多点成形路径对1561铝合金成形质量影响

多点成形路径对1561铝合金成形质量影响

王洪波;赖远权;付文智;李明哲;闫德俊;夏文亚;刘晓东;刘晓莉;刘一飞;韦林毅;钟发明;陈景光

【摘要】1561铝合金是一种新型的舰船用高性能材料,目前对其冲压成形性能研究较少.基于1561铝合金材料的某近似鞍形船用外板开发,分析了产生起皱缺陷的原因,通过有限元计算对1561铝合金的成形过程进行仿真,并预测成形缺陷,使用变路径成形技术解决了大变形量成形件的起皱缺陷问题,改善了成形件质量.通过某船用外板的多点成形实验,验证了多道次成形解决1561铝合金成形件起皱问题的可行性,并通过三维扫描对成形件的精度进行了检测.结果表明,通过多道次成形可得到无起皱缺陷的1561铝合金零件,提高了成形质量.

【期刊名称】《轻合金加工技术》

【年(卷),期】2018(046)003

【总页数】6页(P56-61)

【关键词】1561铝合金;多点成形;多道次成形;数值模拟

【作者】王洪波;赖远权;付文智;李明哲;闫德俊;夏文亚;刘晓东;刘晓莉;刘一飞;韦林毅;钟发明;陈景光

【作者单位】中船黄埔文冲船舶有限公司,广东广州511464;中船黄埔文冲船舶有限公司,广东广州511464;吉林大学无模成形技术开发中心,吉林长春130022;吉林大学无模成形技术开发中心,吉林长春130022;中船黄埔文冲船舶有限公司,广东广州511464;中船黄埔文冲船舶有限公司,广东广州511464;吉林大学无模成形技术开发中心,吉林长春130022;中船黄埔文冲船舶有限公司,广东广州511464;中船黄

埔文冲船舶有限公司,广东广州511464;中船黄埔文冲船舶有限公司,广东广州511464;中船黄埔文冲船舶有限公司,广东广州511464;中船黄埔文冲船舶有限公司,广东广州511464

【正文语种】中文

【中图分类】TG386

节能环保是当今人类社会的共识。为了提高舰船运输能效，规范和减少舰船二氧化碳排放，国际海事组织制定和批准了新船能效设计指数作为新船能效的衡量标准。采用轻量化船体结构材料，对于减少舰船自重、增加舰船载货量、提高新船能效设计指数具有重要意义。

1561铝合金[1-2]是一种密度小，比强度大，延伸性较好的铝合金，其化学成分见表1。与5083铝合金[3-4]相比，1561铝合金强度更高，在船舶制造高速化、轻量化、大型化趋势下，1561铝合金将会成为提高舰船质量和性能的优选材料。由于国内外对1561铝合金板料的成形少有报道，且船用零件生产的批量小,其生产

的整体模具制造周期长、成本高。而多点成形[5-7]是一种实现板料柔性成形[8-10]的成形技术[11]，可通过高度可调的基本体点阵构成的包络面对板料进行成形，一套多点成形设备通过计算机控制可以构造出不同曲率的型面，比传统模具的成本低，自动化程度高，适合新材料的成形试验及小批量零件的规范生产。

应产品开发需要，通过有限元软件对某船用零件的多点成形过程进行计算，研究了成形路径对1561铝合金塑性成形性的影响。通过改变成形路径解决了1561铝合金板料成形的起皱及回弹大等问题，改善了成形件的应变分布，提高了成形质量。通过对成形零件的三维扫描分析得到了多道次成形件的误差分布。

表1 1561铝合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical compositions of

1561 aluminum

alloy(wt/%)MgMnFeSiZnZrCuTiAl6.200.850.40.350.120.0170.012余量

1 成形原理及起皱预测

多点成形中，板料以面外弯曲变形为主，具有较小的面内变形。在无压边或无拉边条件下，若板料在一次成形中变形量较大，上下模具对板料法向约束不足，板料容易产生起皱等缺陷。

多道次成形就是把目标零件的大变形量分解为多个小变形量，通过多道次成形产生的小变形量累加达到大变形量。图1所示为板料的多道次多点成形示意图，每个

工步变形量较小，最终由小变形量的累加达到目标零件的大变形量。受传统模具成形中一套模具只能成形一种零件，且模具的设计、制造、调试周期长等特点的限制，使用传统模具实现多道次成形较为困难。多点模具由离散化并规则排列的基本体单元形成的基本体群组成，一套多点成形设备可通过数控调形快速构造不同型面，实现多道次成形，有效降低生产成本。理论上每一道次的变形量越小，最终成形件质量越高，但随着成形道次的增加，每一道次都需要调形，生产效率低，不利于推广。因此，多道次成形路径的设计以及有限元模拟的辅助优化是采用多道次成形方法不可缺少的环节。

图1 多道次成形示意图Fig.1 Diagram of multi-pass forming

多点模具成形中，模具型面各基本体高度在成形前已经确定，在成形过程中各基本体无相对运动。所以板料在成形过程中约束不足或无约束的区域易于发生所需能量较小的面外分叉，产生起皱缺陷。Hill建立了以变分方程表示的分叉充分条件[12]：δI=0

(1)

式中：

i—单元；

应力增量；

elj—从属节点与主面相对速度分叉解与基本解差；

从属节点与主面相对速度分叉解与基本解差；

V—体积。

当变形量较小时，式(1)具有唯一解，当变形量超过临界值时，式(1)的解不唯一，板料发生面外分叉。Hutchinson在DMV理论基础和Hill研究基础上，建立了薄壳发生分叉的能量函数[13]：

(2)

式中：

面内增量位移；

垂直于板材中间表面的增量位移；

面内应变增量；

面内弯曲应变增量；

面法线转角增量(i=1,2)；

Nij—壳的内力；

壳的弯矩增量；

壳的内力增量；

Ω—起皱对应的面区域。

当F>0时说明分叉变形使总势能增加，此情况不会自然发生，是一种稳定状态。当F<0时说明分叉变形使总势能降低，此情况是一种可自然发生的不稳定状态。因此起皱现象发生的临界条件为