数控金属加工中带网格内腔的铝合金零件滚弯工艺

针对栅格型铝合金零件轧制成形后筋条失稳和轧制精度差的问题，建立了栅格型铝合金零件的轧制模型，利用有限元方法分析了零件轧制过程中的力学特性，提出了栅格型铝合金零件的优化结构。验证了辊弯过程中应力水平均匀，变形得到有效控制。

1前言

带网格型腔的铝合金零件重量轻、强度好，广泛应用于飞机机身机翼、火箭壳体等。根据铝合金网格型腔零件的特点，滚弯是应用最广泛的成形方法[1]。常规工艺是先折弯板材，再加工内腔。优点是精度高，但需要昂贵的五轴数控加工设备。另一种方案是先加工网格内腔，再滚压零件，只需普通三轴数控机床即可完成。但在辊弯过程中，网格受力不均匀，容易导致筋板屈曲失稳甚至断裂，蒙皮起皱。

国内外对网格状腔体铝合金零件的滚弯工艺研究较多。刘劲松探索了整体填料对网格腔体零件滚弯过程的影响，发现填料可以改善筋条受力不均匀和不稳定的问题，但填料的加工和固定复杂，重复利用率低[2]。富阳设计了上下焊边结构优化的零件，提高了零件滚压成形后的直线度，减少了残余应力引起的变形，但加入优化结构后零件质量提高更多[3]。

在有限元分析的基础上，提出了在网格型腔零件的筋和角部铣圆角的新思路，探索了通过优化结构提高铝合金网格型腔零件的滚压成形精度，可为相关航空航天零件的滚压成形工艺提供参考。

两部分滚压成形有限元模型的建立

2.1有限元分析几何模型建模和结构优化

图1所示的带网格型腔的铝合金零件的外形尺寸约为520mm×260mm。加工的网格为大小相等的正方形网格，边长100mm，网格内部蒙皮厚度2.5mm，相邻网格之间的筋厚4mm，筋高15mm，焊边高度6mm。

在了解铝合金零件在轧制过程中网格腔内的受力情况的基础上，进行了结构优化。具体思路是:对于网格腔内铝合金零件的内网格，在轧制过程前在网格的四个角上铣出半径为5mm的圆角(见图2a)，根据网格筋的厚度在所有网格筋的顶部铣出半径为2mm的圆角(见图2b)，以改善筋受力后的翘曲变形和零件受力不均匀。

滚压成形是通过滚压辊轴形成三点连续弯曲，逐渐产生塑性弯曲。网状零件的滚压过程如图3所示，几何模型的尺寸见表1。

弯曲设备的辊子材料为超高强度合金钢42GrMo，因其硬度高，不易变形，故按刚体处理。铝合金的材料性能见表2[4]。

2.2网格生成和边界条件设置

有限元分析中的网格划分会对结果产生重要影响。合理的网格生成不仅可以减少计算量，还可以最大程度的模拟真实变形[5]。本文选用C3D8R六面体网格，网格划分后的模型如图4所示。

三件滚压成形的有限元分析

为了分析上辊压下量相同时两种结构的等效应力分布，比较了上辊压下量完成时(即第一步完成)和第三步轧制零件时(上辊上升)两种结构的等效应力。在第一步结束时，网格腔中未优化的铝合金零件的应力云图如图5a所示，优化零件的应力云图如图5b所示。从图5可以看出，当上辊压下时，零件的变形主要集中在两个下辊之间的部分，其他大部分区域还没有进入塑性变形阶段。比较结构优化前后的应力，并沿纵向位置测量焊边、肋和蒙皮的应力。结果如图6所示。可以看出，未优化的网格型腔零件等效应力均匀性较差，导致变形时出现筋条翘曲、背面脊痕等缺陷。优化后提高了零件整体应力分布的均匀性，避免了筋条的翘曲，改善了背面的脊痕等缺陷。

当第三步完成后，下辊停止转动，上辊向上移动，零件的应力得到释放。从图7中可以看出，优化后的零件(见图7b)与未优化的零件(见图7a)相比，没有出现筋板翘曲开裂、背面脊痕等缺陷。蒙皮、筋条和焊边应力均匀，轧制时三个部位都产生了均匀的应变，使得优化后的零件轧制半径和残余应力分布均匀，零件的回弹和回弹半径更加均匀。

4结束语

筋条受力不均匀是带内腔铝合金零件在滚弯过程中筋条失稳和背面脊痕的主要原因。网格型腔优化筋结构的铝合金零件在辊弯成形时各区域的应力水平接近相同，在相同的压下量下，辊弯成形后优化零件的弯曲半径更加均匀，成形零件的几何精度高。