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多輥輥彎成形工藝設計方法的對比研究

摘要:以某U型槽鋼的輥彎成形為例,比較了經驗公式、專業軟件COPRA和數值模擬進行輥彎成形工藝設計的特點。發現現有經驗公式均有一定的適用范圍,一些公式求解結果的誤差很大;利用COPRA軟件可以得到對實踐具有參考價值的結果,結合經驗公式可提高分析效率。數值模擬功能強大,信息完整,但操作的要求較高,且分析計算效率較低。

關鍵詞:輥彎成形;工藝分析;COPRA;數值模擬

輥彎成形是通過順序配置的多道次具有特定輪廓型面的成形軋輥,把金屬卷材或單張板材逐漸地進行橫向彎曲,以制成特定斷面的長條型材。輥彎變形復雜,成形質量受軋輥速度、成形道次數、道次間距、成形彎曲角等眾多因素的影響。這方面已進行許多研究,如QVBui[1]等分析模擬了輥彎成形過程,把縱向壓力和位移軌跡的模擬結果與實驗結果進行對比,發現屈服極限和加工硬化對質量影響很大。Bhattacharyya,Smith[2-3]研究了單輥和多輥情況變的變化。鄭軍興等[4-5]研究了板厚、成形道次對冷彎成形過程及回彈的影響;付磊分析了軋輥間距對冷彎成形的影響。

輥彎變形復雜,輥彎成形規律尚未被完全掌握和認識。目前輥彎型鋼的工藝設計多以經驗設計為主,有必要進一步探索高效、準確的設計途徑。本文以某U型槽鋼的輥彎成形為例,比較了采用經驗公式、專業設計軟件COPRA以及數值模擬進行冷彎成形工藝設計的特點。

1 輥彎成形U型鋼參數

U型鋼如圖1所示,材料采用屈服強度為418MPa的高強度鋼,板厚為4mm,彎曲角度90°。

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2 經驗公式分析

2.1道次數

小奈弘[7]根據實際生產所用的各種斷面型材與成形道次數,整理出了對稱斷面、非對稱斷面、寬幅斷面和圓管的成形因子Φ與成形道次N的關系。定義對稱斷面的成形因子Φ是斷面總彎曲角數n、板厚t及左右立邊長度和F之積。由于底部腹板只送斷面型材,不參與彎曲,故形狀因子不包括腹板寬度。

根據圖1所示的斷面形狀與尺寸,全立邊長度F=2×250mm,全彎曲角數n=2,板厚t=4mm則形狀因子函數:

Φ=Fnt=4000

將形狀因子函數與文獻[7]中圖2對比,Φ值大于圖中最大值,所以不宜采用。

治·哈姆斯[8]提出了如下的道次計算經驗公式:

式中:N為道次數;h為最大截面高度;t為材料厚度;θ為成形基準一側成形的總角度數;Y為屈服應力;U為抗拉強度;z為預沖孔和板料連接系數;s為形狀系數;e為額外增加道次數;f為公差系數。將圖1參數(其中h=250mm,t=4mm,θ=1°,z=0,s=1,e=0,f=0)代入式(1),得N=130.139。顯然該數值過大。

趙艷紅利用成形角法給出確定成形道次數N的基本方法[9]:

N=(H/L)cotθ (2)

式中:彎曲高度H=250mm,機架間距L=1300mm,成形角θ=1.5°,可得N=7.34。取N=8,該道次數比較符合實際情況。

可見,以上經驗公式均有一定的適用范圍,一些公式的道次數求解結果誤差很大。

2.2彎曲角分配

各道次彎曲角的分配由板厚、道次間距、機架間距、變形速度、總變形量等因素決定。成形初期取較小的彎曲角以避免強迫咬入,中期則應避免由于彎曲角分配不均而造成帶坯局部異常變形以及表面劃傷,后期采用較小變形量以防止回彈。可采用余弦曲線來分配彎曲角[9]:

式中:N為道次數;θs為單邊總彎曲角度;θi為第i道次的彎曲角。由此,可求出圖1制件成形彎曲角的分配方案(表1)。

2.3過彎角度的計算

為了防止切口變形,在最終道次前設置過彎軋輥,可采用過彎角度實驗公式[7]:

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式中:θopt為最終彎曲角;H為邊腿高度;t為板料厚度。

3 COPRA工藝優化

COPRA是冷彎成形設計軟件系統,需要與Au—toCAD配合使用。COPRA提供了定半徑法,定中線長度法,軌跡法,角度/半徑法四種不同的彎曲展開方法。展開方法取決于需成形的斷面,常用的是定中性線法或定半徑法。每個彎曲實體每個彎曲實體都由內半徑、彎曲角以及中性線長度來描述。本例中材料為高強度鋼,成形回彈較大,采用定半徑法可以減小回彈。輸入相應參數到COPRA,模擬結果如圖2。可以看出,大部分道次的應變接近于2%,需要適當降低。圖3為優化后的模擬結果,各道次彎曲角如表2。可以看出,各個道次的應變均小于0.6%,應變效果比較理想。選擇BISWAS過彎的方法對最后道次計算回彈,得到最終彎曲角度為100.38°,與經驗公式計算結果吻合。

4 數值模擬

4.1模擬方案

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多道次輥彎成形有限元模型規模大,邊界條件復雜,是一個高度非線性準靜態問題,應用動力顯式算法計算較合適。模擬在Abaqus軟件中進行,彎曲角按表2進行。塑性變形要考慮加工硬化的影響,因此,采用加工硬化的塑性數據表征硬化方程:σp=K(ε0+ε)n。式中:k為材料系數;ε0為初始應變;ε為應變;n為硬化指數。摩擦模型采用從靜態摩擦系數到動態摩擦系數的指定衰減模型,數學表達式為:

式中:動摩擦系數μk=0.2;靜摩擦系數μs=0.3;衰減系數dc=1.5;γeq為滑移率。采用細網格劃分的線性減縮積分單元。軋輥和板料的接觸采用面-面模型。為縮短計算時間,在模擬中將板料成形速度設置(10m/s)大于實際。

4.2模擬結果與分析

圖4、5分別為第1道次板料咬入過程圖和第2道次強迫成形圖,箭頭為板材的運動方向。圖6曲線A為圖4位置的等效應力分布。可以看出,第1道次咬入過程中,板帶前端與滾輪相接觸的部分受力很大,未接觸部分由前向后受力逐漸減小。由于前端受孔型作用發生彎曲,帶動板料兩側逐漸彎曲變形。當自由端運動到第2道次滾輪時,由于受第1道次推動和第2道次滾輪對型材的摩擦力,自由端被逐漸咬入第2道次孔型中。曲線B為圖5的等效應力分布。可以看出,自由成形區前端受力較大,由前向后受力逐漸減小。這是由于后一道次孔型彎曲角比前一道次大,前一道次孔型主要起約束作用,后一道次孔型主要對型材施加力使其再次發生彎曲。另外,輥的前端受力大小和區域均達到最大值,型材被拋出后,受力又逐漸減小。所以板材經過第2道次時的應力整體上明顯大于經過第1道次時的應力。其它道次板材應力變化趨勢和曲線B類似,但應力會隨著彎曲角度的增加而逐漸增大。

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圖7為板材在同一截面上不同單元隨時間變化的等效應變曲線圖。曲線C、D為板材彎角處的等效應變,曲線E為板材中部某單元的等效應變。可知,板材兩邊彎角處應變隨時間不斷增加。曲線E說明板材中部未產生塑性應變或應變很小。圖8為板材在彎角處同一單元表面寬度方向隨時間變化的等效應變曲線圖。由圖可知,上下表面的應變均隨著時間的變化而不斷增大,下表面(曲線F)的應變比上表面(曲線G)要大,且應變增速也大于上表面。

5 結語

研究發現,現有經驗公式均有一定的使用范圍,一些公式求解結果的誤差很大;利用COPRA軟件可以得到對時間具有參考價值的結果,使用時可結合經驗公式以提高分析效率。數值模擬功能強大,所得信息完備,但對操作的要求較高,且分析計算效率較低。


多輥輥彎成形工藝設計方法的對比研究 2020-4-8 本文被閱讀 2337 次
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