随着船舶制造向轻量化、高速化、大型化方向发展, 具有小密度、大比强度、较好稳定性的铝镁合金成为替代船用钢材的优选材料^{[1, 2]}。目前在船舶制造中5083铝合金使用得较多, 但焊接后的矫形处理对制造精度的影响较大^[3]。1561铝合金(俄罗斯牌号)^[4]相比5083铝合金具体更高的强度, 采用1561铝合金作为船用材料将会提高舰船的质量和性能。多点成形^{[5, 6, 7]}是一种适用于复杂件成形的柔性成形技术^{[8, 9, 10, 11]}, 它是由一系列紧密排列、高度可调的基本体单元组成^[12]。相比于传统模具成形, 一套离散化的多点模具通过数字化控制即可成形多种形状和尺寸的曲面件, 省去了传统模具制造、调试等成本, 真正实现了“ 一机多用” 的构想, 适用于曲面件的板料成形。

目前, 国内、外对1561铝合金成形性的研究鲜有报道, 为了迎合新产品开发的需要, 本文利用有限元软件对某船用典型曲面件进行了多点成形数值模拟, 研究了1561铝合金的回弹补偿, 掌握了1561铝合金成形件的回弹规律, 并对模拟结果进行了试验验证, 结合3DSS三维扫描和Geomagic软件分析对成形件的成形精度进行了分析。

为了使多点成形过程模拟计算得到的结果更精确, 使计算结果能够指导实际生产, 按照《GB/T228.1— 2010》^[13]设计试样, 如图1所示, 在电子万能试验机上进行室温拉伸断裂试验。表1为1561铝合金的拉伸试验数据, 可见, 1561铝合金的抗拉强度和屈服强度的平均值分别为345.9和266.67 MPa; 弹性模量E为67.516 GPa; 延伸率平均值为21.8%。1561铝合金的真实应力-应变曲线如图2所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 拉伸试样Fig.1 Tensile test specimen

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 1561铝合金力学性能试验数据 Table 1 1561 aluminum alloy mechanical properties test data 试样 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 1 267.00 348.4 22.0 2 261.00 337.5 21.4 3 272.00 351.8 22.0 平均值 266.67 345.9 21.8

表1 1561铝合金力学性能试验数据 Table 1 1561 aluminum alloy mechanical properties test data

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 1561铝合金的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of 1561 aluminum alloy

为了更好地分析1561铝合金板料的多点成形过程, 利用有限元分析方法中的动态显式算法对1561铝合金的加载成形过程进行计算, 同时结合静态隐式算法对卸载回弹过程进行数值模拟。图3为多点成形有限元模型, 由板料、聚氨酯弹性垫以及上、下多点模具组成。成形板料选用厚度为3 mm的1561铝合金。多点模具形面尺寸为500 mm× 700 mm; 基本体单元为10 mm× 10 mm; 冲头半径为8 mm, 板料形状如图3所示。与板料变形量相比, 冲头变形量非常小, 故冲头设为刚体单元。同时为了简化计算模型, 假设板料为各向同性。上、下多点冲头采用R3D4单元划分网格, 网格单元尺寸为2 mm。板料采用S4R壳单元划分网格, 网格单元尺寸为3 mm。聚氨酯弹性垫采用C3D8R单元划分网格, 网格单元尺寸为3 mm。聚氨酯弹性垫与板料和多点模具之间的摩擦因数取0.3。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 多点成形有限元模型Fig.3 Multi-point forming finite element model

对材料为1561铝合金的某船用外板零件在多点成形压力机上进行了多道次成形, 成形件公差要求为± 1 mm。多点成形试验的现场照片如图10所示。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 多点成形试验Fig.10 Multi-point forming experiment

图11

Fig.11

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图11 使用样板对成形件进行测量Fig.11 Molded parts were measured using template

板料尺寸、基本体尺寸与数值模拟相同。成形结果如图11所示, 可以看出, 采用多道次成形工序, 得到的成形件无压痕和起皱等缺陷, 表面连续光滑, 与数值模拟结果吻合。通过样板对成形件检测, 可以看出:形件在X方向和Y方向与目标尺寸吻合较好, 误差较小。以上验证了在1561铝合金多点成形时, 采用回弹补偿法补偿回弹和多道次工艺解决形件起皱的可行性, 也验证了有限元分析结果对生产实践指导的可靠性。

使用3DSS三维扫描仪对一道次和四道次多点成形件进行光学扫描, 获取成形件表面的点云数据; 使用Geomagic分析软件对成形件点云数据与目标件进行比较, 可得到成形件的误差分布规律。成形件的形状误差云图和误差分布图分别如图12和图13所示。由图可以看出, 一次成形件误差80%分布在-1~1 mm, 95%分布在-2~2 mm; 而四道次成形件误差91%分布在-1~1 mm, 96%分布在-2~2 mm。相较于一次成形, 四道次成形件误差较小, 成形质量高, 符合产品要求, 进一步验证了数值模拟的可靠性和采用多道次工序成形1561铝合金的可行性。

图12

Fig.12

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图12 形状误差云图Fig.12 Shape error cloud

图13

Fig.13

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图13 成形件误差分布Fig.13 Error distribution of forming parts

(1)新型材料1561铝合金具有较高的屈服强度和较小的弹性模量, 在多点成形后回弹较大, 小变形量在卸载后可基本完全回弹, 因此, 1561铝合金成在成形过程中需给予较大的回弹补偿量。

(2)由数值模拟结果可以看出, 当成形件曲率较大时, 1561铝合金在一次成形时易起皱, 而采用多道次成形方法后, 解决了成形件中心部位起皱的问题, 成形误差± 1 mm的区域由80%提高到91%, 误差减小, 成形精度提高。

(3)通过试验对1561铝合金多点成形的可行性及数值模拟的可靠性进行了验证, 试验结果对1561铝合金零件的实际成形有一定的指导意义。