防護梁繞彎成形內支撐模芯與型坯間隙對制件成形質量影響研究

胡忠勇,張如軍,王 圍,梁繼才

(1.舒蘭市通用機械有限責任公司,吉林 舒蘭 132600;2.吉林大學材料科學與工程學院,吉林 長春 130022)

1 引 言

“日”字形截面商用車防護梁以B700L高強鋼為原材料,通過輥彎工藝成形型坯,對型坯進行定長切斷,再對切斷后的型坯兩端進行繞彎成形,其獨特的截面形狀在保證商用車優(yōu)良防撞性的同時,還滿足了汽車輕量化設計的需求。由于高強鋼具有強度高、塑性差等特點,再加上截面形狀的復雜性,防護梁在繞彎成形后容易產生截面變形、內壁增厚和外壁減薄、甚至破裂等缺陷。

本文通過對“日”字形截面型材繞彎過程進行數值模擬,并結合試驗,研究繞彎成形模具內支撐模芯與型坯間隙變化對產品截面變形和內外側壁厚變化的影響規(guī)律。

2 繞彎成形工藝簡介

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,逐漸與彎曲模貼合從而實現彎曲成形。由圖1可以看出,成形模具主要包括壓模、防皺模、彎曲模、芯模和鑲塊等[1]。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。同時,防皺模能降低型材底部的起皺;芯模作為內腔支撐,減少型材的截面變形[2]。

圖1 繞彎成形原理

圖2(a)所示為一次性輥彎成形的“日”字形截面型材,材料是B700L高強鋼,型材厚度為2.5mm。圖2(b)所示是生產用的碾壓式繞彎裝置,采用柔性芯模內支撐和繞彎半徑R=470mm的彎曲模對型材進行繞彎加工成形。

(a)型材

繞彎成形過程先后經歷彈性變形階段、彈塑性變形階段和純塑性變形階段。在此過程中,型材的塑性變形隨著外加彎矩的增加而增大。彈性階段是變形的初始階段,此階段型材在彎矩的作用下發(fā)生彈性變形,彎曲中性層內側材料受到壓應力作用發(fā)生彈性收縮,外側材料受到拉應力作用發(fā)生彈性伸長。隨著彎矩逐漸增加,變形進入彈塑性階段,型材最內層和最外層材料首先達到屈服極限,此時材料變形性質轉變?yōu)樗苄宰冃?且慢慢擴展到彎曲中性層。隨著變形的繼續(xù),變形進入純塑性變形階段,此時材料不僅受到彎曲周向的應力,還受到沿厚度方向的壓力,導致其厚度中心向內表面移動,型材發(fā)生外壁減薄和內壁增厚的現象。繞彎成形后的型材會產生回彈、截面畸變、內側壁起皺、外側壁減薄斷裂等缺陷[3-6],因此,研究型材繞彎成形模具內支撐模芯和型坯間隙變化對制件成形質量影響規(guī)律,對控制成形條件,提高制件成形質量,指導生產實踐十分必要。

3 繞彎模具內支撐模芯與型坯間隙變化對制件成形質量的影響

3.1 對應力分布的影響

繞彎模具內支撐模芯與型坯間隙取值分別為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm,進行繞彎成形制件應力分布數值模擬研究,模擬結果如圖3所示?？梢钥闯?型材的應力集中隨著彎曲模具內支撐模芯與型坯間隙的增大,制件應力分布逐漸均勻。

圖3 不同模具間隙時制件的應力分布

3.2 對壁厚變化的影響

分別取繞彎模具模芯與型坯間隙為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm,對成形后制件壁厚進行模擬研究,模擬結果如圖4所示。由圖可以看出,型材繞彎段內側均出現了不同程度的增厚現象,型材繞彎段外側則出現了不同程度的減薄現象。

圖4 不同模具間隙下制件的厚度

圖5給出了不同的內支撐模芯與型坯間隙下型材的壁厚變化率模擬研究結果。由圖5可知,間隙變化對制件外側壁厚變化的影響不是很明顯,隨著彎曲角度的增加,制件外側壁厚減薄率先減小,然后再不斷增加。而內側壁厚變化率隨著間隙變化而變化的幅度稍大,隨著彎曲角度的增加,制件內側壁厚按先增加再降低、再增加和再降低的規(guī)律變化。

(a)外側壁減薄率 (b)內側壁增厚率

3.3 不同厚度型材繞彎成形應力分布

分別取型材厚度t=1.5mm、1.75mm、2.0mm、2.25mm、2.5mm時的繞彎成形過程進行模擬研究,獲得的制件應力分布如圖6所示。由圖可以看出,隨著型材厚度的增加,其最大應力值增加,這是因為型材厚度增加導致成形過程變得困難,需要提供更大的彎矩才能完成繞彎過程,所以最大應力值增加。隨著型材厚度的增加,應力集中現象有所緩和。

圖6 不同厚度型材繞彎成形應力分布

4 結 論

本文模擬研究了繞彎成形模具內支撐模芯與型坯間隙變化對制件應力分布、厚度變化的影響規(guī)律。結果表明:

(1)隨著繞彎模具內支撐模芯與型坯間隙的增大,制件應力分布逐漸均勻;

(2)間隙值變化對制件外側壁厚變化的影響不是很明顯,但是隨著彎曲角度的增加,外側壁厚減薄率先減小、再增加;內側壁厚變化率隨著彎曲角度的增加先增加、再降低;

(3)不同厚度型材繞彎成形制件應力分布模擬研究結果表明,隨著型材厚度的增加,最大應力值增加。