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发布时间：2025-07-05 07:48:08编辑：開門揖盜網浏览（59）

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。型材的截麵形狀類型多、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，還存在著截麵畸變和縱向扭曲等特殊問題，質量控製難度加大。

大尺寸中空截麵的異型型材在拉彎過程中，因其空心、薄壁、不對稱等特點，易出現截麵畸變、外緣破裂、卸載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優化技術，已經在生產實踐中得到廣泛應用，可以有效縮短生產周期，降低試錯法的生產成本，提高加工準確。采用數值模擬技術對型材拉彎工藝過程進行分析，可以優化加載方式、加載速度等工藝參數，減小和預防截麵畸變等缺陷，為實際生產中製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，采用ABAQUS軟件對其拉彎過程進行數值模擬和工藝參數優化，有效地減小了截麵畸變，並根據數值模擬結果，提出了合理的加載成形方式，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發送截麵內的應力分布以減少回彈，提高成形精度。拉彎成形可以分為由力控製的拉彎成形和由位移控製的拉彎成形。從使用的設備上看，由力控製的拉彎成形通常可以分為直進台麵拉彎成形、轉臂式拉彎成形（圖1）及轉台式拉彎成形三種方式。

圖1 轉臂式拉彎過程

實際生產中經常采用拉－彎和拉－彎－拉的加載方式。拉－彎－拉加載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，並且增大了截麵畸變。

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采用解析計算法、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，理論解析時需要作許多假設，不涉及截麵形狀的變化，因而理論解析方法有一定的局限，不足以指導實際生產。而單純的實驗研究費用貴且周期長。采用數值模擬對工藝過程進行仿真研究，可縮短生產周期，降低試驗試錯的生產成本，提高加工準確。

有限元模型

型材力學能的確定

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㗱04MPa，0.367，.2= 153.52MPa，=256.28MPa，=23.5％，r0=0.66763，K=329.105，n=0.1445。

中空型材在成形過程中，容易發生截麵變形、局部下陷、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，橡膠材料應用超彈理論描述其變形能，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㗱0-5，單位均為MPa。

模擬中采用Hill48各向異屈服準則，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0.15。

零件特征分析

本文所研究的截麵有兩種，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麵畸變嚴重，為防止上緣塌陷，模具分別設計如圖4所示。

圖2 大尺寸開口截麵型材零件

圖3 大尺寸異型截麵型材零件

圖4 模具設計

力學和位移邊界條件

在Abaqus中，采用位移和角度控製方式。預拉階段，控製夾鉗運動使型材沿長度方向伸長。補拉階段，彎曲角度不變，控製夾鉗沿夾持端切線方向伸長。加載速度為400mm/s，位移加載曲線采用在step中定義smooth step的方式。彎曲階段在夾持端所加載荷為F=ƒ𛳯𜌥侩‰—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麵形狀，對截麵畸變、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，導致截麵嚴重變形。圖6為是否添加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。

型材中對稱麵上，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麵畸變的程度，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，上緣麵塌陷嚴重。根據具體截麵形狀合理設計模具形狀，並在內部加入支撐物，可有效減小截麵塌陷和回彈後扭轉量。

圖5 成形缺陷的定義

圖6 截麵上緣麵下陷對比

圖7 加填充物模擬應力應變分布

（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受模具限製，變化不明顯。在分析截麵畸變量隨預拉、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）補拉量對截麵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。

通過數值模擬實驗，對兩種大尺寸複雜截麵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，通過內加充填物的方式，有效地改善了截麵下陷的狀況；通過對預拉量、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

本文到此結束，希望對大家有所幫助呢。