文／王翠竹·四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造學(xué)院

達(dá)到極限最大彎曲角度的討論

目的為研究金屬薄壁矩形管件繞彎成形時(shí)質(zhì)量缺陷的截面畸變形式，對(duì)管件的寬度擴(kuò)展率、中面高度縮減率、壁厚減薄率三者進(jìn)行定義都參考文獻(xiàn)。研究材料為JAC590Y，是汽車車身結(jié)構(gòu)中常用的一種高強(qiáng)鋼材料，屈服強(qiáng)度為395MPa，抗拉強(qiáng)度為615MPa，密度為7850kg·m-3，泊松比為0.28。采用有限元DYNAFORM 軟件，此軟件中自帶JAC590Y 材料數(shù)據(jù)，在繞彎成形中可將其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系擬合為σ=1033ε0.204。

根據(jù)之前的研究，彎厚比R/t0為120 時(shí)，其寬度擴(kuò)展率λ、壁厚減薄率Δ1的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出管件彎制合格件的要求，對(duì)此僅針對(duì)彎厚比R/t0為120 時(shí)，討論彎制合格件的前提下，最大程度能彎曲多少度。其中選定的管坯尺寸、工藝參數(shù)等都參考筆者文獻(xiàn)，研究其寬度擴(kuò)展率λ、中面高度縮減率η、壁厚減薄率Δ1。

彎曲角α 對(duì)管件彎曲段λ 的影響

圖1 為矩形管在6 種彎曲角下彎曲成形后其側(cè)板沿寬度方向的位移云圖，隨著彎曲角不斷減小時(shí)，矩形管截面兩側(cè)板變形逐漸出現(xiàn)在彎曲段的后段，無論管坯彎曲角度大小，其兩側(cè)板變形基本對(duì)稱，從而變形數(shù)據(jù)絕對(duì)值大小基本一致。

圖1 矩形管在6 種彎曲角下側(cè)板寬度方向的位移云圖

根據(jù)定義的寬度擴(kuò)展率公式λ ＝ω1/ω0-1，得出當(dāng)彎曲角為180°時(shí)，λmax在19%左右，隨著彎曲角逐漸減小到60°時(shí)，λmax在10%左右，彎曲角度下降到120°區(qū)間范圍，λmax僅下降了9%左右。但當(dāng)彎曲角從60°下降到30°區(qū)間時(shí)，λmax數(shù)值降到4%，彎曲角減小30°的同時(shí)λmax下降5%左右，對(duì)比之前的下降速度，此時(shí)數(shù)值出現(xiàn)了斷崖式的減小。以上說明，在彎厚比R/t0為120，彎曲到60°之前時(shí)，兩側(cè)寬度向外變形程度差不多，而當(dāng)彎曲角減小到30°時(shí)，矩形管截面畸變的很小。

彎曲角α 對(duì)管件彎曲段Δ1 的影響

從圖2 可以看出，管坯壁厚減薄的最大位置均在兩側(cè)板與頂板的交角處，不管矩形管彎曲角度的取值大小，矩形管中最大壁厚減薄率Δ1max均出現(xiàn)在截面角φ約為20°，區(qū)別在于彎曲角度越大，壁厚減薄率Δ1越大。

圖2 6 種彎曲角下矩形管的壁厚減薄率云圖

由圖3 中Δ1max與α 之間的關(guān)系曲線可知，當(dāng)彎曲角從180°變化到60°時(shí)，Δ1max從32.317%下降到25.238%，其下降值在7%左右；當(dāng)彎曲角從60°變化到30°時(shí)，Δ1max從25.238%下降到20.33%，下降值在5%左右。對(duì)比其中規(guī)律可以看出，在R/t0=120 時(shí)，盡管彎曲半徑值為120mm 時(shí)數(shù)值相對(duì)很大，但此時(shí)的矩形管壁厚為1mm，彎曲到30°對(duì)管坯成形質(zhì)量最好，因此影響壁厚減薄率與彎曲角度的關(guān)系重點(diǎn)在于管坯壁厚大小。對(duì)此，在實(shí)際選材中要想進(jìn)行大角度彎曲時(shí)，符合材料屬性的同時(shí)盡量不選用壁厚較小的管坯。

圖3 Δ1max 與α 之間的關(guān)系曲線

彎曲角α 對(duì)管件彎曲段η 的影響

由圖1、圖2 可知，彎曲角為180°和150°時(shí)，矩形管彎曲段中的兩側(cè)板寬度方向畸變嚴(yán)重，頂板嚴(yán)重塌陷，呈現(xiàn)凹凸不平的表面。結(jié)合材料屬性綜合得出，此時(shí)彎制出的管件已是不合格成品件，管坯彎曲段中面高度縮減率η 僅從彎曲角為120°～30°區(qū)間進(jìn)行討論，得出如圖4 所示的η 與φ的關(guān)系曲線規(guī)律。

圖4 η 與φ 的關(guān)系曲線

從圖4 可知，當(dāng)彎曲角α ＝120°和90°時(shí)，其中面高度畸變規(guī)律一樣，中面高度縮減率η 均在截面角φ約為50°～70°、110°和約為30°～40°、70°的區(qū)間彎管段出現(xiàn)最大值，這兩種工況都是進(jìn)行大角度彎曲，其最大中面高度縮減率ηmax出現(xiàn)在管坯后段，即在未有芯棒與芯頭支撐的地方和管坯前段，而且兩者的最大中面高度縮減率ηmax的值相差不大。當(dāng)彎曲角α ＝60°和30°時(shí)，此時(shí)進(jìn)行小角度彎曲，中面高度縮減率η 均在截面角φ約為40°和15°的位置出現(xiàn)最大值，此時(shí)既可以看作芯棒與芯頭未支撐的地方，其也是管坯的前段，說明影響管坯頂板和底板向內(nèi)凹陷的主要原因在于芯棒與芯頭的支撐，但在彎曲到30°時(shí)，最大中面高度縮減率ηmax的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彎曲到60°時(shí)的情況。

與在前面討論彎曲角對(duì)管件彎曲段λ 和Δ1的影響規(guī)律一樣，都是在彎曲角為30°時(shí)，λ 和Δ1的數(shù)值呈急劇下降狀態(tài)，說明管坯厚度t0為1mm 時(shí)，想要彎制出質(zhì)量好的產(chǎn)品，盡量彎曲角在30°以下。

結(jié)論

⑴在實(shí)際高強(qiáng)鋼矩形管中，當(dāng)追求車身的輕量化發(fā)展時(shí)定會(huì)選擇越輕的管坯參數(shù)，在選擇質(zhì)量輕的管坯時(shí)定要考慮其最大彎曲角度，運(yùn)用JAC590Y 矩形管時(shí)成形件質(zhì)量較好，最大彎曲度應(yīng)控制在30°左右。

⑵分析管坯的壁厚減薄率Δ1云圖和中面高度縮減率η 數(shù)值得出：最大值均出現(xiàn)在管坯彎曲段的后段(大角度彎曲時(shí)是后段，小角度彎曲時(shí)，后段也可以看作前段)，影響兩者值的最大因素在于芯棒與芯頭對(duì)管坯的支撐。