數控金屬（shǔ）加工中帶網格內腔的鋁合金零件（jiàn）滾彎工藝

針對柵格型鋁合金零件軋製成形後筋條失穩和軋製精度差的問題，建立了柵格型鋁合金零件的軋製模（mó）型（xíng），利用有限元（yuán）方法分析了零件軋製過程中的力學特性，提出了柵格型鋁合金（jīn）零件的優化結構。驗證了輥彎過程中應力水（shuǐ）平均勻，變形（xíng）得到有（yǒu）效控（kòng）製。

1前言

帶網格型腔的鋁合金零件（jiàn）重量輕、強度好，廣（guǎng）泛應用於飛機機（jī）身機翼、火箭殼體等。根據鋁合金網格型腔零件的特（tè）點，滾彎是應用最廣泛（fàn）的成形方法[1]。常規工藝是先折（shé）彎板材，再加工（gōng）內腔。優點是精度（dù）高（gāo），但需要昂貴的五軸數控加工設備。另一種方案是先加工網格內腔，再滾壓零件，隻需普通三軸數控（kòng）機床（chuáng）即可完成。但在輥彎過程中，網格受（shòu）力不均勻，容（róng）易導致筋板屈曲失穩甚至斷裂，蒙皮起皺。

國內（nèi）外對網格狀腔體鋁合金零件（jiàn）的滾（gǔn）彎工藝研究較多。劉（liú）勁鬆探索了整體填料對網格腔體零（líng）件滾彎過程（chéng）的影響，發現填（tián）料可以改（gǎi）善筋條受力不均勻和不穩（wěn）定的問題，但填料的加工和（hé）固定複雜，重複利用率低[2]。富陽設計了上（shàng）下焊邊結構優化的零件，提高了零件滾壓成形後的直線度，減少了（le）殘餘應力引（yǐn）起的變形，但（dàn）加入優化（huà）結構後零件質量提（tí）高更多[3]。

在有限元分析的基礎上，提出（chū）了在網格型腔零件的筋和（hé）角部銑圓角的新思路，探索了通過優化結構提高鋁合金網（wǎng）格型腔零件（jiàn）的滾（gǔn）壓成形精度，可為相關航空航天零件的滾壓成形工藝提供參考。

兩部分滾壓成形有限元模型的建立

2.1有限元分析幾何模型建（jiàn）模和結構優化

圖1所示的帶網（wǎng）格型腔的鋁合金零件的外（wài）形（xíng）尺寸約為520mm×260mm。加工的網格為大小相等的正方形網格，邊長100mm，網格內部蒙皮厚度2.5mm，相鄰網格之間的（de）筋厚（hòu）4mm，筋高15mm，焊邊高度6mm。

在了解鋁合金零件在軋製過程中網（wǎng）格腔內的受力情況的基礎上，進行（háng）了結構優化。具體思路是:對於網格腔（qiāng）內（nèi）鋁合金零（líng）件的內網格，在軋製過程前在網格的四個角上銑（xǐ）出半徑（jìng）為5mm的圓角(見圖2a)，根據網（wǎng）格筋的厚度在所有網格（gé）筋的頂部銑出半徑為2mm的圓角(見圖2b)，以改善筋受（shòu）力後的（de）翹曲變形和零件受力不均勻。

滾壓（yā）成形是通過滾壓輥軸形成三（sān）點連（lián）續彎曲，逐漸產生塑性彎曲。網狀零件的滾壓過（guò）程如圖3所示，幾何模型的尺寸見表1。

彎曲設備的輥（gǔn）子材料為超高強度合金鋼42GrMo，因其硬度高，不易變形，故按剛體處理。鋁合（hé）金（jīn）的材料性能見表2[4]。

2.2網格生成和邊界（jiè）條（tiáo）件設置

有限元分析中的網格劃（huá）分會對結果產生（shēng）重要影響（xiǎng）。合理的網格（gé）生成不僅可以減少計算量，還可以最大（dà）程度的模擬真實變形[5]。本文選（xuǎn）用C3D8R六麵體網格（gé），網格劃分後的模型如圖4所（suǒ）示。

三（sān）件滾壓成形的有限元分析

為了（le）分（fèn）析上輥壓下量相同時兩種結構的等效應力分布（bù），比較了上輥（gǔn）壓下量完成時(即第一步完成)和第三步軋製零件時(上（shàng）輥上升)兩種結構的等效應（yīng）力。在第一步結束（shù）時，網格腔中未（wèi）優化的鋁合金零件的應力雲圖如圖5a所示，優化零件的應力（lì）雲圖如圖5b所示。從圖5可以看出（chū），當上輥（gǔn）壓下時，零件的變形主要集中在兩個下輥之間的部分，其他大部分區域還沒有進入塑性（xìng）變形階段。比較結構優化前後的應力（lì），並沿（yán）縱向位置測（cè）量焊邊、肋和蒙皮的應力。結果（guǒ）如圖（tú）6所（suǒ）示。可以看出，未優化的網格型腔零件（jiàn）等效應力均勻性較差，導（dǎo）致變形時出現筋條（tiáo）翹曲、背麵脊痕等缺陷。優化後提高了零件整體應力分（fèn）布的均勻性，避免了筋條的翹曲，改善了背麵的脊痕等缺陷。

當第三步完成後，下輥停止轉動，上輥向上移動，零件的應（yīng）力得到釋放。從圖7中可以看出，優（yōu）化後的零件(見圖7b)與未優化的零件(見圖7a)相比（bǐ），沒有出（chū）現筋板翹曲開裂、背麵脊痕等缺陷。蒙皮、筋條（tiáo）和（hé）焊邊應力均勻，軋製時三個部位都產生了均勻的應變，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

筋條受力不均勻是帶內腔鋁合金零件在（zài）滾彎過程中筋條（tiáo）失（shī）穩和背麵脊痕（hén）的主要（yào）原因。網格型腔優化筋結構的鋁（lǚ）合金零件在輥彎成形時各區域的應力水（shuǐ）平接近相同，在相同（tóng）的壓下量下，輥彎成形後優化零件的彎曲半徑更加均勻，成形零件的幾何精度高。