304 不銹鋼V 型彎曲有限元分析研究

張德紅

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,四川 宜賓644003）

1 概述

金屬零件在彎曲變形過(guò)程時(shí)都伴有彈性變形,當(dāng)外載荷去除以后,彈性變形恢復(fù),塑性變形保留下來(lái),這就導(dǎo)致彎曲件形狀和存在發(fā)生變化而與成型零件尺寸出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象,這就是回彈。彎曲回彈制約了零件的制造精度,由于回彈的影響因素較多,其中包括材料種類(lèi)、板料厚度、摩擦、彎曲角度的大小等,而以往為了解決回彈問(wèn)題,需要大量的實(shí)體數(shù)據(jù)來(lái)修正模具參數(shù),使得彎曲零件制備時(shí)間加長(zhǎng),降低了制造效率。在解決回彈問(wèn)題上,有限元法研究彎曲回彈有著廣泛的應(yīng)用。Dynafrom軟件是一款用于板料成型數(shù)值模擬的專用軟件,能解決現(xiàn)實(shí)中許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題,它能預(yù)測(cè)板料成型過(guò)程中的起皺、破裂及回彈,評(píng)估板料成型性能,在板料成型仿真領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可。

本課題利用Dynafrom 有限元軟件對(duì)304 不銹鋼V 型件進(jìn)行研究,主要包括板料厚度、摩擦因數(shù)和彎曲角度對(duì)回彈量的影響,以期尋找較好的工藝參數(shù)條件,以及回彈角度的變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 本文采用SS304 不銹鋼鋼板作為V 型彎曲的實(shí)驗(yàn)板料,板料的種類(lèi)是影響回彈的重要因素,板料彎曲的時(shí)候材料的屈服極限和楊氏模量的比值越大,回彈會(huì)越大。SS304 不銹鋼是一種多用途奧氏體不銹鋼,因?yàn)榫哂袃?yōu)良的抗腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活生產(chǎn)中。SS304不銹鋼的主要化學(xué)成分如表1 所示。

表1 SS304 不銹鋼化學(xué)成分

表2 SS304 的材料力學(xué)性能參數(shù)

2.2 有限元模型建立

采用被廣泛應(yīng)用的三維建模軟件UG8.0 建立曲面模型,轉(zhuǎn)換并保存為IGES 格式文件,然后再將IGES 格式文件,導(dǎo)入Dynaform 軟件內(nèi),并對(duì)導(dǎo)入Dynaform 后的模型進(jìn)行破碎面檢查和修補(bǔ)。成功導(dǎo)入Dynaform 軟件內(nèi)的分析模型,需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通常模型可以采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法,但是精度要求較高的模擬分析,需要對(duì)模型進(jìn)行手動(dòng)細(xì)分,比如本模型的折彎部位,單元網(wǎng)格相應(yīng)要密集。網(wǎng)格劃分完后,定義凸模、凹模、壓邊裝置和板料,并設(shè)置模擬工作環(huán)境,比如設(shè)置板料厚度、沖壓速度,及各工具與板料之間的相對(duì)位置。提交給LS-DYNA 求解器讀取數(shù)據(jù),并進(jìn)行計(jì)算。圖1 為V 型彎曲回彈的有限元模型,SS304 不銹鋼,選用各向同性硬化模型。模型摩擦條件采用面- 面接觸算法,利用兩個(gè)接觸表面的材料性能計(jì)算單元的接觸剛度。

圖1 V 型彎曲的有限元模型

2.3 數(shù)據(jù)后處理

導(dǎo)入成型模擬數(shù)值結(jié)果文件（dynain 文件）,進(jìn)行回彈設(shè)置,選擇回彈積分點(diǎn),添加板料回彈約束等,最后進(jìn)行回彈求解。利用ETA/POST 讀取計(jì)算結(jié)果文件,提取板料厚度、彎曲中心角、摩擦系數(shù)等與回彈之間的關(guān)系。

3 結(jié)果分析

3.1 板料厚度與回彈的關(guān)系

在影響回彈的諸多因素當(dāng)中,板料厚度對(duì)回彈的影響與彎曲半徑密切相關(guān),當(dāng)相對(duì)彎曲半徑大時(shí),參與變形的板料較多,板料變形程度越小,板料厚度大會(huì)導(dǎo)致參與變形的材料增多,彈性變形比例減小,回彈也就變?。幌喾?回彈就會(huì)增大。在考察板料厚度與回彈的關(guān)系過(guò)程中,彎曲中心角保持90°角,摩擦因素0.125 不變,將板料厚度調(diào)整到1mm、1.5mm、2mm、2.5mm。得圖2 板料厚度與回彈關(guān)系圖。從圖中可以看出,隨著板料厚度的增加,回彈量緩慢而均勻減少。

圖2 板料厚度與回彈關(guān)系圖

3.2 彎曲中心角與回彈的關(guān)系

當(dāng)彎曲半徑相同時(shí),彎曲中心角度越小,彎曲角直邊參與變形的就越少,板料的變形區(qū)會(huì)越短,變形程度會(huì)越小,彈性變形比例也會(huì)下降,彎曲成型后回彈量也會(huì)變小。反之,彎曲中心角越大,直邊參與就越多,變形程度也就越大,彈性變形占比會(huì)提高,回彈就會(huì)增大。在板料厚度2mm,摩擦因素為0.125 的前提下,將彎曲中心角調(diào)整到60、90、120、150。從圖中可以看出,隨著彎曲中心角的增加,板料變形程度減小,加工硬化對(duì)板料的影響程度減小,回彈量相應(yīng)增加,當(dāng)彎曲中心角增加到120 度以后,板料參與變形的區(qū)域增大,回彈量顯著增大。

圖3 彎曲中心角與回彈的關(guān)系

3.3 摩擦系數(shù)與回彈的關(guān)系

板料變形過(guò)程中,板料和模具表面接觸,從而產(chǎn)生了摩擦,摩擦力的大小會(huì)影響零件表面應(yīng)力狀態(tài),通過(guò)改變摩擦系數(shù)從而可以改變接觸摩擦力,彎曲成型時(shí)選擇合理的摩擦系數(shù)有助于板料成型。固定彎曲中心角為90 度,板料厚度2mm 不變的前提下,分別將模具的摩擦系數(shù)調(diào)整到0.05,0.1,0.125,0.15,0.2。從圖中看出摩擦系數(shù)越大,回彈值越小,而且隨著摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì),回彈量基本均勻下降。同時(shí),與彎曲中心角影響相比摩擦系數(shù)要小的多。

圖4 摩擦系數(shù)和回彈角度量的關(guān)系

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不銹鋼V 型回彈的仿真研究,分析了彎曲中心角、板料厚度和模具的摩擦因數(shù)對(duì)板料彎曲回彈量的影響,通過(guò)分析可知：隨著板料厚度的增加,回彈量緩慢而均勻減少；彎曲中心角的增加,板料變形程度減小,加工硬化對(duì)板料的影響程度減小,回彈量相應(yīng)增加,當(dāng)彎曲中心角增加到120 度以后,板料參與變形的區(qū)域增大,回彈量顯著增大。摩擦系數(shù)越大,回彈值越小,而且隨著摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì),回彈量基本均勻下降。板料厚度、彎曲中心角和摩擦系數(shù)三個(gè)影響回彈的因素,其中彎曲中心角對(duì)回彈量的影響最大,其次是摩擦系數(shù),板料厚度對(duì)回彈量的影響最小。