王 梓

（山东诺维科轻量化装备有限公司，山东 烟台 265700）

铝合金型材三维弯曲空间结构目前作为在汽车、高铁和航天航空等领域广泛应用的骨架部件，具有轻质量、高结构强度、优化空气动力学性能与美观的集合造型特点，以我国CRH380 高铁动车为例，在该部动车的车头骨架结构中，就运用了比较典型的铝合金型材三维弯曲构件[1-2]。同时，该种骨架构件还存在较大抗变形性、较差塑性、复杂的薄壁结构特点以及较窄的加工窗口等待解决问题，所以如何实现铝合金型材构件的精准化塑性，始终是金属加工领域的热门研究话题。目前国际上多数学者指出，对该种铝合金型三维材料构件可以运用三维弯曲成形加工工艺，譬如铝合金型材挤出—弯曲—一体化成形、三维空间叠加扭矩成形、多点成形以及连续垫弯等成形施工工艺[3]。该研究针对其中铝合金型材的三维多点柔性拉弯成形制件工艺展开探讨，选用该工艺能够对铝合金型材的传统拉弯工艺无法实现的三维弯曲、改良柔性、降低工艺模具成本量等问题进行有效解决。接下来将在简单介绍三维多点柔性拉弯成形制件工艺的基础上，通过有限元建模运用ABAQUS 软件展开正交试验数值模拟研究。

1 三维多点柔性拉弯成形制件工艺

三维多点柔性拉弯成形制件工艺，作为基于传统二维拉弯成形工艺技术结合多点成形工艺的1 种技术集成式操作工艺，能够基于多点离散模具形成的包络面，经过耦合叠加变形后，获得薄壁复杂空间构件的三维多点拉弯成形成品[4]。图1 为三维多点柔性拉弯成形制件工艺流程，概括了该制件工艺主要步骤，可以实现高效拉弯，与此同时充分吸收多点成形技术的柔性拉弯制件工艺特点，在很大程度上提升了工艺制件的生产效率，可以三维多点弯曲成形，突破传统拉弯工艺局限。并且拉弯制件工艺修模比较简单，方便有效控制回弹。经过回弹补偿，能够对多点模具包络面进行快速修整从而精准拉弯成形。

2 有限元建模

使用三维多点柔性拉弯成形制件工艺在该研究中建立有限元分析模型，运用ABAQUS 软件中包括的Standard、Explicit 2 个部分来求解器模块，前者运用隐式解法，后者运用显式解法。在模拟建模中，考虑到该研究主要针对如何控制成型阶段的截面畸变可能性，以及回弹变形阶段的拉弯反复成形问题。综合考虑该种工艺在操作中所涉及的线性、非线性相关问题，铝合金型材需要反复2 次贴合模具才可以成形。因为铝合金型材和模具头体不断接触，所以在这个过程中线性、非线性会随之改变。在整个工艺弹性变形转变为塑性变形过程中，铝合金型材的屈服准则条件公式如公式（1）所示[5]。

式中：σ为拉弯成形工艺过程中产生的等效应力；σF为屈服应力；s为应力张量。

在铝合金型材的板材弯曲成形工艺过程中，由原本的弯曲变形逐渐过渡形成中间弹塑性变形，最终获得塑性变形制作相应目标构件的过程，遵循了塑性法则即塑性状态下的构件应力关系以及硬化法则，如公式 （2） 所示[6]。

图1 三维多点柔性拉弯成形制件工艺流程

式中：K为强化系数；为等效应变；n为应变强化指数；εs为屈服应变。

根据表1 中的铝合金型材的相关材料参数，运用ABAQUS 有限元分析软件，建立如图2 所示的有限元分析模型构件。选择5 mm×5 mm 的水平、垂直2 个方向模具头体网格尺寸，能够节约该次研究的计算时间。

表1 铝合金型材参数

图2 三维多点柔性拉弯成形制件工艺构件图

3 截面畸变影响因素研究

在铝合金型材拉弯成形工艺结束后，外侧承受拉应力及内侧承受压应力会改变原本截面，集中表现为外腹板塌陷、侧壁凸胀、内腹板褶皱等不同情况，也就是改变了铝合金型材的高度、宽度，一般为对称型材截面变形表现。图2 中该铝合金型材的长用L表示，多点模具头体共N个，建立有限元截面畸变图，如图3 所示。

3.1 多点模具头体影响畸变

在三维多点柔性拉弯成形制件工艺操作过程中，铝合金型材极易发生褶皱缺陷，对制件整体质量和精度均产生了严重的影响，因此合理化三维多点模具头体就至关重要，有直线、弧线2 种不同的设计方法[7]。有限元分析2 种不同设计方法下的铝合金型材应力分布情况，能够发现直线设计中型材的应力为4.553 MPa～320.8 MPa，存在316.247 MPa 的应力差；在弧线设计中型材的应力为8.99 MPa～319 MPa，存在310.01 MPa 的应力差。所以弧线设计的型材应力值幅度明显小于直线设计，表示弧线设计能够均匀分布应力，并且弧线设计比直线设计的褶皱缺陷现象少 ，所以可以采用弧线设计来提高铝合金型材的制件拉弯成形工艺质量。

在三维多点模具头体设计中，分别设计了80 mm、100 mm、120 mm 的不同的单元宽度，水平设计180°、垂直设为90°，三维弯曲角度为30°，弯曲水平宽度2 500 mm、弯曲半径与1.0%L预拉量、1.0%L补拉量和0.1 摩擦系数条件下，根据多点模具头体数量的单元宽度分布情况，能够发现80 mm 多点模具宽度条件可以达到较小的铝合金型材应力改变范围，并且呈现比较均匀的应力分布情况。

在其他条件不变的情况下，选择多点模具头体数量条件分别为6、8、10、12，完成三维多点柔性拉弯成形制件，发现随着头体数量的不断增加，应力值随之减小，越明显的应力分布值表示制件工艺质量越差[8]。

3.2 预拉量影响畸变

在铝合金型材三维多点柔性拉弯成形过程中，轴向施加的力为预拉力，在该次有限元模型分析中，分别设计其他最优条件变量，选取0.8%L、1.0%L、1.2%L、1.4%L以上4 种不同预拉量展开试验，通过有限元分析，在这4 种不同的预拉量型材应力分布试验中，应力分 别 为10.30 MPa～317.8 MPa、9.730 MPa～318.4 MPa、11.79 MPa～324.5 MPa、12.08 MPa～326.3 MPa。根据计算所得的应力差值，发现随着预拉量逐渐增加，应力值也随之增加，说明在拉弯成形工艺过程中，增加了型材的局部变形压力，所以产生了随之增大的应力差值，也就影响了应力分布均匀。根据主应力的分布变化情况，能够发现在预拉量不断由0.8%L增加至1.4%L的过程中，应力最大值也由最初的0.2574 增加至最终的0.2732，铝合金型材的制件拉弯成形质量也就不断变差。

图3 有限元铝合金型材截面畸变图

3.3 补拉量影响畸变

在铝合金型材三维多点柔性拉弯成形过程中，P-M与P-M-P 作为2 种最常用的型材加载方式，关键差别即是否对铝合金型材施加补拉力[9]。补拉力的施加主要作用是为了有效减少型材拉弯成形过程中的应力差，在卸载抑制制件的补拉力之后，最大化减少铝合金型材的回弹。在该次有限元模型分析中，分别设计其他最优条件变量，选取0.8%L、1.0%L、1.2%L、1.4%L以上4 种不同的补拉量展开试验，根据有限元分析发现这4 种不同的补拉量型材应力分布试验应力分别为9.728 MPa～318.5 MPa、10.10 MPa～320.5 MPa、10.22 MPa～322 MPa、10.15 MPa～322.2 MPa。根据计算所得的应力差值，发现随着补拉量逐渐增加，应力值也随之增加。说明在拉弯成形工艺过程中，增加了型材的局部变形压力，应力差值随之增大，也就影响了应力分布均匀的情况。根据主应力的分布变化情况，发现在补拉量不断地由0.8%L增至1.4%L过程中，应力最大值也由最初的0.2673 增至最终的0.3337，铝合金型材的制件拉弯成形质量也就不断变差。

3.4 摩擦系数影响畸变

在铝合金型材的拉弯成形工艺制作中，不可避免地会产生摩擦力，摩擦力与其接触表面的湿度、硬度、粗糙度、滑动速度以及应力密切相关。在有限元模拟分析中，一般在夹钳、模具接触型材时产生型材截面畸变情况。该次有限元模拟分析在控制其他条件变量下，选取0.05、0.10、0.15、0.20， 4 种不同摩擦系数条件，试验型材截面畸变情况。根据有限元分析发现，这4 种不同的摩擦系数型材应力分布试验分别为8.767 MPa～313.5 MPa、9.728 MPa～318.5 MPa、11.13 MPa～322 MPa、8.698 MPa～321.7 MPa。根据计算所得的应力差值，发现随着逐渐增加的摩擦系数，应力值也随之增加，说明在拉弯成形工艺过程中，增加了型材的局部变形压力，应力差值随之增大，也就影响了型材的拉弯应力分布均匀情况。根据主应力的分布变化情况，发现在摩擦系数不断由0.05 增至0.20 的过程中，应力最大值也由最初的0.2136 增至最终的0.3179，铝合金型材的制件拉弯成形质量也就不断变差。

4 结语

目前，在我国的各应用领域中，铝合金型材具备了低密度、易回收以及高刚性的技术优势，该研究选用三维多点柔性拉弯成形制件工艺，能够突破传统拉弯成形过程中的技术局限。离散整体模量为多模量头体，对型材结构空间位置转变实现截面调形。通过该研究运用ABAQUS 有限元分析软件建模，得到最优化参数结果组合：1.0%L预拉量、0.8%L补拉量，12 个多点模具头体数量和0.15 摩擦系数，得出了二维、三维弯曲成形适用于渐进式加载增量成形的结论。