和下模的幾何模型作為部件分別導入，定義模型空間為“三維”，類型為“離散剛體”。

2.2 創(chuàng)建材料屬性及分析步

選擇屬性模塊，創(chuàng)建7050-O材料屬性。定義：密度分布一致，質量密度2.81×10-9kg/mm3；彈性為各向同性，楊氏彈性模量72670 MPa，泊松比為0.33；塑性硬化為各向同性；屈服應力112.1 MPa；抗拉強度220.4 MPa，斷面收縮率26.6%；延伸率15.0%；塑性應變參數由材料單向拉伸試驗獲取，如表1所示。

表1 材料參數數據表

選擇分析步模塊，在初始分析步后創(chuàng)建成形過程的分析步，分析步的類型定義為“動力顯式”，采用動態(tài)顯式算法分析壓制成形過程。應用動態(tài)顯式算法計算塑性成形過程具有計算效率高、處理接觸問題相對準確等優(yōu)點[7]。

2.3 創(chuàng)建相互作用

選擇相互作用模塊，建立毛料與壓模之間的接觸關系。選擇創(chuàng)建相互作用屬性子模塊，創(chuàng)建鋁－鋼的相互作用屬性，并定義屬性的切向行為和法向行為。定義切向行為的摩擦公式為Penalty Algorithms，并定義摩擦系數為0.1，方向性為各向同性；定義法向行為為壓力過盈硬接觸，同時允許接觸后分離。

創(chuàng)建上模與毛料之間的接觸，選擇接觸類型為表面與表面接觸（Explicit），并選擇主面為上模與毛料接觸的面，選擇從面為毛料與上模接觸的面，選擇力學約束公式為運動接觸法，選擇滑移公式為有限滑移，選擇接觸作用屬性為本節(jié)中創(chuàng)建的鋁－鋼相互作用，選擇約束在初始分析步中創(chuàng)建，并傳遞至成形分析步。采用相同的方法創(chuàng)建下模與毛料間的接觸關系。建模過程中始終選擇剛度較大的面作為主面，選擇剛度較小的面作為從面。

2.4 創(chuàng)建網格

選擇網格模塊，對部件毛料、上模及下模劃分網格。Z字形截面的擠壓型材由于截面較為復雜、無法直接使用結構化的網格劃分方法進行網格劃分，需要合理地對結構進行拆分，確保拆分出的子結構能夠使用結構化的網格劃分，為實現(xiàn)此目的，按照圖6中標識的邊界對毛料進行分割操作。

圖6 結構化劃分型材示意圖

選擇網格控制屬性子模塊，選擇單元形狀為六面體單元，選擇使用結構網格劃分技術，最終選擇的單元類型為C3D8R（八結點線性六面體單元，減縮積分并沙漏控制），選擇單元施加的對象為毛料。

選擇全局種子子模塊，選擇近似全局尺寸為2，并將全局種子應用于毛料。選擇為邊布種子模塊，選擇圖7中用于分割的邊，設置邊的種子個數為5，提高相應部位的網格密度。劃分后的網格如圖7所示，模型完成網格劃分后具有節(jié)點10656個和網格8400個。

圖7 毛料網格劃分結果示意圖

2.5 定義載荷及邊界條件

選擇載荷模塊，分析步定義為初始分析步，定義部件毛料的邊界條件，選擇圖6中A區(qū)域的端面施加邊界條件，選擇分析步為初始分析步，選擇約束條件類型為完全固定（U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0），保持在初始及后續(xù)成形分析步中毛料A部分的端面不在空間中產生運動，該假設是對該零件壓制成形過程的一種合理簡化。

分析步定義為初始分析步，定義部件下模的邊界條件，選擇分析步為初始分析步，類別為力學，類型為對稱/反對稱/完全固定，選擇邊界條件的施加對象為剛體下模的參考點，選擇約束條件的類型為完全固定（U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0），保持下模在壓制成形過程中固定。

分析步定義為初始分析步，定義部件上模的邊界條件，選擇分析步為初始分析步，類別為力學，類型為位移/轉角，選擇邊界條件的施加對象為剛性上模的參考點，對于U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3，在成形分析步中設置U3＝-2.0（即壓制成形方向移動2.0 mm），其余自由度設置為0。

2.6 分析計算

提交分析作業(yè)，計算結果如圖8所示，壓制成形過程中毛料的最大主應力為209 MPa、出現(xiàn)在下陷位置處Z字型型材的立邊，該位置產生最大的變形抗力，也是回彈產生的最主要位置。成形分析過程中偽應變能與內能比值變化曲線如圖9所示，比值小于10%可以認為模型為可靠模型。

2.7 回彈計算與實驗分析

復制前述成形模型新建回彈的分析模型，在裝配中刪除上模及下模，僅保留零件的部件，刪除原有的分析步和相互作用關系，取消成形分析步中設置的邊界條件。在分析步管理器中定義回彈計算的分析步，設置類型為靜力通用的隱式算法。隱式算法在處理多重非線性問題時效率較低且容易產生不收斂的現(xiàn)象，計算所耗費的迭代步數也較多，但可有效避免顯式分析過程中的誤差積累。隱式分析的每一個載荷步均能收斂，適合成形分析后的回彈計算[8]。即成形過程的分析計算選擇顯式算法、回彈分析過程采用隱式算法求解的組合具有最優(yōu)的計算效率和計算精度[9-10]。

圖8 回彈的應力云圖

圖9 偽應變能與內能比值關系示意圖

在回彈分析模型中設置如圖6所示的邊界條件，其中A區(qū)域邊界條件為完全固定（U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0），B區(qū)域邊界條件為位移/轉角，并選擇對下陷深度和長度方向自由度不進行約束，對其他自由度約束為0。

使用預定義場模型進行回彈計算，選擇2.6節(jié)中成形計算的結果實例作為回彈計算模型的初始狀態(tài)，其初始內部應力的分布如圖8所示。創(chuàng)建回彈分析作業(yè)，并提交計算，回彈計算結果如圖10所示。

按照回彈計算結果，模型中深度為2.0 mm的下陷回彈后的下陷深度為1.79 mm，該零件2.0 mm下陷的回彈為0.21 mm。按照該產品成形標準的要求，擠壓型材下陷成形的公差為0～+0.2 mm，即下陷深度相比于理論深度僅能增加。將下陷加深0.4 mm，并利用該工藝數模設計制造壓模，展開相關工藝實驗，如圖11所示，成形后的零件下陷深度為2.15 mm，符合公差要求。壓制成形后零件下陷的回彈為0.25 mm，相比于工藝數模下陷加深后的下陷深度2.4 mm，其回彈的占比為10.4%。有限元分析模型中未加深的下陷深度為2.0 mm，其下陷回彈為0.21 mm，回彈占比為10.5%，實驗驗證了有限元模型的準確性。

圖10 回彈的位移云圖

圖11 工藝試驗結果示意圖

針對現(xiàn)場常見的L字型、T字型與Z字型型材截面及LY12-M、2A12-O與7050-O三種常見的型材材料開展有限元仿真實驗，實驗針對下陷深度在2 mm以內、型材材料截面厚度在2.5 mm以內、立邊高度在50 mm以內的常見型材零件展開。三種常見的型材材料的材料參數數據如表2所示。

按照上述建立的型材壓制與回彈仿真建模方法，建立LY12-M、2A12-O與7050-O三種材料壓制L字型截面型材零件的有限元分析模型，并進行回彈計算，計算結果如圖12所示，零件下陷深度和材料厚度均為2 mm。

由有限元分析結果可知，LY12-M、2A12-O與7050-O三種常見的擠壓型材材料，其中屈服強度較高而彈性模量較低的LY12M-M材料壓制成形后具有更大的回彈。

按照上述型材壓制與回彈仿真的建模方法，建立LY12-M材料針對L字型與Z字型型材截面的有限元分析模型，并進行回彈計算，其中L字型與Z字型截面的零件立邊高度及材料厚度相同。L字型截面的計算結果如圖12（a）所示，Z字型截面的計算結果如圖13所示?？芍?，在立邊高度相同、材料厚度相同、下陷尺寸相同的條件下，L字型截面相對Z字型截面的下陷成形后回彈更大，截面形狀對于壓制成形的回彈有影響，回彈隨截面形狀的復雜程度增大而減小。

表2 材料參數數據表

圖12 不同材料計算L字型截面結果（成形與回彈）

圖13 LY12-M材料計算Z字型截面結果（成形與回彈）

3 結束語

為了有效預測航空擠壓型材壓制成形工藝過程產生的回彈，通過對現(xiàn)場使用的材料的成形性能參數進行試驗，獲取擠壓型材的屈服應力、抗拉強度、彈性模量及應力－應變等關系，建立了材料參數庫，通過有限元仿真技術結合工藝試驗研究建立并驗證了一種典型擠壓型材零件壓制成形過程的有限元數值仿真建模方法，通過預定義場模型研究了成形過程的回彈仿真預測及其補償修正技術。該方法能夠較為準確地預測擠壓型材壓制成形工藝過程產生的回彈，對于其他種類的航空鈑金零件的成形仿真及回彈預測研究也具有積極的參考意義。

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Research on Rebound Prediction and Compensation of Extrusion Profile Press Forming

DONG Hengwei1，CAI Cheng2，MEN Xiangnan2，YANG Pingchuan2，WANG Lei2

( 1.The 1st Military Delegate Room of Air Force Equipment to Chengdu, Chengdu 610091, China; 2.Sheet Metal Manufacture Plant, Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd., AVIC, Chengdu 610091, China )

The press forming process of aviation extruded profiles is an important aircraft sheet metal forming process. Due to the rebound phenomenon in the pressforming process, scientifically and accurately predicting the rebound compensation value is of great significance for improving the product quality. In order to effectively predict the rebound generated by the press forming process of aviation extruded profiles, a finite element simulation modeling method for the press forming process of extruded profile parts is established. The rebound simulation technology of the press forming process is studied by using the predefined field model and verified by the process test. The method also has positive reference significance for the forming simulation and rebound prediction of other types of aviation sheet metal parts.

ABAQUS；extruded profiles；press forming；finite element method

TH164；TG37

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.007

1006-0316 (2021) 12-0049-07

2021-03-08

董恒瑋（1992－），男，山東聊城人，助理工程師，主要研究方向為先進航空制造技術；蔡成（1991－），男，四川德陽人，工學碩士，工程師，主要研究方向為航空鈑金制造技術；門向南（1983－），男，吉林榆樹人，工學碩士，高級工程師，主要研究方向為航空鈑金制造技術；楊坪川（1985－），男，四川綿陽人，高級工程師，主要研究方向為航空鈑金制造技術；王磊（1986－），男，四川成都人，工學碩士，工程師，主要研究方向為航空鈑金制造技術。