基于数值模拟的铝合金深盒形件成形工艺优化

文/白颖，韩艳彬，张欣，曹锋·中航飞机股份有限公司

白颖，高级工程师，主要从事钣金精确成形技术研究，主持 的《TB5钛 合金薄壁复杂零件冷压精确成形及焊接工艺研究》项目荣获2015年公司总经理科技创新一等奖；主持的《变曲率、框型复杂封闭件的成形改进》被评选为2016年度航空行业优秀质量管理项目，拥有11项专利，其中6项已授权。

板料拉深成形是现代工业特别是汽车、航空工业领域中一种重要的加工方法。铝合金具有密度小、强度高的特点，在航空工业中应用广泛。然而，硬铝合金相对于钢成形极限较低，常需在不同状态下多次拉深成形。

数值模拟是研究板料成形非常有效的方法。采用有限元法模拟板材成形过程可以减少试模时间，缩短产品研发周期，降低产品研发费用。在板料成形中，冷成形和单步拉深可以降低成本，最大程度的提高生产效益。本文以PAM-STAMP软件为基础，对大飞机的硬铝合金盒形钣金件的拉深成形过程进行了模拟，探索一次冷拉深成形零件的结构尺寸及相应工艺参数，并以实验验证。

零件分析

图1零件是飞机着陆灯系统上的盒形保护件，材料为2A12-O，厚度为2.5mm，型腔深度达160mm，周边约60mm的法兰边缘紧贴机身。法兰曲面的成形精度将直接影响机舱的密封性。

图1 初始设计零件

数值模拟

材料参数

材料参数见表1。

表1 2024-O-δ2.5mm材料参数

杨氏模量E/GPa 泊松比γ 屈服强度σs/MPa 硬化指数n 材料加工硬化系数K/GPa 73 0.33 72 0.233 0.326

坯料反算

坯料的大小是影响冲压的重要因素。利用PAM-STAMP软件冲压模块中的坯料反算功能模拟出该盆形件的展开形状，在此基础上对四个尖角进行光顺修边，得到一椭圆形毛坯料,如图2所示。

图2 初始毛坯

数值模拟模型

模具、毛坯有限元模型如图3所示。模型中凸模、凹模、压边圈作为刚体，板料作为变形体。整个冲压过程中，凸模不动。

图3 模具、毛坯有限元模型

首次模拟结果与分析

利用PAM-STAMP软件模拟零件一次拉深成形，模拟过程包括HOLDING（压边)和STAMPING（冲压）两个过程。凹模首先把板料压靠在压边圈上使其具备一定的弧度，此时材料不参与变形，厚度几乎没有改变，如图4所示。

而后随着凹模和压边圈的下移，板料实现拉深成形，当深度达到70mm时，贴附在压边圈上的板料已不再向盆腔内流动，只有侧壁和盆底的材料受深度方向的拉应力产生纵向拉深，以致于危险断面处的材料厚度仅剩0.18mm，模拟结果远远超出了拉深成形材料厚度允许的30%变薄量，如图5所示。

图4 毛坯HOLDING模拟结果

图5 毛坯STAMPING模拟结果

可见，该盒形件结构尺寸不具备工艺性。为此我们将凹模圆角和盒形件的四个圆角进行了加大，并把法兰尖角优化为大圆弧过渡，优化后的零件结构，如图6所示。

图6 首次优化设计

重构模型优化设计

针对优化后的产品，重新计算毛坯、设计模具，构造数值模拟模型，如图7所示。

通过软件的Import按钮,导入上一步计算好的坯料(partpunch.rst文件)作为本步的初始坯料，按首次优化后的盆形件数模进行仿真计算。模拟失败，零件危险断面处的材料厚度变化超过了50%，如图8所示。

图7 首次优化后的模具、毛坯有限元模型

图8 首次优化后的模拟结果

我们多次调整毛坯形状，从正方形到椭圆形，多次模拟无一成功，当零件拉深到150mm高度时，盆底材料厚度已接近30%的变薄极限，如图9所示。

图9 Results=state 9时的模拟结果

我们尝试着制作了一套简易拉深模验证模拟的准确性，如图10所示。当成形到约148mm时，零件出现断裂，与理论分析基本符合。

为此，在满足零件功能性要求的前提下，合理调节着陆灯安装位置及法兰凸缘连接尺寸，使盆腔高度降低至150mm，凸缘宽度也相应的减少了5mm，如图11所示。

图10 实验结果

图11 二次优化产品设计

坯料二次模拟优化

根据以往经验，我们在软件反算展开毛坯的基础上周圈均匀增加了约10mm修边余量，避免在拉深过程中，零件放置不到位而出现材料补给不足现象。对矩形盒件，当相对高度H/r较大、又接近于极限拉深条件时,往往在四个转角处出现较大的突耳。故我们将盒形件坯料草图再次优化，将其椭圆形展开状毛坯优化成如图12黑实线所示的形状。

图12 二次优化后坯料形状

模拟优化结果

模拟过程显示，侧壁材料流动比较均匀，但盒底转角处材料变薄严重，料厚最小处为1.96mm，法兰边出现局部材料增厚，料厚最大处为3.11mm，皆属公差可接受数值（见图13）。

图13 优化的模拟结果

从图14盒形件拉深模拟的成形极限图可以看出，点云虽在安全区域，但个别点显示已濒临破裂边缘，成形中还需安排必要的措施改善拉深成形材料的受力状态，以解决零件凸缘部分的起皱和侧壁危险断面的拉裂现象。

图14 模拟成形极限

验证

模具结构

该盒形件法兰部分贴合飞机前机身的下部蒙皮，具有一定的理论外形。在拉深过程中，压边圈与凹模曲面接触的各个点必须一一对应，为此我们在模具两侧增加了插入式导向挡块，如图15所示。

图15 拉深模主要部件的定位方式

毛坯

按展开毛坯的计算结果，制作了一块样板进行下料。最佳展开坯料的确定，也是对我们所作理论分析的一个认可，同时也肯定了PAM-STAMP软件反算输出展开模型的可行性（见图16）。

图16 拉深展开毛坯

模具

制作的模具如图17所示。试验中，通过改变不至于产生皱褶的压边间隙，实现了拉深时坯料流动的流畅性，防止了坯料出现起皱失稳现象。试验后的照片如图18所示。

图17 坯料与模具图

图18 成形后的照片

一次冷拉深成形试验成功，最终经过切边和钻孔后的零件如图19所示，经装配验证后满足设计功能要求。

结论

⑴通过对零件的模拟分析，确定了硬铝合金盒形零件成形的极限高度，优化了零件的外形结构及尺寸，改进了零件的成形工艺性。

⑵利用PAM-STAMP软件数值模拟和理论计算分析，确定了盒形零件展开毛坯的最佳工艺参数，减少了试模时间，显著提高了生产效率。

图19 最终零件照片

作者简介：