數控金屬加工中帶網格內腔（qiāng）的鋁合金零件滾彎工藝

針對柵（shān）格型鋁合金零（líng）件軋製成形後筋條失穩和軋製精度差的問題（tí），建立了柵（shān）格型鋁合金零（líng）件的軋製模型，利用有限元方法分析了零件軋製過程中的力學（xué）特性，提出了柵格型鋁合金零件的優化結（jié）構。驗證了輥彎過程中應力水平均勻，變形得到（dào）有效控製。

1前言

帶網格型腔的鋁合金零件重量輕、強度好，廣泛應用於飛機機身（shēn）機翼、火箭殼體（tǐ）等。根（gēn）據鋁合金網格型腔零件的特點，滾彎是應用（yòng）最廣泛的成形（xíng）方法[1]。常規工藝是先折彎板材，再加工內腔（qiāng）。優點是精度高，但需要昂貴的五軸數控加（jiā）工設備。另一種方案是先加工網格內（nèi）腔（qiāng），再滾壓零件，隻需普通三軸數控機床即可完成。但在輥彎過程（chéng）中，網格受力不均勻，容易導致筋板（bǎn）屈曲失穩（wěn）甚至斷裂，蒙皮起皺。

國內外對網格狀腔體鋁合金零件的（de）滾彎工（gōng）藝（yì）研究較多。劉勁鬆探索了整體填料對網格腔體零（líng）件滾彎過程的影響，發現填料可以改善筋條受力不均勻和不（bú）穩定的問題，但填料的加工和固定複雜，重複利用率低[2]。富陽設計了上（shàng）下焊（hàn）邊結構優化的零件，提（tí）高了零件滾壓成形後的直線（xiàn）度，減少了殘餘應力引起的變形，但加入優化結構後零件質量提高更多[3]。

在有限元分析的基礎（chǔ）上，提（tí）出了在網格型腔（qiāng）零件（jiàn）的筋和角部銑圓角的新思路，探索了通過優化結構提高鋁（lǚ）合金網格型腔零件的滾壓成形精度，可為相關航空航天零件的滾壓（yā）成（chéng）形工藝提供參考。

兩部分滾壓成形（xíng）有限元（yuán）模型的建立

2.1有限元（yuán）分析幾何模型建模和（hé）結構優化

圖1所示的帶網格（gé）型腔的鋁合金零件的外形尺寸約為520mm×260mm。加工的網格為大小（xiǎo）相等的正方形網格，邊長100mm，網格（gé）內部蒙皮厚度2.5mm，相鄰網格（gé）之間的筋厚4mm，筋高15mm，焊邊高度6mm。

在了解鋁合金零件在軋製（zhì）過程中網格（gé）腔內的受力情況的基礎上，進行了結構優化。具體思路是:對於（yú）網格腔內鋁合金零件的內網格（gé），在軋（zhá）製過程前在（zài）網格的四個角上銑（xǐ）出半徑為5mm的圓（yuán）角(見圖2a)，根（gēn）據網格筋的厚度在所（suǒ）有網格筋的頂部（bù）銑出半徑為2mm的圓（yuán）角(見圖2b)，以改善（shàn）筋受（shòu）力後（hòu）的翹曲變形和零（líng）件受力不均勻。

滾壓成（chéng）形是通過滾壓輥軸形成（chéng）三點（diǎn）連（lián）續彎曲，逐漸（jiàn）產生塑（sù）性彎曲。網狀零件的滾（gǔn）壓過程如圖3所示（shì），幾何模型的尺寸見表1。

彎曲設備的輥子材料為超高強度合金鋼42GrMo，因其硬度高（gāo），不易變形，故（gù）按剛體（tǐ）處（chù）理。鋁合金的材料（liào）性能見表2[4]。

2.2網格（gé）生成和邊界條件設置

有限元分析（xī）中的網格劃分會（huì）對（duì）結果產生（shēng）重要（yào）影響。合理的網格生成不僅可以減少計算量（liàng），還可以最大程度的模擬真實變形[5]。本文選用C3D8R六麵（miàn）體網格，網格劃分後的模型（xíng）如圖4所示。

三件滾壓成形的有限元分（fèn）析

為了分析上輥壓下量相同時兩種結構的等效應力分布，比較了上輥壓下（xià）量完成時(即第（dì）一步完成)和第三步軋製零件時(上輥上（shàng）升)兩種結（jié）構的等效應力。在第一步結（jié）束時，網格腔中未優化的鋁合金零件的應力雲圖（tú）如圖5a所（suǒ）示，優化（huà）零件的應力雲圖如圖5b所示。從圖5可以看出，當上輥壓下時，零件的（de）變形主要集中在兩個下輥（gǔn）之間的部分，其他大部分區（qū）域還沒有進入塑性變形階（jiē）段。比較結（jié）構優化前後的應力，並沿縱（zòng）向位置（zhì）測（cè）量焊邊、肋和蒙皮的應力。結果如圖6所示。可以看出，未優化的網格（gé）型腔零件（jiàn）等效應力均勻性較差，導致變形時出現（xiàn）筋條翹曲、背麵脊痕等缺（quē）陷。優（yōu）化後提高了零件整體應力（lì）分布的均勻性，避免了筋（jīn）條的翹曲，改善了背（bèi）麵（miàn）的脊痕等缺陷。

當第（dì）三步完成後，下輥停止轉動，上輥向上（shàng）移（yí）動（dòng），零件（jiàn）的應力得到釋放。從（cóng）圖7中（zhōng）可以看出，優化後的（de）零件(見圖7b)與未優化的零件(見圖7a)相比，沒（méi）有出現筋板翹曲開裂、背麵脊痕等（děng）缺陷。蒙皮、筋條和焊邊應（yīng）力均勻，軋製時三個部位都產生了均勻的（de）應變，使得優化後的零件軋製半徑和殘餘應力分布均勻，零件的回彈和回彈半徑更加均勻。

4結束語

筋條受力不均（jun1）勻是帶內腔鋁合金零件在滾彎過（guò）程中筋（jīn）條失穩和背麵脊痕的主要原因。網格型腔優化（huà）筋結構的鋁合金零件在輥彎成形時各區域的應力水平接近相同，在（zài）相同的（de）壓下量下，輥彎成形後優化零件的彎（wān）曲半徑更加均勻，成（chéng）形零件的幾何精度高。