余亞克，李曉廣，張東凱

(河鋼集團(tuán)邯鋼技術(shù)中心，河北 邯鄲 056038)

某自卸車邊板由NM400材料經(jīng)過多次折彎成形得到，由于NM400材料具有較高的強(qiáng)度和硬度，可以提升零件耐磨性，增加零件的服役壽命，但同時(shí)也增加了零件的加工難度。尤其是針對(duì)大角度的折彎變形，如果折彎模具的尺寸參數(shù)設(shè)置不合理，易出現(xiàn)開裂問題，造成零件報(bào)廢。因此如何通過仿真的手段，研究大角度折彎狀態(tài)下，模具關(guān)鍵尺寸參數(shù)即模具圓角半徑與材料折彎成形極限的關(guān)系，成為自卸車邊板成形加工過程中亟待解決的問題。

折彎——金屬板料在折彎?rùn)C(jī)上模和下模的共同作用下，實(shí)現(xiàn)局部的塑性變形，得到一定角度的V形零件的加工過程。在折彎過程中，彎曲件的外層受拉應(yīng)力，內(nèi)層受壓應(yīng)力。彎曲件的外層受拉應(yīng)力經(jīng)彈性變形然后塑性變形，當(dāng)材料內(nèi)部所受的應(yīng)力值超過材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，彎曲件出現(xiàn)斷裂問題，直接造成零件的報(bào)廢。

1 仿真模型的建立

1.1 CAE模型的建立[1]

基于某車型邊板照片，對(duì)比每個(gè)位置的折彎角度及對(duì)應(yīng)圓角半徑，分析確定出零件的關(guān)鍵成形工序，通過合理簡(jiǎn)化，充分提高仿真計(jì)算效率。分析零件的折彎角度，充分保證折彎的仿真精度，針對(duì)關(guān)鍵區(qū)域采用三維造型軟件設(shè)計(jì)出二維的折彎模具及板料模型。將模型分別導(dǎo)入專業(yè)的金屬仿真軟件中，設(shè)置凹、凸模及板料的屬性，將凹凸模定義為剛體，板料定義為塑性體，對(duì)凸模設(shè)置運(yùn)動(dòng)方式，沿-Y方向運(yùn)動(dòng)，速度為200 mm/s，凹模固定不動(dòng)，模擬步數(shù)設(shè)定為72，將板料劃分為5000個(gè)網(wǎng)格，為進(jìn)一步提高仿真精度，將板料中間位置大變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的局部細(xì)化，可以充分保證變形區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格尺寸，從而保證仿真精度，如圖1所示，為充分考慮折彎圓角半徑對(duì)成形的影響，分別以R=4.2a、R=3a、R=2.1a(板料a=6 mm)，三種圓角半徑為研究對(duì)象。

圖1 仿真模型

2 建立材料本構(gòu)模型

2.1 本構(gòu)關(guān)系擬合

基于試驗(yàn)所測(cè)的力-位移曲線，根據(jù)體積不變?cè)?，求解材料的真?shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線，如圖2所示，由圖2可知真實(shí)應(yīng)力出現(xiàn)下降，表明拉伸試樣出現(xiàn)失穩(wěn)，體積不變?cè)硎2]。

圖2 材料本構(gòu)模型

對(duì)參考圖2中真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線最高點(diǎn)之前的塑性變形段進(jìn)行擬合，得到材料硬化的本構(gòu)模型如公式1所示。

(1)

2.2 斷裂閥值求解

結(jié)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線塑性應(yīng)變區(qū)間，基于上述本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)行Cockcroft&Latham[3]斷裂失效模型的斷裂閥值的求解，失效模型如公式2所示，按照公式計(jì)算得斷裂閥值[1]為0.202。由于所參考的塑性真實(shí)應(yīng)變根據(jù)失穩(wěn)態(tài)的真實(shí)應(yīng)變求得，故存在一定誤差，需進(jìn)行仿真對(duì)標(biāo)。

(2)

3 單向拉伸試驗(yàn)仿真對(duì)標(biāo)

3.1 拉伸試樣樣本設(shè)計(jì)

按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，確定單向拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣基本形狀如圖3，根據(jù)矩形截面非比例試樣尺寸標(biāo)準(zhǔn)如表1確定拉伸試樣的幾何尺寸，采用專業(yè)的三維造型軟件建立試樣的模型。

圖3 拉伸試樣示意圖

表1 矩形橫截面非比例試樣

3.2 仿真模擬的前處理

根據(jù)三維造型軟件中設(shè)計(jì)的樣件實(shí)體造型，生成試樣的仿真模型[5]如圖4，輸出文件的擴(kuò)展名為.IGS格式，將計(jì)算模型導(dǎo)入到專業(yè)的金屬仿真軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置載荷、約束和運(yùn)動(dòng)方式，并采用硬化模型公式(1)，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)NM440材料的力-位移曲線為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 單向拉伸仿真模擬的結(jié)果

仿真運(yùn)算導(dǎo)出拉伸力-位移曲線，通過與試驗(yàn)中的拉伸力-位移曲線對(duì)標(biāo)，如圖5可以看出在拉伸的前半段過程中兩條曲線的吻合度比較高，隨著位移載荷的不斷增加，試樣橫截面不斷減小，拉伸位移增加導(dǎo)致拉伸力不斷加大。當(dāng)橫截面縮小到一定程度，拉伸力不再增加，反而減小，可以看到仿真曲線出現(xiàn)明顯的縮頸段，對(duì)理論求解得到的斷裂閥值進(jìn)行對(duì)標(biāo)修正；斷裂閥值的最終修正結(jié)果為0.22，修正后的力-位移曲線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖5所示。進(jìn)行仿真模擬。

圖4 單向拉伸的仿真模型

圖5 拉伸試驗(yàn)仿真對(duì)標(biāo)結(jié)果

4 仿真結(jié)果

針對(duì)圓角半徑分別為4.2a、3a、2.1a的90°折彎成形，成形仿真結(jié)果如圖6所示，由圖可知3種圓角半徑下斷裂失效最大值分別達(dá)0.0974、0.143、93，隨著折彎圓角半徑的減小，斷裂失效值增大；其中針對(duì)R=2.1a，折彎成形至103.5°時(shí)失效值達(dá)到斷裂閥值0.22材料出現(xiàn)開裂，然后失效值急劇增大；針對(duì)R=3a、R=4.2a兩種圓角半徑，折彎至90°失效值為超過斷裂閥值0.22，材料未出現(xiàn)開裂。

R=4.2a R=3.0a R=2.1a圖6 折彎成形仿真結(jié)果

5 設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)

根據(jù)折彎成形的仿真結(jié)果，零件的折彎半徑為2.1a時(shí)，零件折彎時(shí)出現(xiàn)開裂問題，折彎半徑為3a及4.2a時(shí)，零件折彎時(shí)未出現(xiàn)開裂問題，基于以上仿真結(jié)果將零件90°折彎位置圓角半徑設(shè)計(jì)為4.2a厚度，具體零件如圖7。

圖7 邊板

6 結(jié)論

(1)針對(duì)折彎成形，經(jīng)仿真驗(yàn)證NM400材料(與該材料性能接近的NM450HR)可以滿足采用4.2a的圓角半徑進(jìn)行90°折彎。

(2)基于修正的本構(gòu)模型、斷裂模型、斷裂閥值，進(jìn)行90°折彎成形仿真模擬，得到3種圓角半徑的仿真結(jié)果，圓角半徑的大小與失效值Damage呈反相關(guān)。

(3)折彎圓角半徑作為影響成形的關(guān)鍵參數(shù)，其值越小越易出現(xiàn)開裂，針對(duì)該材料圓角半徑的臨界值在2.1a與3a之間，考慮到該材料的彈性延伸段和非比例延伸段較大，建議將3a作為臨界值。

(4)折彎圓角半徑作為影響成形的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響折彎到頂角處的失效值，當(dāng)折彎半徑過小以致失效值超過斷裂閥值時(shí)出現(xiàn)開裂。