铝合金壳体精密成形回弹控制工艺优化

梁家生

铝合金壳体精密成形回弹控制工艺优化

梁家生

（广西理工职业技术学校，南宁 530031）

精确控制铝合金壳体成形回弹角度，对铝合金壳体成形工艺进行优化。针对影响回弹角度的多个成形工艺参数（保温成形温度、模具间隙、摩擦因数和压边力）进行单变量逐步优化研究。随着保温成形温度的升高，壳体回弹角度因流变应力的降低和校正力的升高而逐渐降低；随着模具间隙的增大，可变动模具的圆角半径增大，板材贴合模具程度降低，壳体回弹角度逐渐增大；随着摩擦因数的增大，板材加工的形状与模具更契合，成形后回弹的角度降低；随着压边力的增大，板材内/外表面间的应力差大大降低，回弹角度逐渐降低。通过多个参数的逐步优化，获得最终优化工艺参数如下：保温成形温度为310 ℃，摩擦因数为0.15，模具间隙为1.1 mm，压边力为12 kN，对应的回弹角度为7.027°。

铝合金；回弹角度；保温成形温度；模具间隙；摩擦因数；压边力

随着我国装备制造业的不断创新和发展，金属材料的应用范围不断扩大，但同时也面临着一些挑战，例如轻量化、坚硬化、高质化、精密化等。因此，需要在传统铸造工艺的基础上添加附属功能，使整个铸件达到全面化、高效化、绿色化的实际应用目标[1-2]。以铝合金壳体为例，传统的铝合金壳体成形工艺方法较为老旧、单一，容易产生误差和裂纹[3]，使废件率逐步上升[4-5]。面对高速发展的制造行业，传统的铝合金成形工艺已无法满足行业需求，需要设计更加灵活多变的成形技术，以满足不同的铸造环境，即根据实际情况，实时调整壳体结构或成形方案，对壳体细节进行微调，增强壳体成形过程的合理性[6-9]。

陈超等[10]研究了U形弯曲铝合金，发现弯曲回弹角随弯曲间隙的增大而增大，且与薄板相比，弯曲间隙对厚板弯曲回弹角的影响更明显，随着凹模入口圆弧半径的增大，薄板弯曲回弹角呈先降后增的变化趋势，而对厚板则几乎无影响。沈智等[11]研究发现，影响回弹的主要因素是成形过程中的板料初始温度和模具工作温度，温度越高，回弹越小。胡丽华等[12]为了减小铝合金U形件弯曲成形的回弹角，提出了基于三黑洞系统粒子群算法的成形工艺优化方法，优化后的回弹角均值比优化前的减小了9.37%，标准差也略有下降，说明经过优化后，U形件回弹角有一定减小，且质量稳定性有一定提高。胡福泰等[13]用DEFORM软件对6063铝合金复杂腔体零件中U形筋板冷挤压成形面内应力进行了计算，研究发现，随着凸模圆角的半径增大，拉应力峰值明显下降，峰值应力出现部位向筋板中心移动，筋板中部拉应力明显增大，证明通过调整凸模圆角半径可以使筋板面内拉应力分布趋于均衡，有利于U形筋板的挤压成形。

文中以铝合金壳体U形成形工艺为研究对象，对影响回弹角度的多个成形工艺参数进行逐步优化，以获得最终的优化工艺参数组合。

1 实验

实验所用铝合金板材原料为5754铝合金，研究各成形工艺因素对壳体U形弯曲回弹的影响规律，各因素取值如下：保温成形温度分别为50、115、180、245、310 ℃，模具间隙分别为1.1、1.2、1.3 mm，摩擦因数分别为0.05、0.1、0.15，压边力分别为3、6、9、12 kN。用于U形弯曲实验的板材尺寸为长度75 mm、宽度15 mm、厚度1 mm，弯曲实验通过液压机进行。

2 铝合金壳体成形工艺优化

2.1 保温成形温度

铝合金U形壳体回弹角度随保温成形温度的变化趋势如图1所示，其中摩擦因数为0.15，压边力为12 kN。从图1可以看出，在相同模具间隙条件下，随着保温成形温度的升高，壳体回弹角度逐渐降低，当模具间隙为1.1 mm、保温成形温度从50 ℃升高至310 ℃时，对应的回弹角度从8.475°降低至7.027°；当模具间隙为1.2 mm、保温成形温度从50 ℃升高至310 ℃时，对应的回弹角度从8.834°降低至7.150°；当模具间隙为1.3 mm、保温成形温度从50 ℃升高至310 ℃时，对应的回弹角度从9.075°降低至7.237°。

图1 壳体回弹角度随保温成形温度的变化趋势

产生以上现象主要是因为[14]铝合金板材的流变应力随着温度的升高而降低，而回弹角度的大小却与流变应力呈正相关关系，同时，在铝合金壳体U形成形的过程中，所需的弯曲力也将会随着温度的升高而降低，此值的减小将会引起板材上校正力的增大，因此流变应力的降低和校正力的升高都将引起回弹角度的减小。

2.2 模具间隙

铝合金U形壳体回弹角度随模具间隙的变化趋势如图2所示，其中摩擦因数为0.15，压边力为12 kN。从图2可以看出，在相同保温成形温度条件下，随着模具间隙的增大，壳体回弹角度逐渐增大。这是因为在板材弯曲成形过程中，凹凸模间隙越大，可变动模具的圆角半径越大，板材的贴模程度越低，对弯曲板材直边部分径向约束的作用越小，板材产生的塑性变形越小，进而引起回弹角度增大。

图2 壳体回弹角度随模具间隙的变化趋势

2.3 摩擦因数

铝合金U形壳体回弹角度随摩擦因数的变化趋势如图3所示，其中模具间隙为1.1 mm，压边力为12 kN。从图3可以看出，在相同保温成形温度条件下，随着摩擦因数的增大，壳体回弹角度逐渐降低。在板材成形过程中，板材和模具间的摩擦也是影响回弹角度的重要因素之一，摩擦因数的大小将会明显影响材料的流动。在弯曲变形过程中，摩擦力对板材各个位置的应力均会产生影响，随着摩擦因数的增大，板材外表面受拉应力影响的变形区域面积增大，从而使板材内表面和外表面的应力状态趋于相同，使板材加工的形状与模具更契合，进而降低了成形后的回弹角度。

图3 壳体回弹角度随摩擦因数变化趋势

2.4 压边力

铝合金U形壳体回弹角度随压边力的变化趋势如图4所示，其中保温成形温度为310 ℃，模具间隙为1.1 mm，摩擦因数为0.15。从图4可以看出，随着压边力的增大，壳体回弹角度逐渐降低。

压边力在板材成形过程中可通过摩擦产生表面牵引力拉伸和控制材料流动来防止板材起皱，但是这同时也会引起板材破裂[15]。随着外界压边力的增大，板材拉伸效果增加，在容易产生回弹的圆角和直壁区域，会引起压应力作用区向拉应力作用区转移，使内外表面间应力差大大降低，进而导致回弹减小。

2.5 回弹角度

组合工艺中单因素对应的回弹角度和极差分析结果如表1所示。其中每行数据对应的是单一变量的不同取值。从极差分析结果可以看出，保温成形温度极差＞压边力极差＞摩擦因数极差＞模具温度极差，说明保温成形温度对回弹角度的影响最大，压边力的影响次之，模具温度的影响最低。

图4 壳体回弹角度随压边力的变化趋势

表1 单因素回弹角度数值与极差分析

Tab.1 Numerical analysis of springback angle of single process

3 结论

以铝合金壳体成形工艺优化为主要研究对象，针对影响回弹角度的多个成形工艺参数（保温成形温度、模具间隙、摩擦因数和压边力）进行逐步优化。随着保温成形温度的升高，壳体回弹角度因流变应力的降低和校正力的升高而逐渐降低；随着模具间隙的增大，可变动模具的圆角半径增大，板材的贴合模具程度降低，壳体回弹角度逐渐增大；随着摩擦因数的增大，板材加工的形状与模具更契合，进而降低了成形后回弹的角度；随着压边力的增大，板材内外表面间的应力差大大降低，回弹角度逐渐降低。通过多个参数的逐步优化，获得最终优化工艺参数如下：保温成形温度为310 ℃，摩擦因数为0.15，模具间隙为1.1 mm，压边力为12 kN，此时对应的回弹角度为7.027°。

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Optimization of Precision Forming Process for Aluminum Alloy Shell

Liang Jiasheng

(Guangxi Polytechnic Vocational Technical School, Nanning 530031, China)

This study takes the optimization of the forming process of aluminum alloy shell as the main research object. In order to improve the springback angle performance of aluminum alloy shell forming. Aimed at multiple forming process parameters that affect the springback angle: heat preservation forming temperature, mold clearance, friction coefficient and blank holder force, a univariate stepwise optimization study was carried out. With the increase of heat preservation forming temperature, the shell springback angle gradually decreased due to the decrease of flow stress and the increase of correction force; with the increase of die gap, the fillet radius of the variable die increased, and the sheet fit the die. The lower the degree is, the springback angle of the shell gradually increases; with the increase of the friction coefficient, the shape of the sheet is more suitable for the mold, thereby reducing the springback angle after forming; the blank holder force increases, and the inner/outer surface of the sheet The stress difference is greatly reduced, and the springback angle is gradually reduced. Through the step-by-step optimization of multiple parameters, the final optimized process is obtained as the heat preservation forming temperature of 310 ℃, the film material coefficient of 0.15, the die gap of 1.1 mm, the blank holder force of 12 kN, and the corresponding springback angle of 7.027°.

aluminum alloy; springback angle; heat preservation forming temperature; die gap; friction coefficient; blank holder force

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.013

TG319

A

1674-6457(2024)02-0104-04

2022-09-01

2022-09-01

梁家生. 铝合金壳体精密成形回弹控制工艺优化[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 104-107.

Liang Jiasheng. Optimization of Precision Forming Process for Aluminum Alloy Shell[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 104-107.