朱 奇，周志紅，唐 琴

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208)

某型號長臂架混凝土泵車生產(chǎn)時，臂架結(jié)構(gòu)件上使用的Q960 高強(qiáng)度鋼板在折彎成型時，折彎過程中出現(xiàn)以下問題：①折彎模具下模開口處存在較大的摩擦磨損，造成折彎件尺寸變化；②t5 的鋼板采用上模半徑R20 折彎開裂，采用上模半徑R30 折彎不開裂；③t8 的鋼板采用上模半徑R30 折彎開裂，采用上模半徑R40 折彎不開裂；④t15 的鋼板采用上模半徑R40 折彎，折彎到133°時出現(xiàn)微裂紋。鋼板折彎裂紋宏觀形貌及裂紋分布如圖1、圖2 所示。本文從材料的理化檢驗(yàn)、折彎工藝、折彎過程受力等方面分析裂紋形成的原因，并提出改進(jìn)措施及折彎工藝優(yōu)化方案。

圖1 鋼板折彎裂紋宏觀形貌

圖2 鋼板折彎裂紋分布示意圖

1 材料理化檢驗(yàn)及結(jié)果

本文先從材料的化學(xué)成分分析、金相顯微分析、硬度分析等方面查找鋼板折彎開裂的原因。

1.1 化學(xué)成分

表1 是樣件化學(xué)成分分析表。從中可以看出，實(shí)測的鋼板質(zhì)量分?jǐn)?shù)值與質(zhì)保要求的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值差別較小。另外，實(shí)測的金屬元素P、S 含量也遠(yuǎn)低于技術(shù)協(xié)議要求，說明鋼水純凈度較好。

表1 鋼板質(zhì)保書與實(shí)測的化學(xué)成分對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 金相組織分析

在樣件折彎處外圓切取試樣經(jīng)處理后觀察顯微組織，從橫、縱向截面組織圖可知，鋼板的金相組織以板條貝氏體為主，含有少量的馬氏體或殘余奧氏體，馬氏體呈板條狀，且組織比較均勻。

1.3 厚度方向顯微硬度

表2 是樣件鋼板厚度方向不同位置的硬度測量值。從中可看出，距裂紋較近位置以及遠(yuǎn)離裂紋處的鋼板硬度測量結(jié)果沒有明顯差異，鋼板近表面和板厚中心位置硬度值差異不大，這表明鋼板組織連續(xù)分布。

表2 厚度方向不同位置的硬度測量值

根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果，高強(qiáng)度鋼板的化學(xué)成分、金相組織、硬度等均符合技術(shù)協(xié)議和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，鋼板材料特性沒有明顯的異常或缺陷。

2 折彎變形量計(jì)算及受力分析

折彎裂紋工藝控制的關(guān)鍵是獲得不同板厚t鋼板的最小折彎半徑R和折彎角α、下模寬度W之間的關(guān)系，根據(jù)t 選擇合適的R、α和W，是控制折彎件裂紋的關(guān)鍵所在。不產(chǎn)生折彎裂紋的前提條件是：折彎外圓弧塑性變形量小于材料的塑性變形能力A5。

2.1 折彎外圓弧變形量計(jì)算

選擇該型號混凝土泵車臂架上常用的5mm、8mm 和15mm 的Q960 鋼板，計(jì)算折彎外圓變形量（表3）。圖3 是根據(jù)鋼板折彎的特性參數(shù)建立的折彎半徑對鋼板折彎尺寸影響的近似尺寸圖。從表3 可看出，不同板厚鋼板在不同折彎半徑下的折彎效果與實(shí)際情況基本是吻合的。

圖3 折彎半徑對鋼板折彎尺寸影響的近似尺寸圖

表3 鋼板折彎外圓弧近似變形量

2.2 折彎過程受力分析

分別對t15 的Q960 鋼板在折彎半徑40mm，折彎角135°和折彎半徑45mm，折彎角135°的情況下進(jìn)行受力分析，折彎成形的分析模型如圖4 所示。在有限元軟件中模擬實(shí)際折彎過程，折彎特性參數(shù)根據(jù)實(shí)際參數(shù)設(shè)定，采用拉格朗日迭代法對折彎鋼板進(jìn)行接觸非線性的數(shù)值模擬及強(qiáng)度分析，并在折彎鋼板與折彎模具間設(shè)置滑動摩擦系數(shù)，得到結(jié)論為：t15 的Q960 鋼板在折彎半徑40mm，折彎角135°的折彎情況下，鋼板整體最大應(yīng)力已超過材料的抗拉強(qiáng)度960MPa，折彎處外圓弧局部最大應(yīng)力913.58MPa 已非常接近超過材料的抗拉強(qiáng)度，這與實(shí)際開裂情況相符；在折彎半徑45mm，折彎角135°的折彎情況下，折彎處外圓弧應(yīng)力雖然較高(724.75MPa)，但未超過材料的抗拉強(qiáng)度，這與實(shí)際未開裂情況相符。

圖4 鋼板折彎成形分析模型

3 折彎開裂工藝原因分析及優(yōu)化

3.1 折彎開裂工藝原因分析

根據(jù)對高強(qiáng)度鋼板的折彎變形量計(jì)算及折彎過程受力分析，折彎開裂的主要工藝原因如下。

1）材質(zhì)和板厚折彎所需的最小上模半徑、下模開口尺寸，折彎角度不合適或折彎工藝余量不足導(dǎo)致鋼板開裂。

2）上下模具尺寸不準(zhǔn)確，造成鋼板變形協(xié)調(diào)不一致，致使局部存在較大塑性變形內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時鋼板開裂。

3）折彎鋼板與下模開口處接觸摩擦力較大，導(dǎo)致鋼板折彎過程中不能自由下滑，其折彎外圓弧面被拉伸而產(chǎn)生更大塑性變形，導(dǎo)致鋼板開裂。

3.2 折彎工藝優(yōu)化

根據(jù)折彎開裂工藝原因分析，提出如下高強(qiáng)度鋼板折彎工藝優(yōu)化方案。

1）結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙、現(xiàn)場工藝，在不影響設(shè)計(jì)要求的前提下，將折彎半徑適當(dāng)增大，降低折彎對材料塑性和韌性的要求。因鋼板折彎半徑越小，對材料的延展率要求越高，特別是厚鋼板，如果折彎半徑小于板厚，折彎角度小于90°時，更容易出現(xiàn)折彎裂紋。

2）編制折彎工藝時，注意鋼板軋制方向，盡量使鋼材折彎方向與纖維方向垂直。因有時鋼板橫向的塑性和韌性性能低于縱向，鋼板下料后，如果壓彎的方向與軋制方向垂直時(橫向)，零件在折彎處容易出現(xiàn)折彎裂紋。

3）改善折彎模具，將模具折彎成型的滑動摩擦改為滾動摩擦，減小鋼板的下滑阻力，保證鋼板在折彎時塑性變形的一致性，如圖5 所示。對使用滾動摩擦型模具的Q960 鋼板的折彎過程進(jìn)行仿真分析，鋼板折彎處內(nèi)外圓應(yīng)力有較好的改善(最大應(yīng)力為642.76MPa)。

圖5 折彎模具中滾輪受力分析示意圖

4）試驗(yàn)測定最小折彎半徑和最小折彎角。在鋼板正反面上刻畫出網(wǎng)格(以t15 的高強(qiáng)度鋼板為例，如圖6 所示)，通過測量鋼板折彎后外圓弧面上網(wǎng)格之間的距離增加值來確定各處的塑性變形量和鋼板中性層位置，通過計(jì)算得到最小折彎半徑和最小折彎角。也可通過影像監(jiān)控鋼板在折彎過程中折彎外圓弧的裂紋啟裂與外圓弧網(wǎng)格的變化情況來確定最小折彎半徑和最小折彎角。由此，可以制定同一規(guī)格鋼板折彎上下模具規(guī)格選用的推薦表。

圖6 折彎半徑測量網(wǎng)格分布示意圖

4 結(jié)語

1）對折彎開裂的高強(qiáng)度鋼板材料的化學(xué)成分、金相、硬度等進(jìn)行了檢測分析，排除了鋼板折彎開裂的材料原因；從折彎半徑、折彎模具、折彎變形量等方面分析了鋼板折彎開裂的原因。

2）在折彎參數(shù)、下料工藝、折彎模具、試驗(yàn)測定最小折彎半徑和最小折彎角等方面的提出了折彎工藝改進(jìn)措施。