上模具圓弧大小對(duì)高強(qiáng)方矩管冷彎成型角隅內(nèi)側(cè)裂紋的影響

陳葉清+駱海賀+劉占增+喬午鋒+高長華+解德

【摘 要】高強(qiáng)方矩管在成型生產(chǎn)過程中時(shí)常出現(xiàn)角隅內(nèi)側(cè)開裂，本文采用有限元數(shù)值模擬仿真計(jì)算，研究了上模具圓弧大小對(duì)產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律。研究表明，對(duì)于兩種不同規(guī)格方矩管，上模具圓弧大小對(duì)產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律相同，即等效塑性應(yīng)變隨著圓弧半徑減小而增大。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬；冷彎成型；裂紋；模具

1.前 言

高強(qiáng)鋼由于具有強(qiáng)度高、延伸率低、變形大、成型反彈大等特點(diǎn)，因而在冷彎成型生產(chǎn)過程中以及用戶的二次加工過程中時(shí)常出現(xiàn)開裂，而且相當(dāng)一部分是在管子的角隅內(nèi)側(cè)開裂。進(jìn)行高強(qiáng)方矩管冷彎成型數(shù)值仿真研究，有助于解釋高強(qiáng)方矩管在成型過程中產(chǎn)生裂紋等缺陷的原因，以及提出降低裂紋等缺陷發(fā)生概率的工藝優(yōu)化改進(jìn)措施。

國內(nèi)外對(duì)方矩形管冷彎成型的研究主要集中在數(shù)值仿真、成型工藝和成型缺陷等三方面。武漢科技大學(xué)的胡盛德[1]等基于ANSYS-APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，對(duì)冷彎矩形管的主要成型道次進(jìn)行了有限元模擬。比利時(shí)的Q.V.Bui[2]等對(duì)冷彎成型進(jìn)行了三維數(shù)值仿真，并將數(shù)值仿真的縱向應(yīng)變和軌跡曲線和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。石家莊軸承設(shè)備股份有限公司的李國榮[3]等從節(jié)省原料的角度，對(duì)方矩形管“先圓后方”和“直接成方”兩種成型方式進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為采用“直接成方”工藝可以節(jié)省原料。從國內(nèi)外公開的相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，人們對(duì)方矩形管的數(shù)值仿真研究主要集中在某些道次，對(duì)整個(gè)成型過程沒有一個(gè)完整的系統(tǒng)的數(shù)值仿真研究?；旧蠜]有涉及對(duì)矩形管裂紋產(chǎn)生原因和預(yù)防進(jìn)行討論，更談不上應(yīng)用工廠的實(shí)際生產(chǎn)案例。

本文針對(duì)客車用高強(qiáng)方矩管在冷彎成型過程中角隅內(nèi)側(cè)產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬仿真方法研究了實(shí)際生產(chǎn)中的上模具圓弧大小對(duì)產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律。

2. 數(shù)值仿真模型的建立及計(jì)算

高強(qiáng)方矩管冷彎成型數(shù)值仿真模型的確立主要根據(jù)高強(qiáng)方矩管的實(shí)際生產(chǎn)工藝流程來確定，研究模型采用了兩個(gè)不同規(guī)格（ 規(guī)格一：40×40×1.5mm，規(guī)格二：100×40×3.0mm）的四四二次彎邊成型方矩管。

有限元模型的建立利用Femap軟件，計(jì)算仿真利用以擅長處理非線性和復(fù)雜接觸問題著稱的ABAQUS高級(jí)有限元仿真軟件。計(jì)算方法采用二維有限元數(shù)值仿真分析方法，能完整地仿真整個(gè)冷彎成型流程，且能方便地分析冷彎成型過程中的大塑性變形和回彈等成型基本現(xiàn)象。尤其對(duì)容易產(chǎn)生裂紋的角隅處，能方便地對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)分析。

研究所選取的工藝參數(shù)值均參照生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際工藝參數(shù)范圍進(jìn)行選取。規(guī)格一的上模具圓弧半徑分別設(shè)為8mm、7mm、6mm；規(guī)格二的上模具圓弧半徑分別設(shè)為12mm、10mm、8mm。

通過有限元數(shù)值模擬仿真計(jì)算，不同上模具圓弧半徑（8mm、7mm、6mm）的規(guī)格一方矩管最終成型的等效塑形應(yīng)變值分別為0.4625、0.5374、0.5717，不同上模具圓弧半徑（12mm、10mm、8mm）的規(guī)格二方矩管最終成型的等效塑形應(yīng)變值分別為1.1120、1.1220、1.2280。

3. 分析與討論

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生裂紋的原因必須滿足兩個(gè)條件：一是等效應(yīng)力-應(yīng)變曲線的流動(dòng)超過材料的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；二是該關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處存在拉應(yīng)力。如果材料在加工過程中的等效塑形應(yīng)變相對(duì)越小，則相對(duì)越安全，即出現(xiàn)裂紋的幾率越小。

計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于兩種不同規(guī)格方矩管，上模具圓弧大小對(duì)產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律相同，即：隨著圓弧半徑減小，等效塑性應(yīng)變有增大的趨勢。其原理可以從圖1來理解。

圖1表示上模具圓弧大小的改變對(duì)擠壓鋼板的影響。當(dāng)上模具圓弧半徑由較大的R1變化為較小的R2時(shí)，上下模具的最小間距由AB變化為CD，顯然AB小于CD。即這時(shí)上模具對(duì)鋼板的圓弧段擠壓不充分，導(dǎo)致圓弧過小，而又要成型到相同的角度，所以圓弧段的擠壓變形會(huì)變得嚴(yán)重，塑性應(yīng)變會(huì)增加。

因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，在不影響產(chǎn)品規(guī)格和成型角度的情況下，宜采用上模具圓弧較大的工藝參數(shù)。

4.結(jié) 論

數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于兩種不同規(guī)格方矩管，上模具圓弧大小對(duì)產(chǎn)生裂紋的影響規(guī)律相同，即等效塑性應(yīng)變隨著圓弧半徑減小而增大。而加工過程中等效塑形應(yīng)變增大，則產(chǎn)生裂紋的幾率也相應(yīng)增大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，在不影響產(chǎn)品規(guī)格和成型角度的情況下，宜采用上模具圓弧較大的工藝參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡盛德，張雪峰，劉勇，馬力，王絹，汪雯婕.冷彎矩形管主要成型道次的FEM模擬[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（6）：407-436.

[2]Q.V.Bui，J.P.Ponthot.Numerical simulation of cold roll-forming processes[J].journal of materials processing technology， 2008，202：275-282.

[3]李國榮.方矩形管成型方式的選擇[J].焊管，2008，31（2）：69-96.endprint