針對柵格型鋁合金零件軋制成形后筋條失穩(wěn)和軋制精度差的問題，建立了柵格型鋁合金零件的軋制模型，利用有限元方法分析了零件軋制過程中的力學(xué)特性，提出了柵格型鋁合金零件的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。驗(yàn)證了輥彎過程中應(yīng)力水平均勻，變形得到有效控制。

1前言

帶網(wǎng)格型腔的鋁合金零件重量輕、強(qiáng)度好，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼、火箭殼體等。根據(jù)鋁合金網(wǎng)格型腔零件的特點(diǎn)，滾彎是應(yīng)用最廣泛的成形方法[1]。常規(guī)工藝是先折彎板材，再加工內(nèi)腔。優(yōu)點(diǎn)是精度高，但需要昂貴的五軸數(shù)控加工設(shè)備。另一種方案是先加工網(wǎng)格內(nèi)腔，再滾壓零件，只需普通三軸數(shù)控機(jī)床即可完成。但在輥彎過程中，網(wǎng)格受力不均勻，容易導(dǎo)致筋板屈曲失穩(wěn)甚至斷裂，蒙皮起皺。

國內(nèi)外對網(wǎng)格狀腔體鋁合金零件的滾彎工藝研究較多。劉勁松探索了整體填料對網(wǎng)格腔體零件滾彎過程的影響，發(fā)現(xiàn)填料可以改善筋條受力不均勻和不穩(wěn)定的問題，但填料的加工和固定復(fù)雜，重復(fù)利用率低[2]。富陽設(shè)計(jì)了上下焊邊結(jié)構(gòu)優(yōu)化的零件，提高了零件滾壓成形后的直線度，減少了殘余應(yīng)力引起的變形，但加入優(yōu)化結(jié)構(gòu)后零件質(zhì)量提高更多[3]。

在有限元分析的基礎(chǔ)上，提出了在網(wǎng)格型腔零件的筋和角部銑圓角的新思路，探索了通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高鋁合金網(wǎng)格型腔零件的滾壓成形精度，可為相關(guān)航空航天零件的滾壓成形工藝提供參考。

兩部分滾壓成形有限元模型的建立

2.1有限元分析幾何模型建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖1所示的帶網(wǎng)格型腔的鋁合金零件的外形尺寸約為520mm×260mm。加工的網(wǎng)格為大小相等的正方形網(wǎng)格，邊長100mm，網(wǎng)格內(nèi)部蒙皮厚度2.5mm，相鄰網(wǎng)格之間的筋厚4mm，筋高15mm，焊邊高度6mm。

在了解鋁合金零件在軋制過程中網(wǎng)格腔內(nèi)的受力情況的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體思路是:對于網(wǎng)格腔內(nèi)鋁合金零件的內(nèi)網(wǎng)格，在軋制過程前在網(wǎng)格的四個(gè)角上銑出半徑為5mm的圓角(見圖2a)，根據(jù)網(wǎng)格筋的厚度在所有網(wǎng)格筋的頂部銑出半徑為2mm的圓角(見圖2b)，以改善筋受力后的翹曲變形和零件受力不均勻。

滾壓成形是通過滾壓輥軸形成三點(diǎn)連續(xù)彎曲，逐漸產(chǎn)生塑性彎曲。網(wǎng)狀零件的滾壓過程如圖3所示，幾何模型的尺寸見表1。

彎曲設(shè)備的輥?zhàn)硬牧蠟槌邚?qiáng)度合金鋼42GrMo，因其硬度高，不易變形，故按剛體處理。鋁合金的材料性能見表2[4]。

2.2網(wǎng)格生成和邊界條件設(shè)置

有限元分析中的網(wǎng)格劃分會對結(jié)果產(chǎn)生重要影響。合理的網(wǎng)格生成不僅可以減少計(jì)算量，還可以最大程度的模擬真實(shí)變形[5]。本文選用C3D8R六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分后的模型如圖4所示。

三件滾壓成形的有限元分析

為了分析上輥壓下量相同時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布，比較了上輥壓下量完成時(shí)(即第一步完成)和第三步軋制零件時(shí)(上輥上升)兩種結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力。在第一步結(jié)束時(shí)，網(wǎng)格腔中未優(yōu)化的鋁合金零件的應(yīng)力云圖如圖5a所示，優(yōu)化零件的應(yīng)力云圖如圖5b所示。從圖5可以看出，當(dāng)上輥壓下時(shí)，零件的變形主要集中在兩個(gè)下輥之間的部分，其他大部分區(qū)域還沒有進(jìn)入塑性變形階段。比較結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的應(yīng)力，并沿縱向位置測量焊邊、肋和蒙皮的應(yīng)力。結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，未優(yōu)化的網(wǎng)格型腔零件等效應(yīng)力均勻性較差，導(dǎo)致變形時(shí)出現(xiàn)筋條翹曲、背面脊痕等缺陷。優(yōu)化后提高了零件整體應(yīng)力分布的均勻性，避免了筋條的翹曲，改善了背面的脊痕等缺陷。

當(dāng)?shù)谌酵瓿珊?，下輥停止轉(zhuǎn)動，上輥向上移動，零件的應(yīng)力得到釋放。從圖7中可以看出，優(yōu)化后的零件(見圖7b)與未優(yōu)化的零件(見圖7a)相比，沒有出現(xiàn)筋板翹曲開裂、背面脊痕等缺陷。蒙皮、筋條和焊邊應(yīng)力均勻，軋制時(shí)三個(gè)部位都產(chǎn)生了均勻的應(yīng)變，使得優(yōu)化后的零件軋制半徑和殘余應(yīng)力分布均勻，零件的回彈和回彈半徑更加均勻。

4結(jié)束語

筋條受力不均勻是帶內(nèi)腔鋁合金零件在滾彎過程中筋條失穩(wěn)和背面脊痕的主要原因。網(wǎng)格型腔優(yōu)化筋結(jié)構(gòu)的鋁合金零件在輥彎成形時(shí)各區(qū)域的應(yīng)力水平接近相同，在相同的壓下量下，輥彎成形后優(yōu)化零件的彎曲半徑更加均勻，成形零件的幾何精度高。