馬占軍

[摘 要]近年來汽車行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，汽車輕量化能很好的響應節(jié)能減排的時代主題。本文以封閉截面鋁型材為研究對象，比較了兩種不同的基本體排列方式下多點成形與整體模具的成形效果。結果表明，多點模具可以替代整體模具用于型材的三維拉彎成形。

[關鍵詞]彈性模量 屈服應力 回彈

中圖分類號：TG389 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）06-0105-02

0 前言*

隨著世界經濟的高速發(fā)展，汽車輕量化成為時代發(fā)展的一種必然的趨勢，鋁合金密度低，同時具有強度高、抗沖擊性能好、易回收等優(yōu)點從而廣泛的應用在汽車安全部件和框架式車身上[1]，如何實現鋁型材的高精度彎曲成形以滿足車身需求，降低生產成本、提高生產效率已經成為當前研究的熱點[2]。

多點柔性成形技術的基本原理是將成型面離散成若干基本體，通過控制各個基本體的絕對位移大小構造出三維空間曲面，從而實現快速、柔性成形[3]。本文采用ABAQUS模擬軟件對型材三維多點拉彎成形過程進行建模，模擬型材三維拉彎多點成形過程，計算多點模具替代整體模具的可行性。

1 鋁型材三維多點拉彎成形

三維多點拉彎成形是將空間內的成型面分解成水平和垂直兩個方向，將兩個方向上的成型面離散成若干小段的基本體，通過控制基本體的位移和旋轉角度，實現三維空間內的構型[4]。

鋁型材拉彎成形常用的回彈量表示方法有三種：曲率半徑的變化量、回彈角和回彈法向位移的變化，如圖1所示[5]。本文分別用兩個方向上的回彈角表征回彈大小。

2 鋁型材三維多點拉彎成形模型

2.1 三維多點拉彎有限元模型

運用ABAQUS中Explicit模塊和Standard模塊對截面尺寸為30mm×40mm的AA6082鋁合金型材的拉彎成形和卸載后回彈兩個過程進行模擬。由單向拉伸試驗獲得其真實應力-真實應變關系：

（1）

式中，σy為屈服應力；Qi、Ci為材料參數。模擬中采用VonMises屈服準則：

（2）

式中，σ1、σ2、σ3別為直角坐標系中三個方向的主應力。材料相關性能參數如表1。考慮到模型的對稱性，取1/2模型進行模擬。由于型材拉彎成形會存在截面畸變現象，故內沖3MPa壓強。

2.2 加載軌跡的計算

利用位移-時間曲線，將夾鉗與鋁合金型材綁定，通過控制夾鉗參考點每一時刻的坐標，計算參考點位移，從而帶動型材貼模彎曲。因此，參考點位移的計算對最終的成形效果有直接影響。如圖2所示，參考點與鋁型材截面的相對位移關系。

對于型材水平平面內彎曲（X-Y面）過程，其計算簡圖如5所示。參考點的位移可通過如下公式計算：

（3）

（4）

式中L為型材長度；R為型材水平平面內彎曲半徑；α為型材水平貼膜過程過的瞬時包覆角；δpr為型材的預拉量；d為夾鉗參考點到型材底面間的距離。

參考點Z向位移的計算簡圖如圖4，計算過程如下：

（5）

， （6）

（7）

式中r為型材垂直平面內彎曲半徑；β為型材垂直貼膜過程中的包覆角；Lz為型材水平平面內變形后在垂直平面內的投影長度；L1為型材水平平面內變形區(qū)域在垂直平面內的投影長度；t為參考點到型材側邊的距離。

在補拉階段，補拉量δpo是個矢量，其方向是沿著兩個成型面邊界切線方向，通過將其分解成直接坐標系中三個方向的分量來實現對補拉量的表達，計算公式如下：

（8）

（9）

（10）

3 鋁型材三維多點成形可行性分析

3.1 三維多點模具與整體模具對比

對封閉截面AA6082鋁合金型材分別在奇、偶兩種基本體排列方式（圖5）下進行三維多點拉彎成形和卸載后回彈過程模擬，分析三維多點拉彎工藝代替整體模具成形工藝的可行性。型材預拉量和補拉量都為1%，水平彎曲角度和垂直彎曲角度均為30°進行模擬，其結果如下：

圖6為封閉截面鋁型材分別在整體模具、基本體奇排列和基本體偶排列三種形式下三維拉彎成形及卸載回彈后Mises應力分布情況。型材最大應力分布在背板和右側板相交處，并沿截面向兩側擴展，直至腹板與左側板相交處應力達到最小，同時最小應力分布區(qū)域由對稱面沿型材長度方向逐漸減??；整體模具應力分布更加均勻整齊，而多點模具，使得型材表面應力分布呈現一定波動。

從圖7中清晰的可以看出，無論是水平面方向還是垂直面方向，距對稱面越遠，相應的回彈量則越大；同時就回彈量而言，整體模具的回彈量最小、基本體奇排列次之，基本體偶排列的回彈量則最大。將分別在整體模具與多點模具拉彎成形后卸載回彈量進行對比，如表2所示。從對比結果中可以看出，整體模具得到的回彈角與多點模具中基本體兩種不同排列方式下得到的結果近似，這說明多點模具可以替代整體模具用于三維拉彎成形。

3.2 試驗結果對比

運用洲海科技有限公司提供的三維多點拉彎機完成對AA6082鋁型材在基本體奇數排列方式下進行拉彎成形試驗。表3為試驗結果與模擬結果的對比。從對比結果中可以看出，通過模擬得到的回彈角與試驗結果近似，這說明模擬結果較為準確。

4 結論

（1）在建模過程中，運用軌跡的計算方法理論描述鋁型材三維拉彎成形，通過將模擬結果與試驗結果對比，證明了模擬的準確性。

（2）針對鋁型材三維多點拉彎成形過程中基本體的兩種不同排列方式進行數值模擬，將結果與整體模具模擬結果對比，說明了多點模具完全可以替代整體模具進行三維拉彎成形。

參考文獻

[1] 刁可山，周賢賓，金朝海.鋁合金型材拉彎成形研究進展[J].塑性工程學報，2003，10（6）：38-41.

[2] 刁可山，周賢賓，金朝海等.復雜截面型材力控制拉彎成形數值模擬分析[J].材料科學與工藝，2004，12（4）：413-416.

[3] 李明哲，崔湘吉，鄧玉山.多點成形技術的現狀與發(fā)展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術，2007.5：15-18.

[4] 梁繼才，騰飛，高嵩等.柔性三維拉彎成形模具型面修正關鍵技術的研究[J].機械工程學報，2013，49（17）：187-192.

[5] 李學貞.薄壁型材多點拉彎過程的數值模擬[D].長春：吉林大學材料科學與工程學院，20.