带网格内腔的铝合金零件滚弯工艺

崔建昆，吕嗣孝，邬华英

上海航菱航空科技发展有限公司 上海 201404

1 序言

带网格内腔的铝合金零件质量轻、强度好，广泛应用于飞机机身机翼、火箭壳体等。根据带网格内腔铝合金零件的特点，滚弯是应用最多的一种成形方法[1]。常规工艺是先进行板材弯曲，再进行内腔的加工，优点是精度高，但是需要使用昂贵的五轴数控加工设备；另外一种方案是先加工网格内腔，再进行零件的滚弯，只需要普通三轴数控机床即可完成加工，但是在滚弯过程中网格处受力不均，容易造成筋条屈曲失稳甚至断裂，蒙皮褶皱。

国内外有许多对带网格内腔铝合金零件滚弯成形工艺的研究，刘劲松针对整体填料对网格内腔零件滚弯成形的影响进行探究，发现填料可以改善受力不均和筋条失稳的问题，但是填料加工与固定较为繁琐，且重复利用率较低[2]；郜阳设计了上下焊接边结构优化的零件，提高了零件滚弯成形后的直线度且减小了残余应力带来的变形，但增加优化结构后零件质量增大较多[3]。

本文在有限元分析的基础上，提出在网格内腔零件筋条以及网格四角铣削圆角的新思路，探究优化后的结构对带网格内腔铝合金零件滚弯成形精度的改善，可为相关航空航天零件的滚弯成形工艺提供参考。

2 零件滚弯成形有限元模型的建立

2.1 有限元分析几何模型建模与结构优化

图1所示的网格内腔铝合金零件，外形尺寸约为520mm×260mm，加工网格为等尺寸正方形网格，边长为100mm，网格内部蒙皮厚度为2.5mm，相邻网格间筋条厚度为4mm，筋条高度为15mm，焊接边高度为6mm。

图1 网格内腔铝合金零件

在了解网格内腔铝合金零件在滚弯过程中受力情况的基础上进行结构优化，具体思路为：针对网格内腔铝合金零件的内部网格，在滚弯加工前在网格四角铣削出半径为5mm的圆角（见图2a），并根据网格筋条的厚度，在全部网格筋条顶部铣削出半径为2mm的倒圆角（见图2b），改善筋条受力后屈曲变形和零件受力不均的情况。

图2 网格内腔结构优化示意

滚弯成形是通过滚动的辊轴形成三点连续弯曲，并逐步产生塑性弯曲。网格内腔零件滚弯成形下压过程如图3所示，几何模型尺寸见表1。

图3 网格内腔零件滚弯成形下压示意

表1 几何模型尺寸 （单位：mm）

滚弯设备辊子使用的材料是超高强度合金钢42GrMo，由于其硬度高、不易变形，故作为刚体处理。铝合金材料性能见表2[4]。

表2 铝合金材料性能

2.2 网格划分与边界条件设置

有限元分析中网格划分会对结果产生重要影响，合理的网格划分既可以减少运算量，又可以最大程度模拟真实变形情况[5]。本文选择采用C3D8R的六面体网格，网格划分后的模型如图4所示。

图4 网格划分后的模型

3 零件滚弯成形有限元分析

为分析两种结构在上辊下压量相同时的等效应力分布，分别对比上辊下压结束（即第一步结束）时，以及第三步零件滚弯结束（上辊上升）时两种结构的等效应力。第一步结束时未优化的网格内腔铝合金零件的应力云图如图5a所示，优化后的零件应力云图如图5b所示。由图5可知，上辊下压结束时，零件变形主要集中在两个下辊之间的部位，其余大部分区域还未进入塑性变形阶段。对比结构优化前后的应力，并沿纵向位置测量焊接边、筋条和蒙皮3处受力的大小，结果如图6所示。由图6可知，未优化网格内腔零件等效应力均匀性较差，导致变形过程中产生了筋条屈曲、背部棱印等缺陷；优化后零件整体应力分布的均匀性提高，避免了筋条屈曲，并改善了背部棱印等缺陷。

图5 第一步结束后零件应力分布

图6 零件纵向位置所受应力

当第三步结束时，下辊停止转动，上辊向上位移，零件应力释放。由图7可以看出，相较于未优化零件（见图7a），优化后的零件（见图7b）未出现筋条屈曲开裂、背部棱印等缺陷，蒙皮、筋条和焊接边3处受力均匀，在滚弯中3处都产生均匀的应变，使优化后的零件滚弯半径和残余应力分布变得均匀，同时使得零件回弹和回弹后的半径也更加均匀。

图7 第三步结束后零件应力分布

4 结束语

网格内腔铝合金零件滚弯成形时筋条受力不均是筋条屈曲失稳、零件背部有棱印的主要原因。筋条结构优化后的网格内腔铝合金零件在滚弯成形时各区域应力水平接近一致，且在相同下压量下，优化后的零件滚弯成形后弯曲半径更加均匀，获得的成形件几何精度高。