胡忠勇,張如軍,王 圍,梁繼才

(1.舒蘭市通用機械有限責(zé)任公司,吉林 舒蘭 132600;2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長春 130022)

1 引 言

“日”字形截面商用車防護(hù)梁以B700L高強鋼為原材料,通過輥彎工藝成形型坯,對型坯進(jìn)行定長切斷,再對切斷后的型坯兩端進(jìn)行繞彎成形,其獨特的截面形狀在保證商用車優(yōu)良防撞性的同時,還滿足了汽車輕量化設(shè)計的需求。由于高強鋼具有強度高、塑性差等特點,再加上截面形狀的復(fù)雜性,防護(hù)梁在繞彎成形后容易產(chǎn)生截面變形、內(nèi)壁增厚和外壁減薄、甚至破裂等缺陷。

本文通過對“日”字形截面型材繞彎過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合試驗,研究繞彎成形模具內(nèi)支撐模芯與型坯間隙變化對產(chǎn)品截面變形和內(nèi)外側(cè)壁厚變化的影響規(guī)律。

2 繞彎成形工藝簡介

繞彎成形工藝的原理如圖1所示,型材在外力的作用下繞彎曲模旋轉(zhuǎn),逐漸與彎曲模貼合從而實現(xiàn)彎曲成形。由圖1可以看出,成形模具主要包括壓模、防皺模、彎曲模、芯模和鑲塊等[1]。在繞彎過程中,型材的前端由夾模和鑲塊夾持,緊貼在彎曲模上;型材的尾端則由防皺模和壓模夾持,使得型材只能前后移動。同時,防皺模能降低型材底部的起皺;芯模作為內(nèi)腔支撐,減少型材的截面變形[2]。

圖1 繞彎成形原理

圖2(a)所示為一次性輥彎成形的“日”字形截面型材,材料是B700L高強鋼,型材厚度為2.5mm。圖2(b)所示是生產(chǎn)用的碾壓式繞彎裝置,采用柔性芯模內(nèi)支撐和繞彎半徑R=470mm的彎曲模對型材進(jìn)行繞彎加工成形。

(a)型材

繞彎成形過程先后經(jīng)歷彈性變形階段、彈塑性變形階段和純塑性變形階段。在此過程中,型材的塑性變形隨著外加彎矩的增加而增大。彈性階段是變形的初始階段,此階段型材在彎矩的作用下發(fā)生彈性變形,彎曲中性層內(nèi)側(cè)材料受到壓應(yīng)力作用發(fā)生彈性收縮,外側(cè)材料受到拉應(yīng)力作用發(fā)生彈性伸長。隨著彎矩逐漸增加,變形進(jìn)入彈塑性階段,型材最內(nèi)層和最外層材料首先達(dá)到屈服極限,此時材料變形性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?且慢慢擴展到彎曲中性層。隨著變形的繼續(xù),變形進(jìn)入純塑性變形階段,此時材料不僅受到彎曲周向的應(yīng)力,還受到沿厚度方向的壓力,導(dǎo)致其厚度中心向內(nèi)表面移動,型材發(fā)生外壁減薄和內(nèi)壁增厚的現(xiàn)象。繞彎成形后的型材會產(chǎn)生回彈、截面畸變、內(nèi)側(cè)壁起皺、外側(cè)壁減薄斷裂等缺陷[3-6],因此,研究型材繞彎成形模具內(nèi)支撐模芯和型坯間隙變化對制件成形質(zhì)量影響規(guī)律,對控制成形條件,提高制件成形質(zhì)量,指導(dǎo)生產(chǎn)實踐十分必要。

3 繞彎模具內(nèi)支撐模芯與型坯間隙變化對制件成形質(zhì)量的影響

3.1 對應(yīng)力分布的影響

繞彎模具內(nèi)支撐模芯與型坯間隙取值分別為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm,進(jìn)行繞彎成形制件應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究,模擬結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?型材的應(yīng)力集中隨著彎曲模具內(nèi)支撐模芯與型坯間隙的增大,制件應(yīng)力分布逐漸均勻。

圖3 不同模具間隙時制件的應(yīng)力分布

3.2 對壁厚變化的影響

分別取繞彎模具模芯與型坯間隙為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm,對成形后制件壁厚進(jìn)行模擬研究,模擬結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出,型材繞彎段內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)了不同程度的增厚現(xiàn)象,型材繞彎段外側(cè)則出現(xiàn)了不同程度的減薄現(xiàn)象。

圖4 不同模具間隙下制件的厚度

圖5給出了不同的內(nèi)支撐模芯與型坯間隙下型材的壁厚變化率模擬研究結(jié)果。由圖5可知,間隙變化對制件外側(cè)壁厚變化的影響不是很明顯,隨著彎曲角度的增加,制件外側(cè)壁厚減薄率先減小,然后再不斷增加。而內(nèi)側(cè)壁厚變化率隨著間隙變化而變化的幅度稍大,隨著彎曲角度的增加,制件內(nèi)側(cè)壁厚按先增加再降低、再增加和再降低的規(guī)律變化。

(a)外側(cè)壁減薄率 (b)內(nèi)側(cè)壁增厚率

3.3 不同厚度型材繞彎成形應(yīng)力分布

分別取型材厚度t=1.5mm、1.75mm、2.0mm、2.25mm、2.5mm時的繞彎成形過程進(jìn)行模擬研究,獲得的制件應(yīng)力分布如圖6所示。由圖可以看出,隨著型材厚度的增加,其最大應(yīng)力值增加,這是因為型材厚度增加導(dǎo)致成形過程變得困難,需要提供更大的彎矩才能完成繞彎過程,所以最大應(yīng)力值增加。隨著型材厚度的增加,應(yīng)力集中現(xiàn)象有所緩和。

圖6 不同厚度型材繞彎成形應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

本文模擬研究了繞彎成形模具內(nèi)支撐模芯與型坯間隙變化對制件應(yīng)力分布、厚度變化的影響規(guī)律。結(jié)果表明:

(1)隨著繞彎模具內(nèi)支撐模芯與型坯間隙的增大,制件應(yīng)力分布逐漸均勻;

(2)間隙值變化對制件外側(cè)壁厚變化的影響不是很明顯,但是隨著彎曲角度的增加,外側(cè)壁厚減薄率先減小、再增加;內(nèi)側(cè)壁厚變化率隨著彎曲角度的增加先增加、再降低;

(3)不同厚度型材繞彎成形制件應(yīng)力分布模擬研究結(jié)果表明,隨著型材厚度的增加,最大應(yīng)力值增加。