飞机小型薄板零件的冲压成形模拟

苏昱江

摘要：目前已广泛应用于汽车、航空、家电、包装等领域的2524-T3铝合金是未来交通工具蒙皮及内部加强筋板的轻量化、大批量生产制造的首选金属板材材料，将该材料用于成形一种新型小型飞机的门板薄板件时，由于铝合金本身相比钢铁加工时的回弹量要高，因而铝合金板件冲压加工的工艺参数优化成为了该加工方式的难点。为解决该问题，采用模拟仿真中的动态显式算法进行了该冲压过程的工艺参数优化;其中涉及的优化参数包含板料和模具间的摩擦系数，热冲压方式（即改变冲压时的材料弹性模量），冲压速度，即冲压时间-速度曲线，以及适应相应回弹量的模具的修形。使用Hypermesh完成网格划分，并使用ABAQUS有限元分析软件建立冲压成形的有限元计算模型，通过修改计算参数、重计算的方式，寻找减少冲压回弹的适合工艺参数。

关键词：冲压成形;回弹;ABAQUS;有限元模拟

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.097

0引言

沖压成形是指靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的加工成型方法。与传统的加工工艺相比，冲压成形具有生产效率高、易于机械化与自动化、质量稳定、可以加工较复杂的零件等优点，但成形精度是冲压成形面临的一个重要问题，由于工艺参数、模具参数和材料参数等影响，冲压过程中经常会出现回弹、破裂等现象，产生不符合要求的产品。

随着全球便利交通发展的趋势逐步增强，飞机，特别是小型飞机这一方便快捷的未来交通工具会得到越来越多的重视。而在飞机薄壁板件的制造过程中，小型薄板零件的冲压制造过程受到工艺参数、模具参数、制造环境条件和材料参数的影响，因而容易产生零件冲压后的回弹，零件的破裂失效等因素。虽然金属板料冲压成形能够成形形状复杂的零件，但复杂零件的形状很可能影响到成形件的成形精度和强度（可能产生裂纹或在冲压过程中失效破裂）。此外，影响冲压成形精度的因素有很多，如成形过程中的冲压速度，板料润滑条件，材料自身属性和冲压过程的工艺参数等。这些因素中的一种或者几种都将对冲压成形精度造成影响，这使得成形件精度，成形工艺参数控制的回弹补偿方面的研究变得较为复杂。因此，只有分别针对其中的某一方面进行系统的研究，才能得出影响因素最大和次要的条件，从而调整这些因素以得到可能的最优结果。

然而传统工艺采用试错法，对冲压模具进行修模，耗费了大量的人力、物力、财力。随着计算机技术与计算理论的发展，计算机辅助模具设计得到了越来越广泛的应用。所以，在实验前使用有限元方法对板材的冲压实验进行数值模拟，利用所得分析结果来指导板材的冲压实验就显得尤为重要，这样可大大地减少实验方案数，以较少的成本完成冲压实验。

目前，有 限 元 分 析 软 件 有Ansys、Deform、Dynaform、ABAQUS等软件。其中ABAQUS作为一套功能强大的模拟工程软件，其解决的问题从简单的线性问题到许多复杂的非线性问题，对飞机小型薄板零件冲压成形的有限元模拟非常方便。

1薄板零件特征

本文目标零件是成形小型飞机的门板部分设计零部件的关键部位（在冲压后需进行裁边处理得到最终零部件），如图1所示，该零件所具有的特征如下：

（1）零件厚度为2mm，使用材料为铝合金2524-T3。

（2）零部件的折弯位置（下部位置弯曲半径约为20mm，上部位置弯曲半径约为13.5mm，上部左侧端部弯曲半径约为10mm），以及中心位置的圆形凸台;零件左上方的孔洞需在冲压前进行切割（冲压后零件难以准确定位板料和冲裁方向），而在分析过程中忽略该孔洞对冲压过程的影响。目标零件（在冲压步骤中左上角的冲孔是由下一步冲孔工艺完成的，而非在本工艺步中完成）的特征如图1所示。

在完成零部件的模型建立后，便可通过专业的有限元网格划分软件Hypermesh，使用四边形壳单元完成了目标对象的有限元网格划分（不使用三角形单元以避免网格沙漏及应力集中情况的产生），结果如上图2所示，包含了凸模、凹模和板料的有限元网格。

2板料冲压回弹的模拟

本文使用专业的非线性有限元计算软件ABAQUS完成冲压回弹的模拟过程，使用其中的动态显式分析步，针对冲压过程进行模拟，而使用静态分析步作为回弹部分的模拟。板料的冲压回弹模拟过程如表1中所示。

此外，针对参数的调整，本文使用其内部自带宏语言keywords完成，可更改如零部件名称，材料属性，制定面、单元及节点集，以及分析步中的载荷加载参数和输出变量。由于该程序可自动被软件识别和读取计算，因而可直接编程求解，是一种高效、便捷的优化求解参数方法。

3工艺参数的优化

针对上述冲压回弹模拟过程，可知可优化的参数如下：

（1）通过在板料和凸模之间均匀涂抹润滑油或润滑脂的方式减小凸模和板料之间的摩擦系数（凹模和板料间需具有一定的摩擦系数，这里使用0.2，以确保板料在冲压过程中的准确定位，而不会产生相对滑移）。

（2）改变材料在冲压前的弹性模量（热冲压过程），以一定程度上减小板料的回弹量。

（3）改变冲压过程的工艺参数，如在整个冲压过程中，冲压速度（改变定值，或从某一时刻冲压速度呈现出某一方式进行变化）。

（4）模具的修改以适应回弹量，即根据回弹的预判重新设计模具（本文由于篇幅限制而不讨论该优化方法的使用）。

因而本文首先针对上述的第一和第三，这2个因素首先进行正交模拟冲压实验，以观察通过该调整工艺参数是否可能得出较好的冲压结果。通过摩擦系数设置为0.15、0.2、0.25和0.3的情况以及冲压时间为0.1、0.5、1的情况（冲压距离是恒定的19.5mm），最终通过调整摩擦系数为0.2，冲压时间为0.1s情况（冲压速度为0.39m/s）时，得到了较为良好的结果，如图3所示，结果中浅灰色部分为目标成形件形状，而深灰色为结果文件输出的结果模型，二者对比可发现除左上角位置与目标成形件最大差异为0.25mm外，其余部分差异均较小，基本满足冲压件要求。