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1、西安航空职业学院毕业论文钛合金板材弯曲成形数值模拟及应用研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要 为了进一步研究TA15板材的冷折弯成形规律，基于金属板料成形有限元模拟成形软件PamStamp2G，对TA15板材冷折弯过程进行了模拟仿真，分析了凸模行程、凹模跨度、凸模圆角等成形参数对板材折弯后回弹的影响规律，并对TA15板材折弯的极限角度、回弹角度进行了研究。同时开展了相关工艺试验，通过对比模拟结果与试验数据，发现两者趋势基本一致，结果较为吻合，验证了PamStamp2G有限元仿真在TA15板材冷折弯成形过程中应用的有效性和可行性。关键字 有限元模拟,冷折弯,
2、钛合金1 引言板料折弯是典型的弯曲成形，弯曲成形理论模型的研究始于20世纪初，Ludwik建立了梁塑性弯曲的工程理论。1950年，Hill建立了塑性弯曲的精确数学理论，奠定了板料弯曲成形的理论基础1。随着计算机技术和塑性成形理论的发展，有限元理论和仿真软件出现，并在板料成形领域的发挥着重要作用。板料折弯变形可分自由弯曲、反向弯曲和校正弯曲，钛合金板的折弯适用于成形小角度零件，宜采取自由弯曲形式。自由弯曲是一个存在材料非线性、几何非线性和边界条件非线性等多重因素的复杂非线性过程，材料性能和尺寸、机床速度和压力、模具行程和尺寸等均影响零件成形质量，传统的解析方法难于获得合理的精确解，而有限元的发展
3、和应用为该类复杂问题的解决提供了有效的途径2。本文结合有限元模拟与试验，研究折弯零件的应力与应变、角度、回弹、破裂等状态。板料弯曲回弹的大小与弯曲件的形状、材料的力学性能、成形方式以及模具间隙等许多因素都有关系，这使得回弹的分析与计算较为复杂。而且回弹现象的存在严重降低了成形零件的精度和质量，给零件的后续使用及装配带来很大的困难，严重影响了企业的生产效率，并有可能因此埋下很大的安全隐患。因此，对回弹现象进行深入的研究，精确预测回弹大小并有效控制回弹是很有必要的。2 零件特点图1所示为简单折弯件，材料为TA15M钛合金板材，厚度为1.0mm，其中弯曲半径R为1mm，折弯两种角度，弯曲角分别为7.
4、6和5.8。考虑到生产效率和制造成本，该零件选择选择冷折弯成形。该零件折弯的难点在于成形装备的选择、回弹的预估、折弯成形极限的判定，从不产生裂纹和提高成形精度两个方面控制零件质量。弯曲成形是将板料、棒料、型材或管料等弯成一定形状和角度的零件的一种冲压成形工序。弯曲成形工艺有V 形弯曲、U 形弯曲、角弯曲、滚弯曲、拉弯成形等多种成形工艺。弯曲成形和所有的塑性成形工艺一样，都有弹性变形，卸载后弯曲件会产生一定的回弹，使得弯曲件的弯曲中心角和弯曲半径变得与模具尺寸不一致。图1 折弯件示意图3 折弯成形有限元模型的建立采用金属板料成形专业有限元模拟成形软件PamStamp2G，对TA15板材冷折弯过程
5、进行模拟仿真，整个过程分为两个阶段，即基于显式算法的折弯塑性成形阶段，和基于隐式算法的卸载回弹阶段。根据零件特点，本文主要模拟研究了凸模行程、凹模跨度、凸模圆角的变化等参数对板材折弯角度和回弹的影响。通过有限元模拟分析研究折弯成形过程中零件的应力应变状态和卸载过程中出现的回弹现象，同时预测折弯的成形极限角度，从而指导生产成形设备和工装的选择，避免出现折弯过程中的破裂等缺陷。成形过程的有限元数值模拟的建模过程中，在保证模拟计算精度的前提下为节约计算时间忽略了模具的弹性性质，将凸模和凹模简化为刚性约束面，而将板料设为可变形体，采用八节点六面体三维等参数单元划分网格，并在板料弯曲范围局部细化单元尺寸
6、以提高其变形仿真精度，为了更好地与实际折弯试验进行比较分析，选用了精度较高的正交各向异性材料模型，其中所建有限元模型如图2所示。图2 折弯成形有限元分析模型为了使有限元模拟结果更接近于板材的实际变形性能，对厚度为1mm的TA15材料做了室温拉伸试验，得到的材料的基本性能参数如表1所示。表1 TA15板材室温拉伸基本性能参数杨氏模量（GPa）泊松比密度（Kg/mm3）加工硬化指数厚向异性指数r0r45r901140.334.43e-60.29350.6121.1210.4424 有限元数值模拟4.1 折弯件的应力状态分析折弯件的回弹，跟成形过程中折弯零件所受的应力状态密切相关。考虑到实际折弯件的
7、尺寸较大等特性，本文在分析折弯成形的应力状态时只取折弯件的折弯部分进行局部应力状态分析。其中图3为折弯件卸载前的主应力分布云图，图4为折弯件卸载前的次应力分布云图。从图3中可知，折弯件内表面主应力为压应力，外表面主应力为拉应力，中性层主应力接近为零，折弯两直边所受主应力接近为零；从图4中可知，折弯件内表面次应力为压应力，外表面次应力为压应力，中性层次应力接近为零，折弯两直边所受次应力仍接近为零。这里主应力主要是指环向应力，次应力指厚向应力。这与实际成形过程中所受的应力状态时一致的，即内表面主要发生压缩变形，外表面发生拉伸变形，折弯直边段为未变形区。折弯件内压外拉的受力状态易促进回弹的产生，因此
8、在成形的过程中可以考虑通过改变其受力状态来减少回弹的产生。 图3卸载前的局部主应力分布云图 图4卸载前的局部次应力分布云图4.2 凸模圆角半径和凹模跨度对回弹角的影响为了探究凸模圆角、凹模跨度对回弹角的影响，本文选择凸模半径分别为1mm和3mm、分别进行凹模跨度为4mm、8mm、12mm、20mm、40mm、60mm、80mm的折弯成形，折弯角为39，折弯成形结果对比如图5所示。从图中对比可得，对于不同的凸模圆角，回弹角的变化趋势基本一致，回弹角随凸模半径R的增大而略有增加；而回弹角随着凹模跨度的变大却快速增大，其中在凹模跨度小于60mm时增长较快、凹模跨度大于60mm时增长平缓， 在凹模跨度
9、B20mm时，回弹角较小，受跨距影响相对较小；在凹模跨度20mmB60mm时，回弹角较大，回弹受跨距的影响较大。在相同弯曲角的条件下，随着凸模圆角和凹模跨度的增大，折弯件变形程度减小，弹性变形在总变形量中的增大，卸载后的弹性回复量也变大。图5 回弹和凸模圆角、凹模跨度的关系4.3凸模行程D对弯曲角和回弹率的影响折弯件的变形程度随凸模行程D的变化而变化，为了考察凸模行程对弯曲角和回弹率的影响，在其他变形参数相同的条件下，选择凸模半径R为1mm、凹模跨度为12mm，凸模行程为一系列变化值进行有限元模拟。研究凸模行程对弯曲角和回弹率的影响规律，其中图6为不同凸模行程D对弯曲角的影响，图7为不同凸模行
10、程D对回弹率的影响。从图6可知，随着凸模行程的增大，弯曲角几乎呈线性增大；从图7可知，随着凸模行程的增大，回弹率在凸模行程较小时，呈快速下降趋势，凸模行程较大时逐渐趋向平缓，说明在凸模行程较小时，弹性变形占总变形量中的比例相对较大，因而卸载后产生的回弹量较大；而随着凸模行程的增大，折弯件总变形量增大，同时总变形量中塑性变形所占的比例逐渐增大，因而卸载后弹性回复量随之减小，因而回弹率逐渐变小。图6 凸模行程D对弯曲角的影响 图7凸模行程D对回弹率的影响通过对凸模行程D对弯曲角和回弹率的影响规律的数值模拟结果分析，拟合图6和图7的曲线方程可得到弯曲角、回弹率与凸模行程之间的关系式如式(1)和式(2
11、)。根据公式（1）和（2），如果已知目标弯曲角，可以预测相应折弯凸模行程和回弹角，这对实际生产折弯件具有理论指导意义。 (1) (2)4.4 折弯成形极限分析材料成形极限的大小在材料的成形性能中最为重要，它反映了材料在各种应力应变状态下局部极限变形能力的大小。本文研究凸模圆角R为1mm、凹模跨度B为12mm条件下的板材回弹角度和成形极限。经过大量的有限元模拟发现，当行程1.5mm时，回弹后角度18.22，对应成形极限图FLD如图8所示。从图8中可以看出材料折弯区域均在安全区域内，能够顺利折弯，没有产生裂纹。但部分应变分布点已接近破裂临界区，易产生破裂趋势。当行程2.0mm时，回弹后角度29.7
12、6，该凸模行程下的FLD图如图9所示。从图9中可以看出材料折弯范围内有部分区域已在破裂区内，会有裂纹现象产生。因此可以得到凸模圆角R为1mm、凹模跨度B为12mm条件下的极限凸模行程为1.5mm。通过分析该行程下的主应变云图分布，如图10所示，发现在零件边缘出现材料内表面向外翻起，这种现象与实际折弯成形相吻合。 图8 行程1.5mm时FLD图 图9 行程2.0mm时FLD图图10 在FLD云图（左）、主应力云图（中）、主应变云图（右）中棱线边缘外翻问题5 试验分析结合上述有限元数值模拟结果，选取材料为TA15M，厚度为1.0mm的钛合金板材，所用设备为PBB-110/3100数控折弯机进行试验
13、分析。考虑到生产成本和降低折弯成形过程中出现的动态效应，取凸模下压平均速度为10mm/s。本文为了研究凸模行程D对弯曲角的影响，同时验证通过模拟结果拟合的弯曲角、回弹率与凸模行程之间的公式正确性，选取折弯凹模跨度B为12mm，凸模圆角为1mm。通过上述公式（1）理论计算出弯曲角为7.6和5.8的凸模下降行程分别为0.84mm和0.74mm；根据公式（2）理论计算出，弯曲角为7.6和5.8的回弹角分别为8.91、7.81。在上述设备参数条件下，对弯曲角为5.8和7.6进行了试验研究，模拟和试验的具体参数对比如表2所示。由表2可知，与数值模拟分析结果相比较，相应试验结果数值整体偏小，但相差误差不大
14、，因此数值模拟分析结果和试验结果基本吻合，说明了通过模拟拟合的回弹角和回弹率与凸模行程的公式是可行有效的。其中造成两者产生误差、影响有限元分析结果的主要因素有板材性能、有限元模型、边界条件、摩擦系数等。表2弯曲角为5.8和7.6模拟与试验数据对比弯曲角（）研究方式凸模行程D（mm）回弹角（）5.8模拟0.747.81试验0.626.27.6模拟0.848.91试验0.767.8根据前文凸模圆角半径R和凹模跨B度对回弹角影响的有限元模拟结果，试验选择凸模半径分别为1mm和3mm、分别进行凹模跨度为4mm、8mm、12mm、20mm、40mm、60mm、80mm的折弯成形，折弯角为39。试验折弯成
15、形结果和有限元数值模拟结果对比如图11所示。从图中可以看出，试验件回弹角随着凸模圆角和凹模跨度的增大而增大，且受凹模跨度的影响相对明显。试验件测量得到的回弹角比相应的有限元计算结果略小，但回弹角总的变化趋势基本一致。图11 不同凹模跨度B和凸模圆角R对回弹角影响的数值模拟和试验结果对比为进一步探究TA15板材的折弯性能和降低折弯废品率，提高折弯工艺的成形效果，本文结合前文所述的数值模拟结果，进行该板材的破裂极限弯曲角试验研究。选取试验折弯凹模跨度B为12mm，凸模圆角R为1mm，得到试验值与模拟值的极限凸模行程D和回弹角对比数据如表3所示。其中极限弯曲破裂试验件如图12所示。从表3中可以看出，在相同凹模跨度和凸模圆角条件下，试验的极限凸模行程比模拟得到的极限行程D和回弹角均略微偏大，但结果基本一致，说明模拟得到的成形极限凸模行
