鋁合金殼體精密成形回彈控制工藝優化

梁家生

鋁合金殼體精密成形回彈控制工藝優化

梁家生

（廣西理工職業技術學校，南寧 530031）

精確控制鋁合金殼體成形回彈角度，對鋁合金殼體成形工藝進行優化。針對影響回彈角度的多個成形工藝參數（保溫成形溫度、模具間隙、摩擦因數和壓邊力）進行單變量逐步優化研究。隨著保溫成形溫度的升高，殼體回彈角度因流變應力的降低和校正力的升高而逐漸降低；隨著模具間隙的增大，可變動模具的圓角半徑增大，板材貼合模具程度降低，殼體回彈角度逐漸增大；隨著摩擦因數的增大，板材加工的形狀與模具更契合，成形后回彈的角度降低；隨著壓邊力的增大，板材內/外表面間的應力差大大降低，回彈角度逐漸降低。通過多個參數的逐步優化，獲得最終優化工藝參數如下：保溫成形溫度為310 ℃，摩擦因數為0.15，模具間隙為1.1 mm，壓邊力為12 kN，對應的回彈角度為7.027°。

鋁合金；回彈角度；保溫成形溫度；模具間隙；摩擦因數；壓邊力

隨著我國裝備制造業的不斷創新和發展，金屬材料的應用范圍不斷擴大，但同時也面臨著一些挑戰，例如輕量化、堅硬化、高質化、精密化等。因此，需要在傳統鑄造工藝的基礎上添加附屬功能，使整個鑄件達到全面化、高效化、綠色化的實際應用目標[1-2]。以鋁合金殼體為例，傳統的鋁合金殼體成形工藝方法較為老舊、單一，容易產生誤差和裂紋[3]，使廢件率逐步上升[4-5]。面對高速發展的制造行業，傳統的鋁合金成形工藝已無法滿足行業需求，需要設計更加靈活多變的成形技術，以滿足不同的鑄造環境，即根據實際情況，實時調整殼體結構或成形方案，對殼體細節進行微調，增強殼體成形過程的合理性[6-9]。

陳超等[10]研究了U形彎曲鋁合金，發現彎曲回彈角隨彎曲間隙的增大而增大，且與薄板相比，彎曲間隙對厚板彎曲回彈角的影響更明顯，隨著凹模入口圓弧半徑的增大，薄板彎曲回彈角呈先降后增的變化趨勢，而對厚板則幾乎無影響。沈智等[11]研究發現，影響回彈的主要因素是成形過程中的板料初始溫度和模具工作溫度，溫度越高，回彈越小。胡麗華等[12]為了減小鋁合金U形件彎曲成形的回彈角，提出了基于三黑洞系統粒子群算法的成形工藝優化方法，優化后的回彈角均值比優化前的減小了9.37%，標準差也略有下降，說明經過優化后，U形件回彈角有一定減小，且質量穩定性有一定提高。胡福泰等[13]用DEFORM軟件對6063鋁合金復雜腔體零件中U形筋板冷擠壓成形面內應力進行了計算，研究發現，隨著凸模圓角的半徑增大，拉應力峰值明顯下降，峰值應力出現部位向筋板中心移動，筋板中部拉應力明顯增大，證明通過調整凸模圓角半徑可以使筋板面內拉應力分布趨于均衡，有利于U形筋板的擠壓成形。

文中以鋁合金殼體U形成形工藝為研究對象，對影響回彈角度的多個成形工藝參數進行逐步優化，以獲得最終的優化工藝參數組合。

1 實驗

實驗所用鋁合金板材原料為5754鋁合金，研究各成形工藝因素對殼體U形彎曲回彈的影響規律，各因素取值如下：保溫成形溫度分別為50、115、180、245、310 ℃，模具間隙分別為1.1、1.2、1.3 mm，摩擦因數分別為0.05、0.1、0.15，壓邊力分別為3、6、9、12 kN。用于U形彎曲實驗的板材尺寸為長度75 mm、寬度15 mm、厚度1 mm，彎曲實驗通過液壓機進行。

2 鋁合金殼體成形工藝優化

2.1 保溫成形溫度

鋁合金U形殼體回彈角度隨保溫成形溫度的變化趨勢如圖1所示，其中摩擦因數為0.15，壓邊力為12 kN。從圖1可以看出，在相同模具間隙條件下，隨著保溫成形溫度的升高，殼體回彈角度逐漸降低，當模具間隙為1.1 mm、保溫成形溫度從50 ℃升高至310 ℃時，對應的回彈角度從8.475°降低至7.027°；當模具間隙為1.2 mm、保溫成形溫度從50 ℃升高至310 ℃時，對應的回彈角度從8.834°降低至7.150°；當模具間隙為1.3 mm、保溫成形溫度從50 ℃升高至310 ℃時，對應的回彈角度從9.075°降低至7.237°。

圖1 殼體回彈角度隨保溫成形溫度的變化趨勢

產生以上現象主要是因為[14]鋁合金板材的流變應力隨著溫度的升高而降低，而回彈角度的大小卻與流變應力呈正相關關系，同時，在鋁合金殼體U形成形的過程中，所需的彎曲力也將會隨著溫度的升高而降低，此值的減小將會引起板材上校正力的增大，因此流變應力的降低和校正力的升高都將引起回彈角度的減小。

2.2 模具間隙

鋁合金U形殼體回彈角度隨模具間隙的變化趨勢如圖2所示，其中摩擦因數為0.15，壓邊力為12 kN。從圖2可以看出，在相同保溫成形溫度條件下，隨著模具間隙的增大，殼體回彈角度逐漸增大。這是因為在板材彎曲成形過程中，凹凸模間隙越大，可變動模具的圓角半徑越大，板材的貼模程度越低，對彎曲板材直邊部分徑向約束的作用越小，板材產生的塑性變形越小，進而引起回彈角度增大。

圖2 殼體回彈角度隨模具間隙的變化趨勢

2.3 摩擦因數

鋁合金U形殼體回彈角度隨摩擦因數的變化趨勢如圖3所示，其中模具間隙為1.1 mm，壓邊力為12 kN。從圖3可以看出，在相同保溫成形溫度條件下，隨著摩擦因數的增大，殼體回彈角度逐漸降低。在板材成形過程中，板材和模具間的摩擦也是影響回彈角度的重要因素之一，摩擦因數的大小將會明顯影響材料的流動。在彎曲變形過程中，摩擦力對板材各個位置的應力均會產生影響，隨著摩擦因數的增大，板材外表面受拉應力影響的變形區域面積增大，從而使板材內表面和外表面的應力狀態趨于相同，使板材加工的形狀與模具更契合，進而降低了成形后的回彈角度。

圖3 殼體回彈角度隨摩擦因數變化趨勢

2.4 壓邊力

鋁合金U形殼體回彈角度隨壓邊力的變化趨勢如圖4所示，其中保溫成形溫度為310 ℃，模具間隙為1.1 mm，摩擦因數為0.15。從圖4可以看出，隨著壓邊力的增大，殼體回彈角度逐漸降低。

壓邊力在板材成形過程中可通過摩擦產生表面牽引力拉伸和控制材料流動來防止板材起皺，但是這同時也會引起板材破裂[15]。隨著外界壓邊力的增大，板材拉伸效果增加，在容易產生回彈的圓角和直壁區域，會引起壓應力作用區向拉應力作用區轉移，使內外表面間應力差大大降低，進而導致回彈減小。

2.5 回彈角度

組合工藝中單因素對應的回彈角度和極差分析結果如表1所示。其中每行數據對應的是單一變量的不同取值。從極差分析結果可以看出，保溫成形溫度極差＞壓邊力極差＞摩擦因數極差＞模具溫度極差，說明保溫成形溫度對回彈角度的影響最大，壓邊力的影響次之，模具溫度的影響最低。

圖4 殼體回彈角度隨壓邊力的變化趨勢

表1 單因素回彈角度數值與極差分析

Tab.1 Numerical analysis of springback angle of single process

3 結論

以鋁合金殼體成形工藝優化為主要研究對象，針對影響回彈角度的多個成形工藝參數（保溫成形溫度、模具間隙、摩擦因數和壓邊力）進行逐步優化。隨著保溫成形溫度的升高，殼體回彈角度因流變應力的降低和校正力的升高而逐漸降低；隨著模具間隙的增大，可變動模具的圓角半徑增大，板材的貼合模具程度降低，殼體回彈角度逐漸增大；隨著摩擦因數的增大，板材加工的形狀與模具更契合，進而降低了成形后回彈的角度；隨著壓邊力的增大，板材內外表面間的應力差大大降低，回彈角度逐漸降低。通過多個參數的逐步優化，獲得最終優化工藝參數如下：保溫成形溫度為310 ℃，摩擦因數為0.15，模具間隙為1.1 mm，壓邊力為12 kN，此時對應的回彈角度為7.027°。

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Optimization of Precision Forming Process for Aluminum Alloy Shell

Liang Jiasheng

(Guangxi Polytechnic Vocational Technical School, Nanning 530031, China)

This study takes the optimization of the forming process of aluminum alloy shell as the main research object. In order to improve the springback angle performance of aluminum alloy shell forming. Aimed at multiple forming process parameters that affect the springback angle: heat preservation forming temperature, mold clearance, friction coefficient and blank holder force, a univariate stepwise optimization study was carried out. With the increase of heat preservation forming temperature, the shell springback angle gradually decreased due to the decrease of flow stress and the increase of correction force; with the increase of die gap, the fillet radius of the variable die increased, and the sheet fit the die. The lower the degree is, the springback angle of the shell gradually increases; with the increase of the friction coefficient, the shape of the sheet is more suitable for the mold, thereby reducing the springback angle after forming; the blank holder force increases, and the inner/outer surface of the sheet The stress difference is greatly reduced, and the springback angle is gradually reduced. Through the step-by-step optimization of multiple parameters, the final optimized process is obtained as the heat preservation forming temperature of 310 ℃, the film material coefficient of 0.15, the die gap of 1.1 mm, the blank holder force of 12 kN, and the corresponding springback angle of 7.027°.

aluminum alloy; springback angle; heat preservation forming temperature; die gap; friction coefficient; blank holder force

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.013

TG319

A

1674-6457(2024)02-0104-04

2022-09-01

2022-09-01

梁家生. 鋁合金殼體精密成形回彈控制工藝優化[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 104-107.

Liang Jiasheng. Optimization of Precision Forming Process for Aluminum Alloy Shell[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 104-107.