铝合金浅盘件液压拉深成形的回弹数值模拟研究

林冬燕

摘 要：本文运用Dynaform软件对铝合金浅盘形件的液压拉深成形的过程进行了数值模拟。分析了板材成形过程中应力分布对成形后零件的回弹特征的影响。同时也分析了相关工艺参数对铝合金件回弹的影响。模拟结果表明：液压成形的浅盘件回弹特征有别于刚模成形，并且适当提高压边力和摩擦系数能降低零件的回弹量。

关键词：铝合金；液压成形；数值模拟；回弹

1 引言

铝合金板材广泛用于航空、交通、家电等领域，但铝合金板材室温下塑性成形时回弹较大，影响所成形零件的形状与尺寸精度[1]。研究者将一些特殊的成形工艺用于铝合金板材零件的成形，探索提高铝合金成形性降低零件回弹的方法，如超塑成形、温成形、VPF成形等[2-3]。而液压成形技术常见于管材内高压成形或者充当背压用于板材充液拉深。这里将液压成形工艺用于铝合金板材的拉深成形，使液压作为主要成形压力作用在板材上而使其产生变形。通过数值模拟手段研究铝合金板材液压拉深成形的回弹问题，分析工艺参数对回弹的影响。

2 有限元建模

铝合金零件材料为6016铝合金，厚度为1mm，为浅盘件，其拉深成形属于浅盒形拉深。由于零件具有对称性，因此在进行有限元建模时取四分之一作为对象进行建模，如图1所示。在有限元模型中，凹模和压边设置为刚体，板材采用BT壳单元化分网格，为提高模拟精度，板材厚向取7个积分点。材料力学性能直接调取Dynaform材料库中的6016铝合金37号（各向同性）材料模型。为保证板材顺利完全贴模，成形过程采用渐进形加载方式进行加载，最大压强为25MPa。成形后零件的回弹假设为无模回弹，零件的约束形式如图2所示。

3 结果与分析

3.1 回弹特征分析

铝合金盘形件回弹后的截面形状可以看出零件底部截面向上偏离正常截面。在其它工艺参数相同情况下，刚模成形零件回弹后截面形状则向下偏离正常截面。两种工艺产生不同回弹现象的主要原因是板材在液压成形和刚模成形过程中产生不同的应力状态。液压成形时，模腔内的板材在液体压强的作用下首先弯曲成曲率较大的弧形，而在后期与模腔贴模过程中板材在压强的作用下逐渐由弧形转变成平直状态，因此，在这个过程中板材上表面的径向应力由初始的拉应力变成贴模时的压应力，而下表面仍为拉应力。对于刚模成形而言，板材上下表面的径向应力一直为拉应力，并且在摩擦力的作用下，上表面的径向应力大于下表面。因此，应力状态的不同致使板材的回弹特征产生差异。

3.2 工艺参数对回弹的影响

3.2.1 压边力的影响

为研究压边力对铝合金零件回弹的影响规律，这里选择了三种大小的压边力（整体压边的四分之一）进行了模拟，分别为1200N、2400N和4800N。三种压边力下，零件回弹后的截面形状如图3所示。从图中可以看出，随着压边力的增加，零件平底部分相对于中心点的回弹量降低。这可能是由于压边力的增加，使材料流动方向的阻力增加，即径向的阻力增加，致使板材沿厚向的应力梯度降低，从而导致板材的回弹量降低。因此，对于此类浅盘零件采用液压成形时可以适当的增加压边力来降低零件的回弹。

3.2.2 润滑条件的影响

润滑条件也是影响板材成形质量的因素，这里为研究润滑条件的影响，在其它工艺参数不变的条件下，改变板材与模具表面间的摩擦系数，分别为0.08、0.125以及0.2，三种不同摩擦系数条件下所获得的模拟结果如图4所示。润滑条件的差异使板材与模具之间的摩擦系数也有所不同，因此三种摩擦系数代表了三种润滑条件。增加摩擦系数也会使板材径向的阻力增加，从而使板材沿厚向的应力梯度降低，导致板材的回弹量降低。因此，对于所研究的浅盘零件，采用合理的润滑条件也能起到降低回弹的作用。

4 结论

本文采用Dynaform软件对铝合金浅盘零件的液压成形工艺进行了模拟，研究了该类型零件在液压成形工艺条件下的回弹特征以及成形工艺对其回弹的影响，获得如下结论：液压成形工艺成形的浅盘件的平底部分径向应力状态与传统刚模成形零件不同，致使前者的回弹特征有别于传统刚模成形零件；对于浅盘件来说，适当的增加压边力以及摩擦系数提高了材料流动阻力，能降低零件的回弹量。

参考文献

[1] J. T. Gau， G. L. Kinzel. A New Model for Springback Prediction for Aluminum Sheet Forming[J]. Journal of Engineering Materials and Technology. 2005， 127： 279-288

[2] D. M. Li， A. K. Ghosh. Biaxial Warm Forming Behavior of Aluminum Sheet Alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology. 2004， 145： 281-293

[3] 李毅，王忠金，李延平.基于VPF工艺的铝合金覆盖件回弹研究[J].材料科学与工艺，2012 （4）：80-83.