□ 郝涛涛 □ 陈明和 □ 李淑兰 □ 何文华

1．南京航空航天大学 机电学院 南京 210016

2．洪都航空工业集团 钣金分厂 南昌 330024

飞机生产中，拉弯工艺主要用于成形框肋缘条、机身前后段和发动机短舱的长桁，这些都是尺寸大、相对弯曲半径大的变曲率挤压型材弯曲件，它们越来越多被用作飞行器的关键件。以往针对简单截面等曲率型材拉弯的研究已不能满足要求，进行更进一步的复杂零件成形工艺研究势在必行［1］。

有限元数值模拟方法是预测截面畸变与回弹的重要手段，HopperstadOS［2］等运用数值模拟的方法，对矩形铝型材等曲率拉弯成形进行了拉弯工艺参数的有限元分析与试验，得出工件的回弹是受预拉力及材料的应变硬化指数控制。西北工业大学鱼二强［3］等基于MARC软件，对汽车门框复杂截面型材的回弹和起皱进行参数处理，得到预拉力和模具半径对回弹的影响。北京航空航天大学的刘志军［4］等基于PSBPD，对T型材拉弯夹钳加载轨迹进行设计并进行有限元法模拟，得到了加载轨迹及预拉伸量对回弹的影响。刘传香［5］等针对不等厚L型材，通过有限元仿真得到了预拉量和补拉量对截面畸变与回弹的影响。

目前，国内外对铝型材拉弯的成形性开展了一些研究，但是对于带凹陷的非对称截面型材的研究相对来说较少。针对其截面变形不均匀、尺寸精度难控制的特点，本文对带凹陷的非对称截面型材拉弯过程中夹持端的运动轨迹进行了设计，并探讨了预拉伸量、补拉伸量及摩擦因数等对截面畸变角和回弹量的影响。

▲图1 工作原理图

1 夹持端运动轨迹设计

▲图2 夹钳参考点加载轨迹

▲图3 有限元模型

型材拉弯过程的加载可采用力控制和位移控制的方式［6］。本文针对位移控制的加载方式进行模拟，位移控制方式是在拉弯成形时控制夹钳的位移量，拉弯过程分为4步：预拉→弯曲→补拉→加压盖板，工作原理如图1所示。

轨迹曲线的确定是将模具的外形曲线导入CATIA中，假定截面中性层长度在弯曲过程中保持不变，忽略由弯曲变形所引起的中性层偏移而导致的长度变化，然后选取足够多的切点作曲线的切线，模拟夹头在整个拉弯过程中的运动轨迹，图2所示是以夹钳参考点为原点的加载轨迹。

2 有限元模型的建立

采用ABAQUS动力显示模块进行拉弯成形过程的数值模拟，回弹采用静力隐式模块，有限元模型如图3所示，由铝型材、加压盖板、夹持端（左、右）和模具4部分组成。型材采用六面体实体单元，夹持端、加压盖板和模具视为离散刚体，均划分成4节点四边形壳单元。

采用AA7075铝合金挤压型材，长度为2750mm，型材截面形状如图4所示。退火状态的AA7075材料性能：弹性模量 E=71．2GPa，泊松比 μ=0．33，屈服强度σs=145．48MPa。材料的应力应变关系如图5所示。

3 不同工艺参数对拉弯成形质量的影响

本文所选择的型材其材料、加载方式及模具外形已确定，主要研究预拉伸量、补拉伸量及摩擦因数对型材拉弯成形质量的影响，缺陷评价方法如图6所示。

（1）预拉伸量影响。选择补拉伸量为40mm，由图7可知，截面畸变角随着预拉伸量的增加而增大；靠近原点截面处畸变角较大，靠近夹钳畸变角较小。从图8可以看出，回弹量随着预拉伸量的增加，逐渐减小。由模拟结果得知，当预拉伸量不足时，零件会发生起皱现象，随着预拉伸量的增大，起皱现象逐渐消失。本文根据试验条件和要求，选择预拉伸量为6．6mm。

（2）补拉伸量影响。选定预拉伸量为6．6mm，如图9所示，截面畸变角随着补拉伸量的增加而增大；靠近原点截面处畸变角较大，靠近夹钳畸变角较小。由图10可知，随着补拉伸量的增加，回弹有逐渐减小的趋势；补拉伸量增加到一定程度后，影响不再显著，但是对型材的成形质量却造成很大影响，甚至将型材拉裂。综合考虑，本文选取补拉伸量为40mm。

▲图4 型材截面形状

▲图5 AA7075应力应变关系

▲图6 型材缺陷评价方法

▲图7 预拉伸量与畸变角的关系

▲图8 预拉伸量与回弹量的关系

▲图9 补拉伸量与畸变角的关系

▲图10 补拉伸量与回弹量的关系

▲图11 摩擦因数与回弹量的关系

（3）摩擦因数的影响。选取预拉伸量6．6mm，补拉伸量40mm，改变摩擦因数的大小进行模拟。如图11所示，随着摩擦因数的增大，回弹量有增大的趋势，摩擦因素对回弹的影响较小。根据实际生产条件及要求，本文选定摩擦因数为0．15。

4 结束语

（1）截面畸变角随着预拉伸量或补拉伸量的增加而增加，而且靠近原点截面处畸变角较大，靠近夹钳处畸变角较小。

（2）随着预拉伸量或补拉伸量的增加，回弹有减小的趋势，当达到一定值以后影响逐渐减小。预拉伸量不足时，型材会发生起皱现象，随着预拉伸量的增加能够改善起皱现象。补拉伸量过大，型材有被拉裂的危险。

（3）摩擦因数对回弹影响较小，随着摩擦因数的增加，回弹有增大的趋势。

（4）通过数值模拟结果的对比分析，本文得出了基于带凹陷非对称截面型材有限元模型的合理参数，大大降低了生产中的试拉次数，提高了生产效率，为同类零件的成形提供了参考。

［1］ 刁可山，周贤宾，金朝海．铝合金型材拉弯成形研究进展［J］．塑性工程学报，2003，10（6）：38-41．

［2］ Hopperstad O S,B J Leira， S Remseth， et al．Reliabilitybased Analysis ofa Stretching-bending Process for Aluminum Extrusions［J］．Computers and Structures,1999,71:63-75．

［3］ 鱼二强,贺尔铭,王洪建．非对称型材拉弯成形的数值模拟研究［J］．科学技术与工程,2011,11（15）:3476-3480．

［4］ 刘志军,金朝海,李东升，等．基于PSBPD对 T型材拉弯夹钳加载轨迹设计及有限元法模拟 ［J］．塑性工程学报,2012,19（6）:109-113．

［5］ 刘传香,于中奇,来新民，等．不等厚截面铝型材拉弯尺寸精度参数化［J］．塑性工程学报,2012,19（1）:45-49．

［6］ Arild H Clausen,Hopperstad Odd S,Magnus Langseth．Sensitivity of Model Parameters in Stretch Bending of Aluminium Extrusions ［J］． International Journal of Mechanical Sciences,2001,43:427-453．