針對(duì)帶網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件滾彎成形后筋條屈曲失穩(wěn)和滾彎精度較差的問(wèn)題，建立網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件滾彎模型，通過(guò)有限元法分析零件在滾彎過(guò)程中的受力特點(diǎn)，提出了優(yōu)化后的網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗(yàn)證，滾彎成形時(shí)應(yīng)力水平較為均勻，變形得到有效控制。
1序言
帶網(wǎng)格內(nèi)腔的鋁合金零件質(zhì)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)帶網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件的特點(diǎn)，滾彎是應(yīng)用最多的一種成形方法[1]。常規(guī)工藝是先進(jìn)行板材彎曲，再進(jìn)行內(nèi)腔的加工，優(yōu)點(diǎn)是精度高，但是需要使用昂貴的五軸數(shù)控加工設(shè)備；另外一種方案是先加工網(wǎng)格內(nèi)腔，再進(jìn)行零件的滾彎，只需要普通三軸數(shù)控機(jī)床即可完成加工，但是在滾彎過(guò)程中網(wǎng)格處受力不均，容易造成筋條屈曲失穩(wěn)甚至斷裂，蒙皮褶皺。
國(guó)內(nèi)外有許多對(duì)帶網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件滾彎成形工藝的研究，劉勁松針對(duì)整體填料對(duì)網(wǎng)格內(nèi)腔零件滾彎成形的影響進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)填料可以改善受力不均和筋條失穩(wěn)的問(wèn)題，但是填料加工與固定較為繁瑣，且重復(fù)利用率較低[2]；郜陽(yáng)設(shè)計(jì)了上下焊接邊結(jié)構(gòu)優(yōu)化的零件，提高了零件滾彎成形后的直線度且減小了殘余應(yīng)力帶來(lái)的變形，但增加優(yōu)化結(jié)構(gòu)后零件質(zhì)量增大較多[3]。
本文在有限元分析的基礎(chǔ)上，提出在網(wǎng)格內(nèi)腔零件筋條以及網(wǎng)格四角銑削圓角的新思路，探究?jī)?yōu)化后的結(jié)構(gòu)對(duì)帶網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件滾彎成形精度的改善，可為相關(guān)航空航天零件的滾彎成形工藝提供參考。
2零件滾彎成形有限元模型的建立
2.1有限元分析幾何模型建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
圖1所示的網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件，外形尺寸約為520mm×260mm，加工網(wǎng)格為等尺寸正方形網(wǎng)格，邊長(zhǎng)為100mm，網(wǎng)格內(nèi)部蒙皮厚度為2.5mm，相鄰網(wǎng)格間筋條厚度為4mm，筋條高度為15mm，焊接邊高度為6mm。
圖1 網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件
在了解網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件在滾彎過(guò)程中受力情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體思路為：針對(duì)網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件的內(nèi)部網(wǎng)格，在滾彎加工前在網(wǎng)格四角銑削出半徑為5mm的圓角（見圖2a），并根據(jù)網(wǎng)格筋條的厚度，在全部網(wǎng)格筋條頂部銑削出半徑為2mm的倒圓角（見圖2b），改善筋條受力后屈曲變形和零件受力不均的情況。
a）R5mm圓角 b）R2mm倒圓角
圖2 網(wǎng)格內(nèi)腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意
滾彎成形是通過(guò)滾動(dòng)的輥軸形成三點(diǎn)連續(xù)彎曲，并逐步產(chǎn)生塑性彎曲。網(wǎng)格內(nèi)腔零件滾彎成形下壓過(guò)程如圖3所示，幾何模型尺寸見表1。
圖3 網(wǎng)格內(nèi)腔零件滾彎成形下壓示意
表1 幾何模型尺寸（單位：mm）
滾彎設(shè)備輥?zhàn)邮褂玫牟牧鲜浅邚?qiáng)度合金鋼42GrMo，由于其硬度高、不易變形，故作為剛體處理。鋁合金材料性能見表2[4]。
表2 鋁合金材料性能
2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置
有限元分析中網(wǎng)格劃分會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重要影響，合理的網(wǎng)格劃分既可以減少運(yùn)算量，又可以最大程度模擬真實(shí)變形情況[5]。本文選擇采用C3D8R的六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分后的模型如圖4所示。
圖4 網(wǎng)格劃分后的模型
3零件滾彎成形有限元分析
為分析兩種結(jié)構(gòu)在上輥下壓量相同時(shí)的等效應(yīng)力分布，分別對(duì)比上輥下壓結(jié)束（即第一步結(jié)束）時(shí)，以及第三步零件滾彎結(jié)束（上輥上升）時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力。第一步結(jié)束時(shí)未優(yōu)化的網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件的應(yīng)力云圖如圖5a所示，優(yōu)化后的零件應(yīng)力云圖如圖5b所示。由圖5可知，上輥下壓結(jié)束時(shí)，零件變形主要集中在兩個(gè)下輥之間的部位，其余大部分區(qū)域還未進(jìn)入塑性變形階段。對(duì)比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的應(yīng)力，并沿縱向位置測(cè)量焊接邊、筋條和蒙皮3處受力的大小，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，未優(yōu)化網(wǎng)格內(nèi)腔零件等效應(yīng)力均勻性較差，導(dǎo)致變形過(guò)程中產(chǎn)生了筋條屈曲、背部棱印等缺陷；優(yōu)化后零件整體應(yīng)力分布的均勻性提高，避免了筋條屈曲，并改善了背部棱印等缺陷。
a）優(yōu)化前
b）優(yōu)化后
圖5 第一步結(jié)束后零件應(yīng)力分布
圖6 零件縱向位置所受應(yīng)力
當(dāng)?shù)谌浇Y(jié)束時(shí)，下輥停止轉(zhuǎn)動(dòng)，上輥向上位移，零件應(yīng)力釋放。由圖7可以看出，相較于未優(yōu)化零件（見圖7a），優(yōu)化后的零件（見圖7b）未出現(xiàn)筋條屈曲開裂、背部棱印等缺陷，蒙皮、筋條和焊接邊3處受力均勻，在滾彎中3處都產(chǎn)生均勻的應(yīng)變，使優(yōu)化后的零件滾彎半徑和殘余應(yīng)力分布變得均勻，同時(shí)使得零件回彈和回彈后的半徑也更加均勻。
a）優(yōu)化前
b）優(yōu)化后
圖7 第三步結(jié)束后零件應(yīng)力分布
4 結(jié)束語(yǔ)
網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件滾彎成形時(shí)筋條受力不均是筋條屈曲失穩(wěn)、零件背部有棱印的主要原因。筋條結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的網(wǎng)格內(nèi)腔鋁合金零件在滾彎成形時(shí)各區(qū)域應(yīng)力水平接近一致，且在相同下壓量下，優(yōu)化后的零件滾彎成形后彎曲半徑更加均勻，獲得的成形件幾何精度高。
參考文獻(xiàn)：
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[5] 賴松柏，陳同祥.整體壁板填料輔助滾彎成型的動(dòng)力顯式分析方法[J].航天器工程，2012，21（3）：41-46.
本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2022年第8期第75~77頁(yè)，作者：上海航菱航空科技發(fā)展有限公司崔建昆，呂嗣孝，鄔華英，原標(biāo)題：《大型轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)主軸靜壓軸承故障分析及處理方案》。
（轉(zhuǎn)載）
