薛 杰 秦中環(huán) 李保永 劉 偉 徐 凱 李 信

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大尺寸帶通孔鋁合金板材熱成形工藝研究

薛 杰 秦中環(huán) 李保永 劉 偉 徐 凱 李 信

（北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013）

以大尺寸帶通孔鋁合金板材熱成形工藝過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)Deform-3D有限元分析軟件進(jìn)行板材熱成形數(shù)值模擬。結(jié)果表明：板材上通孔沿周向熱成形比沿其它方向熱成形的變形程度小，原因在于沿周向熱成形時(shí)通孔大部分區(qū)域的等效應(yīng)力為80MPa，比沿其它方向熱成形時(shí)通孔的等效應(yīng)力小。試驗(yàn)驗(yàn)證帶通孔板材沿周向熱成形相比沿其它方向熱成形，通孔的變形程度小，一般不大于3%，且零件的型面精度較好，間隙小于0.2mm，與模擬仿真吻合。

大尺寸；帶通孔板材；鋁合金；熱成形；數(shù)值模擬

1 引言

隨著航天航空、交通運(yùn)輸、武器裝備等高新技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高性能鋁合金產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)，且對(duì)產(chǎn)品的成形精度要求也越來(lái)越高[1～3]。大尺寸帶通孔鋁合金曲面蒙皮作為新型產(chǎn)品冷卻系統(tǒng)的一部分，其蒙皮的成形精度直接關(guān)系產(chǎn)品的整體服役性能。

大尺寸帶通孔鋁合金曲面蒙皮主要制造方法是板材先鉆通孔后熱成形，由于鋁合金板材在熱成形前已有通孔，所以在熱成形過(guò)程中由于板材上通孔周邊受力不均勻，導(dǎo)致板材上通孔的變形程度不同，進(jìn)而影響零件的成形精度。然而，目前沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)帶通孔板材熱成形后的變形程度報(bào)道。隨著有限元仿真應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，利用仿真模擬金屬的塑性成形可大大減少實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)也可進(jìn)行新成形工藝的前沿理論分析[4～11]。

因此，針對(duì)大尺寸帶通孔鋁合金板材的熱成形進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，分析板材上的通孔沿周向熱成形與沿其它方向熱成形時(shí)變形特點(diǎn)，探究熱成形對(duì)大尺寸板材上通孔的變形規(guī)律，進(jìn)而為該類零件設(shè)計(jì)和制造提供科學(xué)的參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用5A06-O鋁合金20mm厚板材，其化學(xué)成分如表1所示。5A06鋁合金具有抗腐蝕，易于成形加工，可焊性及低溫性能良好，是航空航天、交通運(yùn)輸、武器裝備等領(lǐng)域的重要材料。

表1 試驗(yàn)用5A06鋁合金化學(xué)成分 wt%

圖1 試驗(yàn)板材尺寸圖

圖2 板材沿周向熱成形示意圖

試驗(yàn)板材尺寸為20mm×750mm×900mm，且沿板材軋制方向有三個(gè)10mm的通孔，其具體尺寸如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備采用法國(guó)ACB 500T 熱成形/超塑成形機(jī)。圖2所示為板材沿周向熱成形示意圖（注：沿周向熱成形指變形時(shí)通孔彎曲方向與模具弧度方向一致，反之為不沿周向熱成形）。

3 大尺寸帶通孔鋁合金板材熱成形數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型的建立

應(yīng)用Deform-3D有限元模擬軟件模擬分析板材的成形過(guò)程。采用三維設(shè)計(jì)軟件UG建立凸模、凹模和板料模型，然后將模型導(dǎo)入Deform，假設(shè)模具為剛體，忽略其在成形過(guò)程中的變形，板料為塑性體，采用四面體劃分方式網(wǎng)格劃分板料，網(wǎng)格數(shù)量76473個(gè)，節(jié)點(diǎn)18772個(gè)，最小網(wǎng)格單元尺寸為2.27mm。由于材料庫(kù)中未自帶5A06鋁合材料模型，則選用近似5A06的Al-5056材料模型模擬計(jì)算。板料成形溫度根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定為350℃。凸模與坯料，凹模與坯料之間的接觸采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)=0.3。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.2.1 沿周向熱成形對(duì)板材上通孔變形的影響

蒙皮沿周向熱成形終了時(shí)通孔端面和整個(gè)通孔截面的成形效果如圖3所示。由圖3可知，沿周向熱成形時(shí)，三個(gè)通孔基本無(wú)變形，截面均為圓形，1號(hào)通孔平均直徑約為9.8mm，2號(hào)通孔平均直徑約為9.9mm，3號(hào)通孔平均直徑約為9.8mm，且通孔兩端的平均直徑比中間部分平均直徑小，即通孔兩端變形比中間部分大。

分析整個(gè)通孔的等效應(yīng)力，圖4所示為三個(gè)通孔成形終了時(shí)通孔等效應(yīng)力分布情況圖。由圖4可知，三個(gè)通孔所受的等效應(yīng)力趨勢(shì)相同，均在通孔兩端處等效應(yīng)力較大，通孔大部分區(qū)域等效應(yīng)力約80MPa，端部約110MPa。每個(gè)通孔中間大部分區(qū)域等效應(yīng)力均較小，這是由于板材在熱成形過(guò)程中，首先與上模接觸受力部位是兩端處，因此這兩處等效應(yīng)力比中間部位等效應(yīng)力大，進(jìn)而兩端處的孔也比中間部分孔小一些，與圖3吻合，但是通孔的整體變形程度仍然較小，所以3個(gè)通孔平均直徑均約為10mm。

圖4 沿周向熱成形通孔的等效應(yīng)力分布情況圖

3.2.2 不沿周向熱成形對(duì)板材上通孔變形的影響

板材不沿周向熱成形終了時(shí)通孔端面與整個(gè)通孔截面的成形效果如圖5所示。由圖5可發(fā)現(xiàn)，沿其他方向熱成形時(shí)（即不沿周向熱成形），1號(hào)通孔平均直徑約為9.6mm，2號(hào)通孔平均直徑約為9.6mm，3號(hào)通孔平均直徑約為9.4mm，則3號(hào)通孔的變形程度最大；同時(shí)3個(gè)通孔中間部分孔直徑較為均勻，但均有不同程度的減小，1、2號(hào)通孔中間區(qū)域平均直徑約為9.7mm，3號(hào)通孔中間區(qū)域平均直徑約為9.5mm。

圖5 沿其他方向熱成形通孔端面和截面的成形效果圖

圖6所示為三個(gè)通孔成形終了時(shí)通孔等效應(yīng)力分布情況圖。由圖6可知，三個(gè)通孔的大部分區(qū)域的等效應(yīng)力均約為100MPa，比沿周向熱成形時(shí)通孔等效應(yīng)力80MPa大，因此，不沿周向熱成形孔尺寸均變小。同時(shí)，3號(hào)位置通孔中間區(qū)域等效應(yīng)力比1號(hào)、2號(hào)通孔的均大，約為150MPa，所以3號(hào)通孔變形程度最大，即最內(nèi)側(cè)孔變形程度最大。

圖6 不沿周向熱成形通孔的等效應(yīng)力分布情況圖

4 工藝試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 熱成形對(duì)大尺寸帶通孔鋁合金板材成形精度的影響

在ACB 500T 熱成形/超塑成形機(jī)中進(jìn)行熱成形試驗(yàn)，成形溫度為350℃，板材沿周向與不沿周向熱成形后與模具貼合情況示意圖，如圖7所示。由圖7a可知，板料沿周向熱成形后，與模具貼合情況較好、縫隙較小，采用樣板對(duì)鋁合金零件型面進(jìn)行測(cè)量，樣板與鋁合金零件型面最大間隙為0.2mm；由圖7b可知，不沿周向熱成形后，零件與模具間隙較沿周向熱成形大，型面最大間隙約為0.35mm。考慮是因?yàn)椴谎刂芟驘岢尚螘r(shí)，板材在熱成形過(guò)程中，型面每個(gè)區(qū)域的受力不同，則相應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變不同，且不均勻性較大；而沿周向熱成形時(shí)，型面受力對(duì)稱，因此沿周向熱成形相比不沿周向熱成形，沿周向熱成形零件的型面間隙小于不沿周向熱成形的零件。

圖7 板材熱成形后與模具貼合情況

4.2 熱成形對(duì)大尺寸帶通孔鋁合金板材通孔變形程度的影響

圖8 板材沿周向熱成形后通孔變形情況

圖8所示為板材沿周向熱成形后通孔變形情況。由圖可知，三個(gè)通孔端部變形均較小，仍為圓形，平均直徑約為10mm；同時(shí)用鋼球測(cè)量整個(gè)通孔，發(fā)現(xiàn)1號(hào)孔最大能通過(guò)直徑為9.7mm的鋼球，2號(hào)孔最大能通過(guò)直徑為9.8mm的鋼球，3號(hào)孔最大能通過(guò)直徑為9.7mm的鋼球，這與模擬結(jié)果基本相似，即三個(gè)通孔的變形程度均在3%以內(nèi)，變形程度均較小。

圖9所示為板材不沿周向熱成形后通孔變形情況。由圖可知，3個(gè)通孔端部均發(fā)生不同程度的變形，截面均呈橢圓形，且最內(nèi)側(cè)通孔端部變形最為嚴(yán)重；同樣用鋼球測(cè)量，發(fā)現(xiàn)1號(hào)孔最大可以通過(guò)直徑為9.4mm的鋼球，2號(hào)孔最大可以通過(guò)直徑為9.4mm的鋼球，3號(hào)孔最大可以通過(guò)9.2mm的鋼球，這與模擬結(jié)果也基本相似，3號(hào)通孔變形程度最大，進(jìn)而通過(guò)最大直徑的鋼球最小，則不沿周向熱成形3個(gè)通孔變形程度可達(dá)約8%。

綜上所述，可知板材沿周向熱成形通孔的變形程度較小，基本與未熱成形前的通孔相同；而不沿周向熱成形，板材上各通孔均發(fā)生不同程度的變小，且最內(nèi)一側(cè)的通孔變形程度最大，與模擬結(jié)果吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

a. 通過(guò)板材熱成形數(shù)值模擬，得出板材上通孔沿周向熱成形比不沿周向熱成形的變形程度??；

b. 沿周向熱成形時(shí)通孔大部分區(qū)域的等效應(yīng)力為80MPa，比不沿周向熱成形時(shí)通孔的等效應(yīng)力100MPa小，因此沿周向熱成形通孔變形程度較??；

c. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證帶通孔板材沿周向熱成形相比不沿周向熱成形，沿周向熱成形零件的型面間隙小于不沿周向熱成形的零件，且其通孔的變形程度也較小，與模擬仿真吻合。

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Study on Hot Forming Technology of Large Size Aluminum Alloy Sheet with through Holes

Xue Jie Qin Zhonghuan Li Baoyong Liu Wei Xu Kai Li Xin

(Beijing Hangxing Machine Manufacture Co., Ltd., Beijing 100013)

For hot forming process of large size aluminum alloy sheet with through hole, the hot forming process was simulated by Deform-3D finite element analysis software.The results show that, the deformation degree of through-hole forming along circumferential direction is smaller than that of non-circumferential direction. The reason is that the equivalent stress in most areas of through-hole forming along circumferential direction is 80MPa, which is lower than that of through-hole forming without circumferential direction. The experiment verified that, comparing circumferential hot forming with non-circumferential hot forming, the deformation degree of through-hole of the former is less than 3%. The profile accuracy of the sheet along circumferential hot forming is better, and the clearance is less than 0.2mm, which is consistent with the simulation.

large size；sheet with through hole；aluminum alloy；hot forming；numerical simulation

航天飛航彈體及發(fā)射裝備輕量化柔性制造成套設(shè)備應(yīng)用示范（2018ZX04014-001）。

薛杰（1990），助理工程師，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：輕合金熱成形/熱擠壓。

2018-12-06