羅少敏,賈 赟,羅文波
(貴州理工學(xué)院 航空航天工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003)
鈑金折彎是板料在模具壓力作用下發(fā)生彈性變形和塑性變形,最終獲得所需零件的一種加工工藝,廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天以及其他工業(yè)生產(chǎn)。由于板料剛性較小,回彈是折彎成型中無法避免的,回彈量的預(yù)測是產(chǎn)品加工、裝配和質(zhì)量控制的重要方面。
折彎回彈與板料材料、板料幾何參數(shù)、模具尺寸、折彎工藝參數(shù)等密切相關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者從理論、實(shí)驗(yàn)及仿真分析等方面開展了相應(yīng)的研究。王飛等[1]通過建立簡化模型,對板料的成形和回彈過程進(jìn)行有限元仿真試驗(yàn),分析了材料彈性模量和硬化指數(shù)、板料厚度、下模具開口寬度、上模具圓角半徑及潤滑條件對回彈的影響;陳剛等[2]用有限元分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究WELDOX960高強(qiáng)度鋼板折彎過程中材料厚度、下模開口、上模圓角半徑、折彎角度等參數(shù)對回彈的影響,并發(fā)現(xiàn)了回彈角度的規(guī)律;余亨等[3]建立簡化模型,用有限元仿真對不銹鋼板料的成形和回彈過程進(jìn)行研究,分析了彈性模量、板料厚度、下模具圓角半徑、摩擦因數(shù)對折彎回彈的影響;竇龍龍[4]基于建立的V形自由折彎模型,對折彎與回彈過程進(jìn)行仿真計(jì)算,分析板厚、材料彈性模量和模具的上模圓角半徑、下模圓角半徑和開口寬度等對回彈的影響;歐陽代武等[5]對包括材料性能參數(shù)、板料厚度、折彎圓角、折彎深度等影響參數(shù)進(jìn)行分析與研究,通過ANSYS軟件分析回彈影響參數(shù)對回彈角度的影響程度,并提出了幾種減小回彈的控制措施,為鈑金折彎回彈進(jìn)行前期預(yù)防提供了參考依據(jù);張伯榮等[6]對航空材料進(jìn)行折彎回彈分析,分析了鋁制殼體在加工中產(chǎn)生回彈的原因,并列出影響因子,用有限元仿真分析回彈的影響,優(yōu)化模型,為實(shí)際加工提供了重要的參考。鄭淇文等[7]以Strenx960鋼為對象,研究了板料厚度、凸模圓角半徑、摩擦因數(shù)以及沖壓速度等工藝參數(shù)對折彎質(zhì)量的影響,同時(shí)建立了有限元模型進(jìn)行工藝方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。魏子豪等[8]同樣以Strenx960鋼為對象進(jìn)行了類似的研究。
本文以1060鋁合金和Q235鋼板料為對象,進(jìn)行了不同影響參數(shù)的V形折彎實(shí)驗(yàn),獲得了板料回彈量。采用ANSYS有限元分析軟件對板料折彎和回彈過程進(jìn)行仿真分析,研究了保壓時(shí)間、板料厚度、Y行程(下壓量)及材料對回彈的影響規(guī)律,為板料折彎成型及質(zhì)量控制提供參考。
選取1060鋁合金和Q235鋼板材進(jìn)行折彎實(shí)驗(yàn),尺寸規(guī)格為50 mm×100 mm。折彎設(shè)備為江蘇國力鍛壓機(jī)床有限公司的WC67K數(shù)控折彎機(jī)。實(shí)驗(yàn)過程中,攝像頭拍攝獲取整個(gè)折彎過程,通過圖像處理獲得薄板折彎卸載前角度和卸載后角度(如圖1所示)。同時(shí),為研究不同參數(shù)對回彈的影響,還進(jìn)行了不同保壓時(shí)間、不同Y行程(下壓量)、不同板料厚度以及不同材料的實(shí)驗(yàn)。
圖1 薄板折彎卸載前、后的角度
1.2.1 保壓時(shí)間的影響
保壓時(shí)間是材料折彎后上模與板料繼續(xù)接觸的時(shí)間。保壓時(shí)間分別選取2 s、3 s、4 s、5 s和6 s,實(shí)驗(yàn)測得的Y行程為70 mm時(shí)2 mm厚鋁合金板卸載前、后角度及回彈量如圖2所示。
圖2 保壓時(shí)間對回彈量的影響
由圖2可以看出:卸載前角度在101.8°~103.8°范圍內(nèi),卸載后角度在107.0°~108.9°范圍內(nèi),卸載前、后的角度隨著保壓時(shí)間的增大而減小,但變化不大;回彈量在5.1°~5.3°范圍內(nèi)變化,回彈量隨著保壓時(shí)間的增大略有增大,但總體而言保壓時(shí)間對回彈量的影響較小。
1.2.2Y行程的影響
Y行程是折彎機(jī)上模豎直方向的行程,通過適當(dāng)?shù)挠?jì)算可以轉(zhuǎn)換為下壓量,直接影響板料的折彎角度。Y行程分別選取60 mm、65 mm、70 mm和75 mm,1 mm厚鋁合金板保壓2 s時(shí)折彎實(shí)驗(yàn)測得的卸載前、后角度及回彈量如圖3所示。
圖3 Y行程對回彈量的影響
從圖3可以看出:卸載前角度和卸載后角度隨著Y行程的增大而減??;Y行程(或下壓量)對回彈角度的影響較大,鋁合金板回彈量隨著Y行程(或下壓量)的增大而增大。
1.2.3 厚度的影響
板料的幾何尺寸參數(shù)中厚度是影響回彈的重要因素。選取厚度分別為0.5 mm、1 mm、2 mm的鋁合金板在Y行程為70 mm、保壓2 s下進(jìn)行折彎實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)測得的卸載前、后角度及回彈量如圖4所示。
圖4 板料厚度對回彈量的影響
從圖4可以看出:同一下壓量時(shí)0.5 mm厚鋁合金板料卸載前的角度最小,而卸載后的角度最大;同時(shí),明顯可見卸載后的角度隨著厚度的增加而減??;回彈量隨著板料厚度的增加逐漸減小,厚度對回彈量的影響較大。
1.2.4 材料的影響
由于材料性質(zhì)的不同(如彈性模量、硬化指數(shù)),板料折彎后的回彈也表現(xiàn)出一定的差異性。選取1 mm厚度的鋁合金板料和Q235鋼板進(jìn)行折彎實(shí)驗(yàn),折彎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1,實(shí)驗(yàn)測得的回彈量如圖5所示。
圖5 材料對回彈量的影響
從表1可以看出:相同厚度和相同下壓量下,1060鋁合金板的卸載前和卸載后的角度以及回彈量均大于Q235鋼板。分析其主要原因是由于Q235鋼的彈性模量大于1060鋁合金,彈性模量越大,回彈量越小。
表1 不同材料折彎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
從圖5可以看出,在相同Y行程下,1060鋁合金板的回彈量比Q235鋼板大;同時(shí)在Y行程小于75 mm時(shí),鋁合金的回彈量隨著下壓量的增加而增大;而在Y行程小于70 mm時(shí),Q235回彈量隨著下壓量的增加而增大,在Y行程大于70 mm后,Q235回彈量隨著下壓量的繼續(xù)增加開始減小,說明Q235在相同模具開口寬度和下壓量下的回彈量更加敏感。這進(jìn)一步說明材料的性質(zhì)對回彈量影響較大。
采用ANSYS Workbench建立V形折彎的幾何模型并建立對應(yīng)的有限元模型,共得到9 279個(gè)網(wǎng)格,上、下模及板料之間設(shè)置摩擦,上模施加位移載荷,下模施加固定約束,板料施加Z向位移約束。板料折彎有限元模型如圖6所示。
圖6 板料折彎有限元模型
對2 mm厚鋁合金板料在Y行程為70 mm、保壓時(shí)間為2 s時(shí)的折彎進(jìn)行仿真,結(jié)果如表2所示。通過對比實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果可知,回彈前、后的角度誤差皆小于10%,回彈量的差值為1.3°。不同影響因素下有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比如圖7所示,實(shí)驗(yàn)與有限元仿真的結(jié)果基本一致。兩者趨勢相同,誤差在一定的范圍內(nèi)。
圖7 仿真與實(shí)驗(yàn)對比
表2 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比
在保壓時(shí)間里,上模的位置沒有發(fā)生變化,板料的折彎角度也沒有發(fā)生變化,此時(shí)為回彈前的角度,圖8(a)為此狀態(tài)下的應(yīng)力云圖,可以看到此時(shí)板料中間彎曲角部分的應(yīng)力接近最大值,應(yīng)力為177.2 MPa,應(yīng)力向外逐漸變小。在上模離開后,板料開始回彈,彎曲產(chǎn)生的彈性變形消失,只有塑性變形,形成彎曲件,圖8(b)為回彈后的應(yīng)力云圖,結(jié)合圖9可以看出應(yīng)力的最大值為99.72 MPa。結(jié)合下壓量加載時(shí)間歷程(見圖10)判斷,在板料開始折彎后0.1~0.2 s之間,應(yīng)力值的變化較大;在保壓時(shí)間1.4 s~3.4 s里,應(yīng)力為最大值,并且沒有變化;在3.4 s~3.5 s左右,上?;爻?,直至上模與板料沒有接觸,板料發(fā)生回彈,并且應(yīng)力變化較大;在3.5 s后,曲線水平,板料在這段時(shí)間里回彈幾乎沒有變化,折彎角度趨于穩(wěn)定。
圖8 回彈前后鋁合金板料應(yīng)力云圖
圖9 折彎過程最大應(yīng)力的變化
圖10 下壓量時(shí)間歷程
通過折彎實(shí)驗(yàn)和有限元仿真對1060鋁合金和Q235鋼板料V形折彎回彈進(jìn)行了分析,研究了保壓時(shí)間、板料厚度、Y行程及材料對回彈的影響規(guī)律。分析結(jié)果如下:
(1) 保壓時(shí)間對回彈量的影響較小。
(2) 卸載后的角度隨著厚度的增加而減小,回彈量隨著板料厚度的增加逐漸減小,厚度對回彈量的影響較大。
(3) 卸載前角度和卸載后角度隨著Y行程(或下壓量)的增大而減小。1060鋁合金回彈量隨著Y行程(或下壓量)的增大而增大。Q235回彈量隨著Y行程(或下壓量)的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。
(4) 材料屬性對回彈量影響較大。相同條件下,1060鋁合金板卸載前和卸載后的角度以及回彈量均大于Q235鋼板,說明Q235在相同模具開口寬度和下壓量下的回彈量更加敏感。