隨著航空航天、汽車和高速列車等工業的快速發展，零件大型化、整體化趨勢明顯，大型型材零件的使用日漸增多，主要製造工藝之一的拉彎成形也受到越來越多的關注。型材的截面形狀型別多、差異大，不同形狀和彎曲尺寸的型材拉彎過程中出現的問題不盡相同，除存在起皺、拉裂和回彈等與板材成形相同的缺陷外，還存在著截面畸變和縱向扭曲等特殊問題，質量控制難度加大。
大尺寸中空截面的異型型材在拉彎過程中，因其空心、薄壁、不對稱等特點，易出現截面畸變、外緣破裂、解除安裝回彈和回彈後扭轉等問題，成形精度難以保證。有限元數值模擬作為一種先進的成形工藝最佳化技術，已經在生產實踐中得到廣泛應用，可以有效縮短生產週期，降低試錯法的生產成本，提高加工準確性。採用數值模擬技術對型材拉彎工藝過程進行分析，可以最佳化載入方式、載入速度等工藝引數，減小和預防截面畸變等缺陷，為實際生產中制定成形工藝規範提供可靠的依據。
針對航天工業中應用的大尺寸開口型材零件成形中出現的問題，設計了適用的模具，輔以內加填充物的成形方法，採用ABAQUS軟體對其拉彎過程進行數值模擬和工藝引數最佳化，有效地減小了截面畸變，並根據數值模擬結果，提出了合理的載入成形方式，對生產實踐進行指導。
研究現狀
型材拉彎是指型材在彎曲的同時施加切向拉力，以克服內側的起皺及傳送截面內的應力分佈以減少回彈，提高成形精度。拉彎成形可以分為由力控制的拉彎成形和由位移控制的拉彎成形。從使用的裝置上看，由力控制的拉彎成形通常可以分為直進檯面拉彎成形、轉臂式拉彎成形（圖1）及轉檯式拉彎成形三種方式。
圖1 轉臂式拉彎過程
實際生產中經常採用拉－彎和拉－彎－拉的載入方式。拉－彎－拉載入模式的優點是回彈量較小，能夠消除材料的初始變形，殘餘應力較小，對收邊拉彎能有效地防止腹板失穩起皺；缺點是補拉過程受摩擦力的影響，材料受力不均勻造成變形不均勻，並且增大了截面畸變。
拉－彎方法同樣能夠消除材料的初始變形，有效地防止失穩起皺，同時操作更為簡單，不受摩擦力的影響；缺點是回彈量較大。
目前對拉彎的研究主要採用解析計算法、試驗分析法和數值模擬3種方法，由於型材拉彎成形的複雜性，理論解析時需要作許多假設，不涉及截面形狀的變化，因而理論解析方法有一定的侷限性，不足以指導實際生產。而單純的實驗研究費用貴且週期長。採用數值模擬對工藝過程進行模擬研究，可縮短生產週期，降低試驗試錯的生產成本，提高加工準確性。
有限元模型
型材力學效能的確定
所用的材料為鋁合金型材2A12-O，實際生產中在退火狀態下成形，預拉－彎曲結束後，進行淬火熱處理，在新淬火狀態下進行補拉。初始退火狀態材料效能由單拉試驗獲得，單拉試樣直接在型材上用電火花線切割獲得。E=7。1729×104MPa，ν=0。367，σ0。2= 153。52MPa，σb=256。28MPa，δu=23。5％，r=0。66763，K=329。105，n=0。1445。
中空型材在成形過程中，容易發生截面變形、區域性下陷、翹曲等，從而影響成形質量，因此在本模擬中，使用橡膠作為內部填充物，橡膠材料應用超彈性理論描述其變形效能，其本構關係用三次減縮多項式形式的應變能表示。
根據所選用的材料，取C10=0。461312，C20=0。01752，C30=8。81×10-5，單位均為MPa。
模擬中採用Hill48各向異性屈服準則，選用庫侖摩擦定律處理型材與模具間的摩擦接觸，取摩擦係數為μ=0。15。
零件特徵分析
本文所研究的截面有兩種，分別如圖2，3所示，所用零件為半圓弧形，半徑R=2598。5mm，均為大尺寸的開口非對稱薄壁型材。原始材料軸向尺寸大（約8m，由對稱性取1/2模型進行計算，考慮給夾持端預留的長度，材料長度達4。5m）。
模具設計與處理
大尺寸開口薄壁型材在彎曲過程中截面畸變嚴重，為防止上緣塌陷，模具分別設計如圖4所示。
圖2 大尺寸開口截面型材零件
圖3 大尺寸異型截面型材零件
圖4 模具設計
力學和位移邊界條件
在Abaqus中，採用位移和角度控制方式。預拉階段，控制夾鉗運動使型材沿長度方向伸長。補拉階段，彎曲角度不變，控制夾鉗沿夾持端切線方向伸長。載入速度為400mm/s，位移載入曲線採用在step中定義smooth step的方式。彎曲階段在夾持端所載入荷為F=σ・s，夾鉗旋轉角速度為0。803r/s。
成形缺陷的定義
針對本文研究的兩種截面形狀，對截面畸變、回彈定義如圖5所示。
有限元模擬結果與分析
開口薄壁型材在成形過程中最大的成形缺陷之一是上緣塌陷，導致截面嚴重變形。圖6為是否新增填充物的模擬結果對比。圖7為內加填充物拉彎的最大應力和應變。其中Mises應力為216。9MPa，塑性應變為5。58％，均在材料成形極限範圍內，因而方法可行。
型材中對稱面上，不加填充物最大塌陷量為27。384mm，回彈後扭轉量為992。972mm；加填充物最大塌陷為0。4983mm，回彈後扭轉量為39。15mm。可見改進模具設計與加填充物的方法有效地減輕了截面畸變的程度，提高了零件成形精度。
預拉量和補拉量對成形的影響如圖8，9所示。
結束語
（1）大尺寸開口薄壁型材拉彎中，受徑向壓應力作用，上緣面塌陷嚴重。根據具體截面形狀合理設計模具形狀，並在內部加入支撐物，可有效減小截面塌陷和回彈後扭轉量。
圖5 成形缺陷的定義
圖6 截面上緣面下陷對比
圖7 加填充物模擬應力應變分佈
（2）預拉量增加，圖5a中e1、e2、e4的值均增大，其中e1變化最為明顯。下緣偏轉值e3、e5受模具限制，變化不明顯。在分析截面畸變數隨預拉、補拉的變化規律時，主要考察e1、e2、e4的變化。
圖8 預拉量對成形精度的影響
圖9 補拉量對成形精度的影響
（3）預拉量對回彈後半徑增加值影響不明顯。
（4）補拉量對截面畸變的影響並不明顯，且小於預拉量對畸變的影響。
⑸補拉對回彈影響顯著，隨著補拉增加，最大半徑增加值顯著減小，但補拉大於1。24％後，影響不大。
透過數值模擬實驗，對兩種大尺寸複雜截面型材拉彎工藝進行研究，對模具進行了合理設計，從一定程度上避免了收邊拉彎起皺、空間扭轉的產生，透過內加充填物的方式，有效地改善了截面下陷的狀況；透過對預拉量、補拉量的研究，確定了最佳預拉－補拉值為0。78％、1。24％。
——摘自《鈑金與製作》 2012年第6期
