基于有限元仿真的铝合金钣金件橡皮囊精确成形工艺研究

基于有限元仿真的铝合金钣金件橡皮囊精确成形工艺研究

苏德豪 汪海峰 李财正 金妍

沈阳飞机工业（集团）有限公司

摘要:钣金零件精确成形技术是保证钣金零件质量，降低生产成本，提高生产效率的重要手段。橡皮囊成形技术是钣金精确成形重要的方法之一。该工艺具有以下优点： 成形零件表面质量好、效率高、工装成本低，适合小批量、多品种的产品生产，在航空制造领域中应用十分广泛。本文的重点是解决铝合金零件橡皮囊成形难题，将钣金零件毛料预示技术及有限元仿真技术运用于成形过程中，以期实现铝合金零件橡皮囊精确成形。通过本文的研究，实现了典型铝合金钣金件的橡皮囊精确成形，研究成果 将有助于指导飞机制造的实际工艺过程。

关键词：橡皮囊成形，铝合金，精确成形， PAM -Stamp仿真分析

1 实施背景

铝合金因其具有耐腐蚀性强、比强度高、疲劳抗力较高及切削加工性好，目前逐渐广泛应用于汽车、航空、航天、建筑、兵器、造船等工业领域，特别在航空工业中，铝合金零件是先进制造技术的重要标志。对于成形方式，相比于冲压成形方式，橡皮囊成形具有可以成形复杂形状零件、 减少模具数量、厚度分布均匀和回弹较小等优点。

相比于其他成形方式，橡皮囊成形具有自己独特的优势：一次可同时成形多个零件，生产效率高；模胎结构简单，只使用半模；零件的表面质量高，没 有擦伤或划伤等，设备通用，工艺装备简单，调节方便，生产率高等。但是橡皮囊成形也存在不少缺点：压力高，容框面积大。橡皮成形机床的工作台面积和单位压力不断增大，最大压床现已超过1000MN, 成形机床的价格非常昂贵；成形后的零件还要整形；成形零件的高度有限制:橡皮使用寿命有限。国内所有主机厂也都进口了先进的高压橡皮囊液压机，在硬件设备上并不落后，但制造能力还停留在较低的水平，主要体现在：

1）零件成形的几何精度较低，影响后续装配。如果用橡皮囊成形工艺生产的直弯边、曲弯边、浅拉深件等特征的零件，其成形后回弹明显。按目前几何精度的要求，零件角度误差必须在 1～1.5°以内。不管是退火态材料还是淬火态材料，采用此方法直接成形得到的零件的回弹误差均超过要求。

2）手工敲修量大，表面质量差。对于回弹误差等精度问题，一般借助手工敲修的方法来达到设计精度要求。对于破裂问题，一般是依靠前期手工辅助成形，结合后期手工修整来解决。

3）生产工序较多，效率低。目前的工序为“（退火态）成形－手工校形－ 淬火热处理－新淬火态校形－时效强化”，其中反复的“成形”和“手工校形”十分影响工作效率。飞机制造厂希望通过实现“淬火－成形－时效强化”的“一步法”工序来加快制造速度。

以上落后现状，是传统工艺准备手段的落后和先进数字化工艺准备手段的缺失所造成的。

本文将研究铝合金钣金件的橡皮囊成形技术。在橡皮囊成形中采用的毛坯料通常是通过 C A D 软件进行几何展开获得，但在成形过程中毛料材料的流动会造成成形后尺寸与理论值不符。另外，橡皮囊成形最大的难题是回弹控制，过去往往通过“试错法”不断地重复进行试模、修模，达到控制回弹的效果，生产成本高，效率低。针对这种现象，本文研究基于 PAM -INWERSE 模块的橡皮囊成形毛坯预示技术和基于PAM -AutoStamp模块的铝合金钣金件的橡皮囊成形模拟技术。通过有限元技术对成形过程的模拟分析成形过程中的起皱、破裂等缺陷，通过回弹分析，为改进模具设计和改变毛坯尺寸提供依据。

2 橡皮囊成形的有限元仿真模拟

2.1 典型铝合金钣金件成形工艺分析

本文选取的“Z”型钣金纵梁零件，腹板面带凹槽下陷，零件为异向弯边。其成形方式如图 1 所示，零件无法一次成形，凹槽部位，易起皱;形状复杂，贴胎度差为了提高零件生产效率、减少模具数量、降低成本、缩短零件制造周期。本文主要针对零件成形过程中可能出现的问题，进行模拟仿真分析，判断成形过程中的缺陷以及回弹误差。

图1

2.2有限元结果分析

（1）应力分析

零件成形过程中主要缺陷有两种，其中起皱是因为局部材料流动不均匀产生了局部的材料堆积，拉裂则是在变形过程中超过了板料的强度极限引起的。在板料成形过程中，板料内局部拉压应力的分布情况导致板料在不同区域的厚度不同的真正原因。因此，研究板料在成形过程的应力应变对实际的生产过程尤其是在缩短模具的研发周期、节约模具的开成本等方面具有重要的指导意义。图为角压条零件橡皮囊成形后的应力状态情况。从图中可知零件最大应力集中在翻边边缘处，最大应力为 0.23G Pa。原因是该区域相对于板料来讲变形程度非常大所以导致板料在成形后该区进入到塑性变形区域由于此处采用了止裂孔的设计，可以预防此处破裂，由应力分析图2可以看出该处应力集中属于正常范围，不会产生破裂。

图二

（2）厚度分析

橡皮囊成形后零件的厚度变薄主要集中在翻边变形最大处。材料成形后厚度分布情况如图 3 所示。从图中可以看出，材料最厚厚度为 2.56m m ,最薄厚度为1.68m m ，零件成形后厚度分布均匀，增厚、减薄量不超过 0.015m m 。根据航标飞机钣金尺寸公差及技术条件，该零件成形后的最小厚度为 1.37m m，因此可以得出结论，在该零件橡皮囊成形过程中材料增厚、减薄并不是主要缺陷，不会影响零件成形质量。通过对零件应力以及厚度的分析，可以确定零件成形过程中无明显起皱以及破裂缺陷。

图三

（3）回弹分析

橡皮囊成形零件的主要问题是回弹，对于回弹情的分析，可以指导和优化模具的设计与制造，一副好的模具是橡皮囊成形的关键。回弹主要原因是材料在经过弹塑性变形后弹性变形部分在成形结束后回复原状，只保留塑性变形部分，造成零件成形后，实际成形结果与模具不一致。存在一定间隙，通过对零件成形后回弹情况的分析，我们可以看出，零件是否符合零件贴膜度的要求。

根据该铝合金零件橡皮囊成形过程的仿真结果，通过分析应力云图、厚度分布云图，可以分析零件成形过程中的主要缺陷情况，包括起皱以及破裂分析零件回弹分布云图，可以对模具的设计与制造进行优化和指导。在该零件成形结果中，成形过程中无明显缺陷，但需要对模具进行修回弹，以达到更好的成形效果。

3.结论

1.相比于普通铝合金零件，铝合金零件成形困难，最主要的问题是回弹较大 不易控制，因此对典型铝合金钣金件进行了有限元分析。

2. 通过有限元模拟仿真的计算结果，分析出典型件成形过程中无明显起皱 以及破裂现象，通过对回弹的分析，可以指导和优化模具的设计，进而达到减 少修模次数，提高生产效率，降低生产成本的目的

参考文献

[1] 常福荣等.飞机钣金零件制造技术[M ].北京: 国防工业出版社,1992.

[2] 王海宇.飞机钣金工艺学[M ].西安:西北工业大学出版社,2011.

[3] 李寿萱.钣金成形原理与工艺[M ].西安:西北工业大学出版社,1985

[4] 常荣福，陈孝戴，周安龙.橡皮囊成形工艺及设备综述[J].北京航空航天大学学报，1980