商用車防護(hù)梁繞彎成形內(nèi)支撐模具型芯優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

喬國(guó)章,張如軍,王 圍,胡忠勇,梁繼才

(1.舒蘭市通用機(jī)械有限責(zé)任公司,吉林 舒蘭 132600;2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

汽車輕量化主要從優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車制件結(jié)構(gòu)、采用輕量化材料和使用先進(jìn)制造工藝3個(gè)方面考慮,其中最主要的是采用輕量化材料,在確保強(qiáng)度、剛度和安全性的前提下選用更輕的材料。與鎂、鋁合金及復(fù)合材料相比,高強(qiáng)度鋼因其優(yōu)異的高強(qiáng)度性能,即使減小厚度也能滿足強(qiáng)度要求,成為應(yīng)用最廣的輕量化材料之一[1]。

作為汽車發(fā)生碰撞時(shí)首先參與碰撞的部件,汽車前防護(hù)梁對(duì)保護(hù)乘客及車輛安全發(fā)揮著重要的作用[2]。與乘用車相比,商用車的體積、質(zhì)量更大,其輕量化需求更迫切,對(duì)防護(hù)梁的要求也更高。防護(hù)梁通常采用異型截面型材制造,例如矩形、雙圓形和日字形等。這些型材屬于薄壁結(jié)構(gòu),具有重量輕、剛度大的優(yōu)點(diǎn),且采用高強(qiáng)度鋼制造,可以顯著提高汽車的輕量化水平[3-6]。

在此背景下,某商用車開始采用B700L高強(qiáng)鋼板材,輥彎成形“日”字形截面型材,采用這種型材的防護(hù)梁與原鋼制梁相比,在保證防撞性的同時(shí)減輕了20%的重量[7]。在生產(chǎn)“日”字形防護(hù)梁時(shí),需要將型材的兩端彎曲一定的角度以達(dá)到安裝要求。由于高強(qiáng)鋼塑性差、延伸率低,在彎曲時(shí)容易產(chǎn)生起皺、斷裂和截面畸變等缺陷,影響防護(hù)梁的性能。因此,需要對(duì)“日”字形截面型材的繞彎成形過程進(jìn)行研究,以獲得質(zhì)量更好的防護(hù)梁。

繞彎成形工藝的原理如圖1所示,型材在外力的作用下繞彎曲模旋轉(zhuǎn),逐漸與彎曲模貼合從而實(shí)現(xiàn)彎曲成形。由圖可以看出,主要的成形模具包括壓模、防皺模、彎曲模、芯模和鑲塊等[8]。在繞彎過程中,型材的前端由夾模和鑲塊夾持,緊貼在彎曲模上;型材的尾端則由防皺模和壓模夾持,使得型材只能前后移動(dòng)。同時(shí),防皺模能降低型材底部的起皺;芯模作為內(nèi)腔支撐,減少型材的截面變形[9]。

“農(nóng)業(yè)新品種的發(fā)現(xiàn)，有偶然性、也有科技人員的功勞?！闭勂鸺t江橙的起源，紅江農(nóng)場(chǎng)副場(chǎng)長(zhǎng)陳樹華介紹，1971年，紅江農(nóng)場(chǎng)職工管理的橙園中發(fā)現(xiàn)一株桔紅色果肉自然變異株。翌年春，從此樹上截取芽條進(jìn)行嫁接繁殖了700多株畝木，建設(shè)了農(nóng)場(chǎng)第一代紅江橙園。幾年后，橙園開始初產(chǎn)，充分顯示出優(yōu)良特性。經(jīng)專家鑒定，認(rèn)為紅江橙是嵌合體變異株，是一個(gè)優(yōu)良的柑橙新品種。農(nóng)場(chǎng)指定科技人員和工人進(jìn)一步進(jìn)行篩選、純化繁殖，經(jīng)過13年4代定向培育，終獲成功。

圖1 繞彎成形原理

2 繞彎模型的建立

在ABAQUS軟件的功能模塊中建立所需型材及成形模具的幾何模型,并在Assembly功能模塊中將其組裝成裝配體。這些幾何模型為之后的網(wǎng)格劃分奠定基礎(chǔ),進(jìn)而生成輸入文件中關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)和單元等信息。在“日”字形截面型材繞彎成形過程中,只有型材參與塑性變形,采用三維可變形體進(jìn)行建模。由于型材的厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度、寬度和高度方向上的尺寸,因此建模時(shí)采用殼體模型,型材示意圖及截面尺寸如圖2所示。

由于所用模型是在獨(dú)立的坐標(biāo)系中建立完成的,互不干涉,要想完成繞彎成形過程,必須把獨(dú)立的型材模型和模具模型組裝到一個(gè)坐標(biāo)系下,這一過程由ABAQUS的裝配功能模塊實(shí)現(xiàn),將添加的零部件模型利用平移、旋轉(zhuǎn)等命令進(jìn)行組裝,裝配好的模型如圖4所示。

(a)型材示意圖

圖7是模擬計(jì)算與實(shí)際繞彎后得到的制件對(duì)照?qǐng)D,可以看出,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。但是,型材彎曲內(nèi)側(cè)和彎角部位都出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,導(dǎo)致型材的“日”字形截面變得不規(guī)則,出現(xiàn)截面畸變和壁厚變化嚴(yán)重等缺陷。因此,有必要對(duì)型材繞彎過程進(jìn)行研究以提高型材的成形質(zhì)量。

圖3 成形模具示意圖

今天我們所探討的見義勇為實(shí)際上是指為了保護(hù)國(guó)家、集體的利益和他人的人身財(cái)產(chǎn)，同違法犯罪作斗爭(zhēng)的一種行為。認(rèn)為不應(yīng)鼓勵(lì)未成年人見義勇為的人所存在的擔(dān)憂可以理解，因?yàn)橐娏x勇為確實(shí)存在風(fēng)險(xiǎn)，可并不能因?yàn)樗嬖陲L(fēng)險(xiǎn)，就否認(rèn)未成年人做出的貢獻(xiàn)和存在的價(jià)值。

圖4 模型裝配示意圖

圖中將清潔機(jī)器人與光伏面板接觸的部位簡(jiǎn)化為O1、O2兩點(diǎn)，這兩點(diǎn)分別為清潔機(jī)器人與光伏面板接觸的最頂端和最低端。由摩擦理論可知，當(dāng)外力的作用錐δ小于物體摩擦錐θ時(shí)，不管外力有多大，物體始終保持靜止?fàn)顟B(tài)。由此可知，當(dāng)吸附力系合力P與重力G合力的作用錐δ

在繞彎過程中,輥輪在液壓驅(qū)動(dòng)下繞彎曲模中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),“日”字形截面型材在模具約束下逐漸貼合彎曲模實(shí)現(xiàn)繞彎成形。通過“速度/角速度”命令定義繞彎輥輪的運(yùn)動(dòng),對(duì)繞彎模及型材的端部,需要添加固定約束。最終建立的繞彎成形有限元模型如圖5所示。

因?yàn)槊看五X海燕教育批評(píng)當(dāng)當(dāng)?shù)臅r(shí)候，周啟明就會(huì)無(wú)理由無(wú)條件不自覺地站在錢海燕這邊。他生怕她受一點(diǎn)點(diǎn)委屈，哪怕這樣的委屈是兒子給的。

由于“日”字形截面型材存在兩個(gè)型腔,在繞彎成形時(shí)型腔容易發(fā)生較大的截面變形導(dǎo)致成形失敗,因此需要在型材的兩個(gè)型腔中填充內(nèi)支撐芯模以抵制截面變形。圖8所示為所研制的緊湊型柔性芯模結(jié)構(gòu)及其支撐模擬效果。在沿型材長(zhǎng)度方向上,芯模小塊互相鉸接組成柔性芯模,使得“日”字形截面型材的彎曲段得到充分支撐;在沿型材高度方向上,芯模小塊的高度與型腔高度只留少量間隙,防止彎曲段內(nèi)壁產(chǎn)生內(nèi)凹。緊湊型柔性芯模在彎曲過程中的支撐效果如圖8(b)所示,可以看到,彎曲之后,沿彎曲方向上芯模小塊規(guī)則排列,下部與型材相切,達(dá)到較好的支撐效果。

圖5 有限元模型

3 截面畸變及壁厚變化研究

3.1 繞彎成形技術(shù)說(shuō)明

采用試驗(yàn)的方法對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖6(a)為一次性輥彎成形的“日”字形截面型材,材料是B700L高強(qiáng)鋼,型材厚度為2.5mm;圖6(b)是試驗(yàn)所用的碾壓式繞彎裝置,采用柔性芯模支撐和旋轉(zhuǎn)半徑R=470mm的彎曲模對(duì)型材進(jìn)行繞彎加工成形。

3.2 模型可靠性驗(yàn)證

在繞彎成形過程中,型材外側(cè)材料受到拉應(yīng)力作用而伸長(zhǎng),內(nèi)側(cè)材料受到壓應(yīng)力作用而收縮。根據(jù)塑性變形體積不變?cè)瓌t,型材不可避免地出現(xiàn)材料流動(dòng),導(dǎo)致型材發(fā)生一定的壁厚變化和不規(guī)則的截面變形。在“日”字形防護(hù)梁的生產(chǎn)中,截面畸變、內(nèi)側(cè)壁增厚起皺和外側(cè)壁減薄拉裂的缺陷嚴(yán)重影響了防護(hù)梁的成形質(zhì)量,需要對(duì)這些缺陷進(jìn)行研究以實(shí)現(xiàn)防護(hù)梁的高質(zhì)量生產(chǎn)。

(a)型材

“日”字形截面型材繞彎過程中,參與運(yùn)動(dòng)的零部件較多,型材在成形過程中受到模具多個(gè)零部件的限制作用,模型十分復(fù)雜,需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。由于各個(gè)成形模具都是不參與變形的剛性部件,采用殼體模型將模具簡(jiǎn)化為剛性幾何曲面,彎曲過程中與型材接觸并發(fā)生幾何作用力。所建立的模型如圖3所示。

圖7 繞彎后的型材

在ABAQUS中提取繞彎后型材的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及壁厚數(shù)據(jù),可得到橫截面的各點(diǎn)變形量及壁厚變化率。將實(shí)際繞彎后的型材放置在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量空間,利用光學(xué)跟蹤儀PRO CMM3500系統(tǒng)對(duì)型材整體進(jìn)行紅外線掃描,將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建3D圖像,利用Geomagic Qualify軟件對(duì)型材進(jìn)行分析,可以得到實(shí)際繞彎后制件變形量。表1中列出了模擬和試驗(yàn)中的各變形量的極值,可以看出,模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)比實(shí)際試驗(yàn)的變形量略小,這是由于實(shí)際加工中各種誤差導(dǎo)致試驗(yàn)不能達(dá)到模擬仿真中的理想條件,但二者的數(shù)據(jù)誤差很小,說(shuō)明所建立的有限元模型在工程應(yīng)用中是可靠的。

表1 繞彎后型材的變形量

3.3 芯模優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果

我不好意思地笑笑，進(jìn)洗手間沖涼。阿花從外面遞了一件男人的T恤衫和大褲衩進(jìn)來(lái)。穿上衣服出來(lái)，我說(shuō)你咋還有男人的衣服？阿花說(shuō)，為你準(zhǔn)備的呀，你看是不是合你的身？我拽了拽衣擺，正合身。

(a)結(jié)構(gòu)圖

圖9所示為研制的自鎖型柔性芯模結(jié)構(gòu)及支撐效果,其結(jié)構(gòu)及支撐原理與緊湊型柔性芯模類似,在沿型材長(zhǎng)度方向上芯模小塊互相鉸接,但自鎖型柔性芯模小塊的底部被設(shè)計(jì)為矩形窄塊結(jié)構(gòu),且添加自鎖裝置,有效減小了相鄰兩個(gè)芯塊的最大活動(dòng)范圍,繞彎后可以更好地貼合型材彎曲段,達(dá)到更好的支撐效果。

(a)結(jié)構(gòu)圖

圖10所示為使用不同芯模繞彎成形后的型材應(yīng)力分布。可以看出,無(wú)論采用哪種芯模,型材的彎曲段都會(huì)發(fā)生比較明顯的應(yīng)力集中,緊湊型柔性芯模比自鎖型柔性芯模制件應(yīng)力集中明顯。

(a)緊湊型柔性芯模

圖11給出了采用不同芯模繞彎成形后的型材厚度變化分布情況。從圖中可以看出,型材的外壁處于減薄狀態(tài),型材的內(nèi)壁處于增厚狀態(tài)。采用緊湊型柔性芯模繞彎成形的制件,其厚度變化可以達(dá)到制件裝車要求;采用自鎖型柔性芯模繞彎后的型材,制件厚度變化值更小。

(a)緊湊型柔性芯模

4 結(jié) 論

(1)用所建立“日”字形截面型材繞彎成形的有限元模型模擬型材的繞彎成形,制件變形量的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

(2)對(duì)采用不同芯模繞彎成形制件的應(yīng)力分布和厚度變化規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果表明,采用緊湊型柔性芯模繞彎成形的制件應(yīng)力分布稍不均勻,厚度變化可以達(dá)到制件裝車要求;采用自鎖型柔性芯模繞彎成形的制件應(yīng)力分布較均勻,其厚度變化值更小。