铝合金异形底盒形件预胀成形数值模拟

摘要：复杂曲面零件成形一直是诸多学者的研究热点，为了提高复杂曲面零件的成形性能以及壁厚均匀性。以铝合金异形底盒形件为研究对象，采用预胀的充液拉深技术对5A06铝合金盒形件进行数值模拟，探索预胀压力和预胀高度等参数对异形底盒形件成形的影响规律，分析成形过程中控制参数变化对零件成形性能以及壁厚分布的影响。当预胀压力为8 MPa，预胀高度为12mm，液室压力为20 MPa以及压边间隙为1.03 mm时为本模型的最合理方案。为异形底盒形件充液拉深成形的工艺参数的制定提供了参考以及对复杂零件成形的工艺分析具有一定指导意义。

关键词：铝合金，异形底盒形件，预胀，工艺参数，数值模拟

DOI：10.15938/j.jhust.2016.05.006

中图分类号：TG386 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2016）05-0029-05

0引言

随着汽车零件和航空、航天零件等加工制造工业的迅猛发展，铝合金涉及的应用领域也愈来愈广泛，同时对于复杂件的成形的生产要求也越来越高。传统的冲压成形往往需要多道次的拉深，而且零件成形极限低，而充液拉深成形具有成形质量好、成形极限高和尺寸精度高等优点，预胀即为凸模接触板料之前，液室压力为板材提供向上压力，起到软拉深筋作用，预胀技术与充液拉深成形工艺的结合在制造复杂零件、小批量、零件质量要求高的零件具有更大的优势。同时随着计算机行业迅猛发展，板料成形数值模拟领域也得到很大的进步，板料成形数值模拟可以对各个成形参数进行反复验证，缩短模具的开发和制造周期，从而降低成本。

本文利用有限元数值分析软件Dynaform5.7.1对铝合金异形底盒形件的成形过程进行数值模拟研究，分析预胀高度、预胀压力、液室压力与压边间隙工艺参数对零件的成形过程的影响，最终获得合理方案。

1有限元模型建立

本文设计的异形底盒形件，基本尺寸为长×宽×高=100 mm×80 mm×40 mm，内凹底高度为6 mm凸模圆角半径R=6mm零件厚度为1 mm，如图1（a）所示，此零件成形属于薄板成形。该零件成形类似一般的盒形件，但在零件底部有内凹部分是成形的难点，一般内凹底处成形不充分，需多次调整预胀压力和液室压力等参数予以解决，同时零件材料选用5A06铝合金，板料的材料力学性能如表1所示。

本文采用Dynaform5.7.1对铝合金异形底盒形件的成形过程进行数值模拟分析。板料单元选用BT壳单元，采用CATIA三维制图软件绘制出凸模，凹模与压边圈，以igs格式导入Dynaform5.7.1软件中，划分网格大小为1.5 mm×1.5 mm，凸模的模拟速度选为3000 mm/s。凸模尺寸为100 mm×80mm，凹模尺寸为101.1 mm×81.1 mm，凹模圆角半径为8 mm。板料和凸模之间的摩擦系数为0.14，板料与凹模之间的摩擦系数为0.04，板料与压边圈之间的摩擦系数为0.04。为了减少计算量和运算时间，选择零件的1/4有限元模型进行模拟。选用单向面一面接触的成形接触类型。最终，预成形零件的结构尺寸如图1（a）所示，异形底盒形件有限元模型如图1（b）所示。压边圈和凹模之间的压边间隙选择1.1 mm。

2模拟结果及论

2.1预胀压力

铝合金异形底盒形件预胀压力加载路径的设计如图2（a）所示。为研究预胀压力对零件成形及壁厚分布的影响。为了更好的进行对比分析，将在相同时间内设置不同的预胀压力，保证时间的一致性。预胀压力的加载时间由0 s到0.01 s，在0.01 s到0.02 s液室压力则升为25 MPa，初始预胀压力分别为4、6、8、10、12、14、16 MPa。

预胀压力对零件壁厚分布有较大的影响，如图2（b）为零件最小壁厚变化图，随着预胀压力的增加，最小壁厚值先增大后减小，当预胀高度为8 MPa时，最小壁厚值为0.729 mm，为不同预胀压力作用下成形件最小壁厚的最大值。在图2（c）的成形极限图中，预胀压力分别为4、6、8、10、12、14、16 MPa时，零件最小壁厚值均大于0.718 mln，最小厚度减薄率低于30%，所有的零件均能正常成形。但当预胀压力低于8 MPa时，由于预胀压力不足，初期成形不充分，后期由于液室压力降板料紧紧贴靠凸模，不产生形变，所以铝合金异形底盒形件底部内凹部分成形不充分，预胀压力8～16 MPa时，零件的内凹底均能完全成形，但是当预胀压力大于8 MPa时，若预胀压力增大，凹模圆角处所承受的弯曲力较大，零件壁厚减薄值随之降低。因此，当预胀压力为8 MPa时，铝合金盒形件的内凹底部分完全贴模，并且质量较好。

2.2预胀高度

预胀高度为板料到凸模初始位置下表面的距离，对零件成形壁厚影响较大，本文预模拟预胀高度分别为10 mm，12 mm，14 mm与16 mm。从图3（a）中分析可知，当预胀高度为10 mm时，零件最小壁厚值是0.720 mm，此时，板料变形受径向拉应力较大，造成盒底部凹槽成形力较大，厚度减薄严重；而当预胀高度为12 mm时，最小壁厚值为0.735 mm，而当预胀高度为16 mm时零件最小壁厚值比预胀高度12 mm时有所下降，这主要是由于预胀高度增加，板料在压边圈圆角处所受径向拉应力增大。综合分析得知，预胀高度对零件最小壁厚分布有所影响，随着预胀高度的增加，最小壁厚值先增加后降低，如图3所示，异形底盒形件来说预胀高度的最优选择是12 mm。

从图3（b）中可知当预胀高度14 mm时，零件凸模圆角产生破裂，这是因为随着预胀高度的增加，大量板料进入悬空区域，导致凸模边缘板料聚集，在成形初期板料减薄严重。从图3（c）中可知当预胀高度为12 mm时，零件成形良好，与图3（a）壁厚分布变化分析相一致。

2.3液室压力

液室压力加载曲线是在预胀压力加载曲线基础之上进行设计的，在预胀压力的作用下，异形底盒形件底部内凹部分在凸模未运动到凹模腔时完成成形，随后板料紧贴住凸模并随凸模向下运动，进人液室之后异形底盒形件其他部分开始成形，直至零件完全成形。基于预胀压力加载曲线，初始预胀压力为8 MPa时，液室加载时间为0～0.01 s，从0.01 s到0.02 s迅速加载压力达到最大，零件底部内凹处可以完全成形，故设计液室压力在0.02～0.06 s的压力分别为10、15、20、25、30、35、40、45、50、55MPa。如图4（a）所示，为液室压力加载曲线图。

经过后处理得到不同液室压力下板料的壁厚分布图如图4（c）所示，并且通过各个壁厚分布图所得的各个最小壁厚值比较分析如图4（b）所示，从图中可知，随着液室压力的增大，最小壁厚值逐渐减小，当液室压力为20 MPa时，零件的最小壁厚值最大，壁厚分布最为均匀，成形件成形最为安全。

2.4压边间隙

预模拟压边间隙分别为1.03 mm，1.05 mm，1.1mm和1.2 mm，在Dynaform5.7.1软件中设置压边间隙并固定压边圈，压边圈运行速度为2000 mm/s，保证其它工艺参数不变的情况下改变压边间隙来对零件壁厚分布进行分析。为保证零件在成形式时法兰处板料不失稳起皱，有两种限制板料流动的方式，即控制压边力法和定间隙法。本文采用定边间隙法。

选择合理的压边间隙以使液室的油进入板料和凹模之间的油量值恰到好处，这样不但可以使板料成形后的表面不出现划伤等缺陷，还可以使板料易于流动，提高板料的成形极限。如图5（a）所示为板料在不同压边间隙下的壁厚分布图。

图5（b）为根据图5（a）不同压边间隙下板料壁厚变化绘制出的压边间隙与板料的最小壁厚关系图。从图中可以看出，当压边间隙逐渐增大，最小壁厚值也随之增加，但是当压边间隙增大到一定程度时，法兰处板料容易出现失稳起皱的现象。故选择合适的压边间隙可以得到成形质量好和壁厚分布均匀的零件。

由图6所示，当压边间隙值过大或者过小时，都会导致缺陷的产生。针对铝合金异形底盒形件成形，当压边间隙为大于1.03 mm时，在盒形件直壁过度圆角处和法兰处产生褶皱缺陷。因为在压边间隙较大时，压边圈不能很好的限制板料的流动，法兰处板料会出现失稳起皱，已经起皱的板料经过凹模圆角处流进液室，褶皱在成形后期依然被保留下来，造成零件成形质量很差。当压边间隙小于1.03 mm时，即为1.02时，在板料变形初期产生破裂。因为在成形初期板料被压边圈压的过紧，造成板料同压边圈和凹模之间的摩擦太大，径向拉应力急剧增加，最终在零件成形初期就已经产生破裂缺陷，主要发生在凸模圆角和凹模圆角处。

从图6中可以观察到，当压边间隙为1.03 mm时零件能够顺利的成形，而且能蚪虾玫匾种瓢宀牡钠鹬澹并且没有破裂产生，零件成形表面质量很好。

3结论

1）铝合金异形底盒形件的成形主要取决于预胀阶段的工艺参数，分析结果表明，预胀压力8～16MPa下，盒形件的内凹底均能成形，但在8 MPa之后，零件最小壁厚随预胀压力的增加逐渐减小，预胀压力过大或者过小都将导致缺陷的产生。

2）预胀高度对异形底盒形件的成形起到关键作用，随着预胀高度的增加，零件成形最小壁厚值先增加后降低，最终确定预胀高度为12 mm时，零件成形较好。

3）当液室压力小于20 MPa时零件底部内凹处不能完全贴模，由于随后的液室压力较小，板料与凸模摩擦保持效果不好，拉深时板料与凸模发生相对滑动，导致凸模圆角处产生破裂。而当液室压力为20～55 MPa，零件底部内凹处可以完全贴模，且零件表面质量较好，未产生明显缺陷。

4）采用定间隙压边的方法，当压边间隙小于1.03 mm时，由于零件在成形初期板料所承受的拉应力急剧增加，导致板料在凸模和凹模圆角处产生破裂；当压边间隙大于1.03 mm时，由于压边圈对板料的阻力不够，造成失稳起皱缺陷的产生。