文/李占華，韓靜濤，張永軍·北京科技大學材料科學與工程學院

拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲成形工藝研究

文/李占華，韓靜濤，張永軍·北京科技大學材料科學與工程學院

李占華，博士，主要從事沖壓工藝，冷擠壓工藝，模具、機械設(shè)備研發(fā)方面工作，獲得國家發(fā)明專利2項。

具有一定曲率的薄壁零件廣泛應(yīng)用于機械、電子、儀器、航空航天、運輸、機械等領(lǐng)域，此類零件的機械性能優(yōu)劣依賴于其尺寸精度與服役穩(wěn)定性。而隨著工業(yè)需求的多元化，特殊曲率薄壁件的應(yīng)用日益增加，如恒力彈簧、stacer等，對于此類零件，在冷成形過程中，尺寸精度易于得到保證，但在以熱處理方式進行穩(wěn)定化處理時，由于其自身幾何尺寸的限制，制件難以保證最終的尺寸要求。為此，本文提出以拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲成形（CSPB）工藝進行此類零件的成形，在冷成形過程中即解決制件的穩(wěn)定性問題。本文采用數(shù)值模擬的方式對CSPB成形工藝過程進行了詳細分析。并以恒力彈簧與stacer制件為例，對CSPB成形工藝進行了試驗驗證，為以CSPB工藝成形此類構(gòu)件提供理論與試驗依據(jù)。

拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲成形原理

圖1 拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲成形原理圖

拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲成形原理如圖1所示。虛線為凹模與帶材初始位置，Ow/Oc為薄帶初始帶卷，穿帶完成后，凹模自P1下壓至P點，保證凸凹模間預(yù)定模具間隙T，此過程與一般壓彎過程相同，模具間隙T與最終制件成形直徑直接相關(guān)。帶卷自上料側(cè)施加后張力F，增加成形過程的拉彎效應(yīng)，于帶材右端成形卷收集側(cè)OP施加拉力使帶材勻速拉出，發(fā)生反向彎曲，之后帶材發(fā)生彈性卸載而得到制件。拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲成形原理引入了拉彎與壓彎成形的特性，提高了構(gòu)件穩(wěn)定性；成形過程中存在反向彎曲的過程，可減小殘余應(yīng)力或使殘余應(yīng)力趨向于有利方向，增加構(gòu)件的穩(wěn)定性。帶材各成形位置在模具間隙相等情況下彎曲過程與受力情況相同，保證了制件的成形一致性。成形方法避免了成形直徑的限制，對于不同直徑的構(gòu)件不需要頻繁更換模具，通過調(diào)整凸凹模間隙可連續(xù)調(diào)整成形構(gòu)件直徑，隨著成形模具間隙T減小，帶料于ABC位置彎曲曲率減小，從而可進行更小直徑構(gòu)件的成形；后張力對帶材入料方向的保持與成形件的穩(wěn)定性具有重要作用。

有限元模擬

材料參數(shù)

模擬采用的材料為恒彈性合金3J21(Co40CrNiMo)，材料具有較高的彈性模量和彈性極限，常用于航空、電子、機械、電真空、儀器儀表等領(lǐng)域的關(guān)鍵的彈性元件。取比例系數(shù)k=11.3的比例試樣，通過拉伸試驗測得其屈服強度ReL=1291MPa，抗拉強度Rm=1452MPa，彈性模量E=205GPa，并取其密度ρ=8.4g·cm-3，泊松比υ= 0.3。對于數(shù)值模擬中材料數(shù)據(jù)的輸入，應(yīng)采用真應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式，需對拉伸試驗所得工程應(yīng)力應(yīng)變曲線進行轉(zhuǎn)化計算，工程應(yīng)力應(yīng)變與真力應(yīng)變數(shù)值間有如下關(guān)系，所得材料真應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線如圖2所示?？梢?，3J21材料變形過程中無明顯屈服點，在應(yīng)變量很小時即達到了強度極限，表現(xiàn)出明顯的形變強化現(xiàn)象。

圖2 3J21材料真應(yīng)力—應(yīng)變曲線

模型建立

圖3 數(shù)值模擬幾何模型

模擬采用Abaqus 6.13軟件，所建立模型如圖3所示。模擬中，模具以解析剛體建模。這是由于成形過程中，凸凹模的形變可忽略，剛體部件可極大減小計算成本；而剛體類型中，解析剛體幾何精度損失小，易于提高結(jié)果的可靠性。帶材毛坯采用殼單元以提高計算效率。網(wǎng)格單元采用四邊形網(wǎng)格單元，并對帶材中所關(guān)心的CSPB成形段進行局部細化，提高計算精度。單元類型為四節(jié)點曲殼S4R，減縮積分，包含沙漏控制模式，該類型對薄殼單元具有較高的求解精度。

模擬步驟與邊界條件

模擬結(jié)合Abaqus/Explicit動力顯示算法與Abaqus/Standard靜力隱式算法的各自優(yōu)勢，采用Explicit顯示算法進行CSPB彎曲成形過程的模擬，求解后保存運算結(jié)果；而后采用Standard隱式算法讀取顯式計算結(jié)果，獲取工件幾何信息及應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，并去除模具與載荷等外部約束，對板料適當位置（通常以板料中部位置為佳）施加局部約束以防止板料的剛體位移，進行回彈計算，將CSPB成形后的回彈過程轉(zhuǎn)化為具有預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)變的靜力問題。

模擬過程分析分四步進行：

⑴凹模以較小速率下壓至與板料接觸，使模具與板料間平穩(wěn)地建立接觸關(guān)系；

⑵以壓下速率vp下壓至預(yù)定模具間隙T；

⑶對帶材右側(cè)末端施加速度約束，將帶材以恒速度vs拉出，實現(xiàn)帶材的CSPB成形過程；

⑷帶材拉出后，去除帶材的所有外部約束，以Standard隱式算法進行回彈計算，得到構(gòu)件樣件。

模擬結(jié)果分析

圖4所示為CSPB工藝成形制件的數(shù)值模擬過程，模擬所采用參數(shù)為：凸模圓角半徑rd=0.5mm，模具間隙T=1mm，后張力Fp=10N，寬w=20mm，厚t=0.15mm。圖4a為凹模勻速下壓過程，此過程帶材形變過程為一般壓彎過程。圖4b為帶材經(jīng)拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲成形工藝的形變過程，帶材自右側(cè)末端勻速拉出而實現(xiàn)連續(xù)彎曲成形。帶材左側(cè)自由帶由于后張力的存在而受到均勻拉應(yīng)力，帶材于b點之后彎曲曲率逐漸減小，應(yīng)力隨之增加而發(fā)生彈性形變，繼而發(fā)生彈塑性變形，曲率于a點附近達到最小值，應(yīng)力隨之達到最大值，形成彈塑性彎曲變形區(qū)。a點之后，應(yīng)力值迅速減小，形成彈性能釋放區(qū)，如圖中綠色區(qū)域。隨行程增加，帶材發(fā)生反向彎曲，曲率值增加，彈性能釋放，繼而反向增加，帶材正向變形形成的殘余應(yīng)力在此反向彎曲過程中得以大幅減小，或趨向于反向的有利方向。d點后帶材大致為平直狀態(tài)。帶材的整個成形過程均在兩側(cè)張力作用下完成，張力數(shù)值可通過后張力調(diào)整，增加帶材的拉彎效應(yīng)，改善帶材的受力情況。

圖4 拉壓復(fù)合連續(xù)彎曲成形數(shù)值模擬過程

帶材經(jīng)歷CSPB形變而完全拉出后，形狀與應(yīng)力狀態(tài)如圖4c所示，圖4d與4e為帶材約束卸載與回彈過程，帶材自左側(cè)依次彎曲，應(yīng)力釋放而減小。制件最終自然狀態(tài)如圖4f所示，由于帶材各位置成形過程相同，所得構(gòu)件各位置自然曲率相等，為極為規(guī)則的圓筒形構(gòu)件，成形結(jié)果除帶材邊部極小區(qū)域外，制件等效殘余應(yīng)力約為90MPa。且從制件殘余應(yīng)力方向來看，內(nèi)外側(cè)殘余應(yīng)力方向均指向制件曲率減小的方向，此相對于恒力彈簧與stacer等的使用環(huán)境，為有利方向，可很好滿足制件使用過程中的穩(wěn)定性要求。

試驗結(jié)果與分析

試驗對兩種螺旋角制件進行了制件的實例成形，螺旋角α0分別為0°與60°，在螺旋角為0°時所得制件即為恒力彈簧構(gòu)件，而在較大螺旋角時(此處取值為60°)即為stacer構(gòu)件，圖5所示為CSPB工藝方法所得的恒力彈簧試驗樣件。圖6為采用CSPB成形工藝所得stacer結(jié)果實例。恒力彈簧構(gòu)件有極高的均勻性；stacer樣件亦表現(xiàn)出極高的直線度，測試其直線偏差小于5mm，層間貼合良好，無間隙。所得結(jié)果與模擬過程所得結(jié)果極為相近。驗證了CSPB工藝成形此類零件的可行性。

圖5 恒力彈簧制件實例

圖6 stacer制件實例

結(jié)論

⑴對CSPB成形工藝過程進行了詳細的理論與模擬分析，對CSPB成形過程中制件的受力狀態(tài)進行了研究，材料應(yīng)力經(jīng)歷了先增加再減小，并隨反向彎曲過程反向增加的過程；

⑵模擬結(jié)果表明CSPB成形工藝可控制制件成形后的殘余應(yīng)力狀態(tài)，使其得到大幅降低，或趨向于有利方向，增加了制件的穩(wěn)定性；

⑶以試驗的方式完成了恒力彈簧與stacer兩個實例制件的制備，所得結(jié)果與模擬過程所得結(jié)果相近，驗證了CSPB工藝成形此類零件的可行性。