上模具圓弧大小對高強方矩管冷彎成型角隅內(nèi)側(cè)裂紋的影響

陳葉清 駱海賀 劉占增 喬午鋒 高長華 解 德 / .武漢鋼鐵（集團）公司研究院 .華中科技大學

上模具圓弧大小對高強方矩管冷彎成型角隅內(nèi)側(cè)裂紋的影響

陳葉清1駱海賀1劉占增1喬午鋒2高長華2解 德2/ 1.武漢鋼鐵（集團）公司研究院 2.華中科技大學

高強方矩管在成型生產(chǎn)過程中時常出現(xiàn)角隅內(nèi)側(cè)開裂，本文采用有限元數(shù)值模擬仿真計算，研究了上模具圓弧大小對產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律。研究表明，對于兩種不同規(guī)格方矩管，上模具圓弧大小對產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律相同，即等效塑性應變隨著圓弧半徑減小而增大。

數(shù)值模擬；冷彎成型；裂紋；模具

1.前 言

高強鋼由于具有強度高、延伸率低、變形大、成型反彈大等特點，因而在冷彎成型生產(chǎn)過程中以及用戶的二次加工過程中時常出現(xiàn)開裂，而且相當一部分是在管子的角隅內(nèi)側(cè)開裂。進行高強方矩管冷彎成型數(shù)值仿真研究，有助于解釋高強方矩管在成型過程中產(chǎn)生裂紋等缺陷的原因，以及提出降低裂紋等缺陷發(fā)生概率的工藝優(yōu)化改進措施。

國內(nèi)外對方矩形管冷彎成型的研究主要集中在數(shù)值仿真、成型工藝和成型缺陷等三方面。武漢科技大學的胡盛德[1]等基于ANSYS-APDL參數(shù)化設計語言，對冷彎矩形管的主要成型道次進行了有限元模擬。比利時的Q.V.Bui[2]等對冷彎成型進行了三維數(shù)值仿真，并將數(shù)值仿真的縱向應變和軌跡曲線和實驗進行了對比。石家莊軸承設備股份有限公司的李國榮[3]等從節(jié)省原料的角度，對方矩形管“先圓后方”和“直接成方”兩種成型方式進行了對比，認為采用“直接成方”工藝可以節(jié)省原料。從國內(nèi)外公開的相關(guān)文獻可以看出，人們對方矩形管的數(shù)值仿真研究主要集中在某些道次，對整個成型過程沒有一個完整的系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究。基本上沒有涉及對矩形管裂紋產(chǎn)生原因和預防進行討論，更談不上應用工廠的實際生產(chǎn)案例。

本文針對客車用高強方矩管在冷彎成型過程中角隅內(nèi)側(cè)產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬仿真方法研究了實際生產(chǎn)中的上模具圓弧大小對產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律。

2.數(shù)值仿真模型的建立及計算

高強方矩管冷彎成型數(shù)值仿真模型的確立主要根據(jù)高強方矩管的實際生產(chǎn)工藝流程來確定，研究模型采用了兩個不同規(guī)格（規(guī)格一：40×40×1.5mm，規(guī)格二：100×40×3.0mm）的四四二次彎邊成型方矩管。

有限元模型的建立利用Femap軟件，計算仿真利用以擅長處理非線性和復雜接觸問題著稱的ABAQUS高級有限元仿真軟件。計算方法采用二維有限元數(shù)值仿真分析方法，能完整地仿真整個冷彎成型流程，且能方便地分析冷彎成型過程中的大塑性變形和回彈等成型基本現(xiàn)象。尤其對容易產(chǎn)生裂紋的角隅處，能方便地對其進行細節(jié)分析。

研究所選取的工藝參數(shù)值均參照生產(chǎn)現(xiàn)場的實際工藝參數(shù)范圍進行選取。規(guī)格一的上模具圓弧半徑分別設為8mm、7mm、6mm；規(guī)格二的上模具圓弧半徑分別設為12mm、10mm、8mm。

通過有限元數(shù)值模擬仿真計算，不同上模具圓弧半徑（8mm、7mm、6mm）的規(guī)格一方矩管最終成型的等效塑形應變值分別為0.4625、0.5374、0.5717，不同上模具圓弧半徑（12mm、10mm、8mm）的規(guī)格二方矩管最終成型的等效塑形應變值分別為1.1120、1.1220、1.2280。

3.分析與討論

關(guān)鍵節(jié)點處產(chǎn)生裂紋的原因必須滿足兩個條件：一是等效應力-應變曲線的流動超過材料的真應力-應變曲線；二是該關(guān)鍵節(jié)點處存在拉應力。如果材料在加工過程中的等效塑形應變相對越小，則相對越安全，即出現(xiàn)裂紋的幾率越小。

計算結(jié)果表明：對于兩種不同規(guī)格方矩管，上模具圓弧大小對產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律相同，即：隨著圓弧半徑減小，等效塑性應變有增大的趨勢。其原理可以從圖1來理解。

圖1 上模具圓弧大小的改變對擠壓鋼板的影響

圖1表示上模具圓弧大小的改變對擠壓鋼板的影響。當上模具圓弧半徑由較大的R1變化為較小的R2時，上下模具的最小間距由AB變化為CD，顯然AB小于CD。即這時上模具對鋼板的圓弧段擠壓不充分，導致圓弧過小，而又要成型到相同的角度，所以圓弧段的擠壓變形會變得嚴重，塑性應變會增加。

因此，在實際生產(chǎn)中，在不影響產(chǎn)品規(guī)格和成型角度的情況下，宜采用上模具圓弧較大的工藝參數(shù)。

4.結(jié) 論

數(shù)值仿真計算結(jié)果表明：對于兩種不同規(guī)格方矩管，上模具圓弧大小對產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律相同，即等效塑性應變隨著圓弧半徑減小而增大。而加工過程中等效塑形應變增大，則產(chǎn)生裂紋的幾率也相應增大。因此，在實際生產(chǎn)中，在不影響產(chǎn)品規(guī)格和成型角度的情況下，宜采用上模具圓弧較大的工藝參數(shù)。

[1]胡盛德，張雪峰，劉勇，馬力，王絹，汪雯婕.冷彎矩形管主要成型道次的FEM模擬[J].武漢科技大學學報，2012，35（6）：407-436.

[2]Q.V.Bui，J.P.Ponthot.Numerical simulation of cold rollforming processes[J].journal of materials processing technology，2008，202：275-282.

[3]李國榮.方矩形管成型方式的選擇[J].焊管，2008，31（2）：69-96.