基于DYNAFORM 的折邊機(jī)折彎回彈研究

王金榮，涂芬芬，冷志斌，陳揚(yáng)東

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州225200）

0 前言

數(shù)控四邊折邊機(jī)由送料裝置、定位裝置、折邊裝置等構(gòu)成。通過(guò)自動(dòng)送料、定位、壓緊、折邊實(shí)現(xiàn)一次性折邊；通過(guò)回退、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的連續(xù)折邊。折邊過(guò)程中的彎曲回彈對(duì)折彎精度產(chǎn)生了很大的影響，軌道交通、電梯、航空航天等行業(yè)對(duì)鈑金的成形效率和彎曲精度有較高的要求，因此能精確的控制回彈，對(duì)擺脫國(guó)外的技術(shù)壟斷，提高工業(yè)制造的水平具有重大意義[1]。

在彎曲成形過(guò)程中，板料的內(nèi)側(cè)在切向壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生壓縮變形，而在板料外側(cè)，由于切向拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生了拉伸變形，內(nèi)外應(yīng)力不同導(dǎo)致回彈的產(chǎn)生，回彈是板料彎曲成形過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象之一[2]。材料在彎曲時(shí)可以分為三個(gè)階段：第一階段彈性變形階段，；第二階段彈塑性變形階段，這個(gè)變形階段是產(chǎn)生回彈現(xiàn)象的原因；第三階段純塑性變形階段[3]。影響回彈的因素很多，比如材料特性、工藝參數(shù)、模具設(shè)計(jì)尺寸和彎曲角度等[4]，這使得對(duì)彎曲回彈的精確控制十分困難。

因此，本文以數(shù)控四邊折邊機(jī)的折邊回彈為研究對(duì)象。首先，對(duì)鍍鋁鋅鋼板的機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合鍍鋁鋅鋼板的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線；通過(guò)位移傳感器測(cè)試不同板材寬度的回彈角度；利用DYNAFORM仿真彎曲回彈[5-6]，通過(guò)測(cè)試結(jié)果確定仿真模型準(zhǔn)確性后；研究回彈量和板材寬度、屈服強(qiáng)度、成形速度、成形間隙的相關(guān)性。

1 折邊回彈試驗(yàn)

1.1 拉伸試驗(yàn)

首先，在用DYANFORM 對(duì)彎曲回彈進(jìn)行仿真時(shí)，定義材料屬性時(shí)需要板材的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、硬化模量等材料性能，因此需要對(duì)1.5mm厚的鍍鋁鋅鋼板的進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，來(lái)獲得折彎板材的材料性能[7-8]。

本文以鍍鋁鋅鋼板進(jìn)行回彈研究。由于鍍鋁鋅鋼板內(nèi)層是冷軋而成，材料性能可能會(huì)存在各向異性。因此沿著軋制方向和垂直于軋制方向分別取三個(gè)樣，并在試樣中間貼上雙向電阻應(yīng)變片[9]。

本次試驗(yàn)涉及到靜應(yīng)變、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比的測(cè)試，因此所需的儀器如表1 所示。

表1 試驗(yàn)儀器組成

試驗(yàn)過(guò)程如圖1、2 所示

實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3 所示。

鍍鋁鋅鋼板的材料性能如表2 所示。

圖1 試樣制備

圖2 試樣拉伸

圖3 實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 鍍鋁鋅鋼板拉伸材料性能

從拉伸材料性能表可以看出，鍍鋁鋅的各向異性不明顯，因此后面就不區(qū)分沿著延展方向和垂直于延展。

在進(jìn)行了鍍鋁鋅鋼板的材料性能試驗(yàn)，測(cè)出鍍鋁鋅鋼板在有限元計(jì)算所需的材料性能，為下面用DYNADFORM計(jì)算鍍鋁鋅鋼板的彎曲回彈打下了基礎(chǔ)。由于鍍鋁鋅鋼板沿著延展方向和垂直于延展方向的材料性能差異不明顯，因此在后面的仿真和試驗(yàn)就不區(qū)分試樣的延展方向，最終仿真參數(shù)取彎曲彈性模量，最終仿真參數(shù)如表3 所示。

表3 鍍鋁鋅鋼板材料性能參數(shù)

1.2 折邊回彈試驗(yàn)

其次，為了確定DYNADFORM 仿真軟件的分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)回彈角度進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，采用位移傳感器對(duì)成型到位角度進(jìn)行測(cè)量確定成型角度情況[10]，具體如圖4、5 所示。

圖4 測(cè)試示意圖

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

實(shí)際的彎曲試驗(yàn)的結(jié)果可以得到，板材越寬，回彈量有增大的趨勢(shì)，折邊力和模尖變形量也隨之增大。

表4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2 折邊回彈仿真分析

2.1 彎曲回彈仿真模型建立

利用三維建模軟件SolidWorks 建立板料、凹模、凸模的曲面模型，然后導(dǎo)入DYNAFORM 中，如圖6所示。

圖6 折彎模型圖

在DYNAFORM中進(jìn)行初始設(shè)置，選擇自動(dòng)成形中的雙動(dòng)成形。定義板料、凹模、凸模、壓邊圈，將每個(gè)模型曲面添加到個(gè)各自的層，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，先對(duì)板料網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元尺寸為4mm2;由于凹凸模都有直徑4mm 圓，因此設(shè)置網(wǎng)格最小尺寸0.5mm2，最大4mm2。檢查好確認(rèn)沒(méi)有網(wǎng)格缺陷。通過(guò)凹模部分復(fù)制生成壓邊圈，網(wǎng)格劃分完成，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分圖

然后設(shè)置工模具工藝參數(shù)，由于當(dāng)前選擇雙動(dòng)成形，系統(tǒng)默認(rèn)產(chǎn)生二個(gè)工序，一個(gè)是合模壓邊工序，另外一個(gè)是拉深工序。合模壓邊工序里，壓邊模選擇速度為2000mm/s，拉伸工序里凹模選擇速度為50mm/s，壓邊模選擇力大小為2000N。在拉深工序設(shè)置完成后，通過(guò)工模具運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫模擬演示。確認(rèn)工模具運(yùn)動(dòng)設(shè)置沒(méi)有錯(cuò)誤，提交LS-DYNA 進(jìn)行求解計(jì)算。

2.2 彎曲回彈仿真計(jì)算

彎曲回彈仿真計(jì)算結(jié)束后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)DYNAIN 的文件，將該文件導(dǎo)入到ETA/Post 進(jìn)行后處理分析，讀取文件的結(jié)果一共有二幀，第一幀是未產(chǎn)生回彈的成形結(jié)果，第二幀為產(chǎn)生回彈后的成形結(jié)果。為了便于直觀地觀察和分析試驗(yàn)彎曲的回彈，在零件的中間位置選取一條截面線，利用后處理中的測(cè)量工具測(cè)量回彈前后的成型角度，回彈如圖8 所示。

圖8 仿真回彈示意圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖9 所示。

圖9 折邊試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖

試驗(yàn)與仿真誤差在15%以內(nèi)，引起誤差的主要因素是在仿真過(guò)程中把模尖和夾具都當(dāng)作鋼體計(jì)算，因此會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

2.4 彎曲回彈的影響因素

影響折邊機(jī)彎曲回彈的因素有很多，本文主要研究從幾何尺寸、材料性能、成型速度和彎曲間隙這四個(gè)方面研究其對(duì)回彈的影響。

（1）從幾何尺寸方面，在其他成形條件相同的情況下，不同的板材寬度和回彈角度的關(guān)系如圖10 所示。

圖10 不同寬度板材的回彈角度折線圖

從仿真結(jié)果的折線圖中可以看出，回彈角度隨著板材寬度的增加而不斷增加。

（2）在其他條件相同的情況下，不同的屈服強(qiáng)度與回彈角度之間的關(guān)系如圖11 所示。

圖11 不同屈服強(qiáng)度的回彈角度折線圖

從仿真結(jié)果的折線圖中可以看出，回彈角度隨屈服強(qiáng)度的增大有上升的趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度對(duì)板材彎曲回彈量有較大的影響。

（3）從材料性能方面，在其他條件下相同的情況下，不同的成型速度與回彈量之間的關(guān)系如圖12 所示。

從仿真結(jié)果折線圖中可以看出，成形速度從50mm/s 到150mm/s，回彈量逐漸增加。由圖11、12 可以看出，成形速度越快，模尖向下運(yùn)動(dòng)的速度加快，板材會(huì)有微小的變薄，嚴(yán)重變形區(qū)也會(huì)增加，導(dǎo)致回彈角增大。

圖12 不同成形速度的回彈角度折線圖

3 結(jié)論

（1）通過(guò)鍍鋁鋅鋼板的機(jī)械性能試驗(yàn)，得到不同軋延方向的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、泊松比、彈性模量和彎曲模模量，并根據(jù)拉伸曲線，擬合出彈塑性硬化模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

（2）介紹數(shù)值有限元軟件DYNAFORM以及彎曲仿真模型的建立過(guò)程，對(duì)彎曲回彈進(jìn)行仿真計(jì)算，研究工藝參數(shù)的變化包括板材寬度、屈服強(qiáng)度、成形速度、成形間隙都和回彈量正相關(guān)。最后將不同寬度的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為后續(xù)回彈控制的研究打下基礎(chǔ)。