6061矩形中空型材彎曲成型影響分析*

盧有慶，左慶華，胡 武，廖 斌

(南南鋁業(yè)股份有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引 言

合金具有較高比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)良加工性能及耐性性能[1-2]，是作為汽車輕量化的理想材料。其中，6061鋁合金作為6xxx鋁合金中的典型合金，具有中等強(qiáng)度、塑性及焊接性能，常用作有強(qiáng)度、耐蝕性能要求的結(jié)構(gòu)件及車體結(jié)構(gòu)材料[3-5]。隨著國(guó)家輕量化進(jìn)程逐步推進(jìn)，鋁合金框架式車身結(jié)構(gòu)以輕質(zhì)、安全獲得了汽車生產(chǎn)廠商的廣泛關(guān)注[6]。車身框架式結(jié)構(gòu)采用較多的彎曲型材，使用彎曲型材不但可減少拼接工序，且其具備更高的整體強(qiáng)度和美學(xué)等優(yōu)勢(shì)[7-8]。

然而在彎曲過(guò)程中，鋁合金型材除回彈缺陷外，還易發(fā)生起皺、截面畸變等缺陷[9-10]。其中回彈可采用試錯(cuò)法進(jìn)行解決，然而起皺、截面畸變等缺陷會(huì)造成型材截面兩側(cè)形成寬度差，不符合平面度要求[11]。截面畸變常用解決方式為型腔填充或更改型材截面(加筋)[12]，其中型腔填充PP、PU及PVC等材料不僅需要增加較大成本，而且重復(fù)利用率較低；而型材截面更改較大時(shí)則需重新制作擠壓模具，成本較高。筆者以生產(chǎn)中的一款6061中空型材為研究對(duì)象，以解決截面畸變?yōu)槟繕?biāo)，分別分析了填充情況、加筋高度和加筋寬度等對(duì)鋁合金彎曲后截面畸變的影響，并提出最適合解決中空矩形型材彎曲后截面畸變的方法，為后續(xù)解決類似問(wèn)題提供數(shù)據(jù)參考及思考方向。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料為6061鋁合金擠壓型材，型材彎曲圖如圖1(a)所示。

圖1 型材彎曲圖及型材截面

該型材彎弧部分橫向間距為450 mm，縱向間距約為270 mm，內(nèi)弧半徑為250 mm。型材截面外輪廓為60×60 mm中空型材，如圖1(b)所示，彎曲方向上型材壁厚為3 mm。型材彎曲試驗(yàn)在35T三維滾彎?rùn)C(jī)上進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及表征

對(duì)型材彎弧內(nèi)壁面進(jìn)行加筋，加筋位置及加筋方式如圖2所示，在彎弧內(nèi)表面均勻加2根凸筋以增加彎弧面抗彎性能，筋高h(yuǎn)、筋寬b及填沙情況見表1。采用三軸全自動(dòng)型橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在彎曲后型材同一位置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置位于內(nèi)弧最大凹陷處即內(nèi)彎弧與直線段交界處。為表征型材截面畸變情況，引入下凹率ε0[13]進(jìn)行量化：

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖2 型材彎曲內(nèi)弧面加筋示意圖

式中：H為型材高度；h為型材彎曲后型材最小高度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 填沙對(duì)截面畸變的影響

首先選擇原始型材研究填沙與否對(duì)彎曲后型材截面畸變的影響，填沙與否對(duì)截面畸變的影響如圖3所示?？梢钥闯鲂筒南掳几叨入S距邊線距離的增加而逐漸增大，在中心部位達(dá)到最大值。未填沙型材下凹深度為7.5 mm，對(duì)應(yīng)下凹率為12.5%；填沙后彎曲型材下凹深度下降至4.9 mm，下凹率為8.2%。

圖3 填沙對(duì)對(duì)截面凹陷高度的影響

型材經(jīng)填沙彎曲后其截面下凹高度明顯下降，即填沙后型材截面畸變情況得到了較大提升。這表明在彎曲前采用沙填充型材型腔后，在彎曲時(shí)可有效支撐型腔內(nèi)壁，弱化型材內(nèi)壁經(jīng)彎曲后失穩(wěn)引起的截面畸變，從而降低彎曲后型材下凹率。然而，經(jīng)填沙后彎曲型材截面下凹率雖有所下降，但仍未能下降至可接受范圍。

2.2 筋高對(duì)截面畸變的影響

對(duì)彎弧內(nèi)壁加筋可有效防止型材彎曲導(dǎo)致的截面凹陷現(xiàn)象，但凸筋尺寸對(duì)彎曲后型材下凹率有明顯影響。當(dāng)凸筋寬度為4 mm時(shí)，不同加筋高度型材經(jīng)彎曲后截面畸變情況如圖4所示?？梢钥闯鲂筒募咏詈罂擅黠@改善其彎曲后截面畸變情況。隨著加筋高度逐漸增加，型材彎曲后截面畸變情況逐漸好轉(zhuǎn)。筋高為2 mm、4 mm及6 mm型材經(jīng)彎曲后，測(cè)得型材內(nèi)弧面凹陷高度分別為6.7 mm、6.5 mm和6.4 mm，對(duì)應(yīng)截面畸變率分別為11.2%、10.8和10.7%。

圖4 筋高對(duì)截面凹陷高度的影響

型材彎曲起皺主要原因是受壓應(yīng)力作用產(chǎn)生的壓縮失穩(wěn)，可通過(guò)改善工件受力結(jié)構(gòu)解決。不同筋高加筋的寬厚比一定時(shí)，可改善彎曲型材內(nèi)壁受力情況。隨筋高增加，加筋位置處受力面積增加，同等強(qiáng)度情況下可抵抗更大變形。即筋高增加，型材內(nèi)壁筋板下凹高度明顯下降，型材彎曲后下凹率降低。

2.3 筋寬對(duì)截面畸變的影響

除筋高對(duì)型材截面畸變有影響外，筋寬也是一個(gè)重要影響因素。筋高6 mm，筋寬分別為4 mm和2 mm型材經(jīng)彎曲后截面畸變情況如圖5所示。可以看出筋寬對(duì)彎曲后型材截面畸變亦有影響，2 mm和4 mm筋寬彎曲后內(nèi)弧面下凹高度分別為6.9 mm和6.4 mm，內(nèi)弧面下凹率由11.5%下降至10.7%。

圖5 筋寬對(duì)對(duì)截面凹陷高度的影響

不同加筋寬度型材在受壓時(shí)，通過(guò)影響型材寬高比和凸筋彎曲性能以改善彎曲后型材截面畸變情況。筋高一定時(shí)，隨筋寬增加，型材寬高比下降。GB 50429中關(guān)于彈性臨界屈曲應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

式中：k為受壓件局部穩(wěn)定系數(shù)；ν為材料泊松比；b為寬度；t為厚度。

由式可知，寬高比與臨界屈曲應(yīng)力呈反比，寬高比越小，臨界屈曲應(yīng)力越大。筋寬使得型材彎曲時(shí)截面寬高比下降，提高臨界屈曲應(yīng)力，從而降低彎曲后型材截面下凹深度。此外，隨筋寬增加，受力面積增加，同等受力情況下型材截面越不易變形，也即是降低型材彎曲后截面畸變率。

2.4 加筋及填沙對(duì)截面畸變的影響

如上所述，填沙及加筋均可改善型材內(nèi)弧面截面畸變情況，但單一方式其改善效果并不理想。為解決該問(wèn)題，選擇彎曲后型材截面下凹率最低的加筋參數(shù)進(jìn)行填沙試驗(yàn)(表1方案7)，型材彎曲后截面下凹深度如圖6所示。

圖6 填沙對(duì)加筋型材經(jīng)彎曲后截面凹陷高度的影響

由圖可知，彎曲后加筋型材內(nèi)弧面下凹高度由不填沙時(shí)的6.4 mm下降至1.3 mm，較方案1彎曲后型材下凹高度7.5 mm明顯下降，滿足客戶對(duì)下凹高度≤2 mm的要求。

所以，填沙與否對(duì)彎曲后型材截面畸變影響最大，加筋參數(shù)次之。單一方式均難以達(dá)到理想下凹狀態(tài)。為適應(yīng)輕量化大生產(chǎn)應(yīng)用，在生產(chǎn)成本最低化的前提下，采用加筋+填沙相結(jié)合的方式可解決彎曲后型材內(nèi)壁凹陷情況，型材截面畸變達(dá)到客戶要求。該方式不僅對(duì)型材重量增加較少，而且兼具易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中對(duì)6061中空鋁型材彎曲后截面畸變問(wèn)題進(jìn)行研究，重點(diǎn)探究了截面加筋參數(shù)及填沙情況對(duì)中空型材彎曲后內(nèi)弧面截面畸變的影響：填沙中空型材經(jīng)彎曲后，型材截面下凹率明顯下降；隨加筋高度增加，型材加筋處抗變形能力增加，彎曲后型材截面下凹率逐漸下降；隨筋寬度增加，型材寬高比下降，截面抗變形能力增加，型材彎曲后截面下凹率下降。通過(guò)本次研究，掌握了凸筋參數(shù)及填沙情況對(duì)矩形中空型材彎曲后截面畸變率的影響規(guī)律并提出一種解決型材彎曲后截面畸變?nèi)毕莸姆椒?，該方法具有型材增加重量少，生產(chǎn)成本低廉優(yōu)點(diǎn)。