拉压复合连续弯曲成形工艺研究

2016-06-21李占华韩静涛张永军北京科技大学材料科学与工程学院

锻造与冲压 2016年22期

文/李占华，韩静涛，张永军·北京科技大学材料科学与工程学院

拉压复合连续弯曲成形工艺研究

文/李占华，韩静涛，张永军·北京科技大学材料科学与工程学院

李占华，博士，主要从事冲压工艺，冷挤压工艺，模具、机械设备研发方面工作，获得国家发明专利2项。

具有一定曲率的薄壁零件广泛应用于机械、电子、仪器、航空航天、运输、机械等领域，此类零件的机械性能优劣依赖于其尺寸精度与服役稳定性。而随着工业需求的多元化，特殊曲率薄壁件的应用日益增加，如恒力弹簧、stacer等，对于此类零件，在冷成形过程中，尺寸精度易于得到保证，但在以热处理方式进行稳定化处理时，由于其自身几何尺寸的限制，制件难以保证最终的尺寸要求。为此，本文提出以拉压复合连续弯曲成形（CSPB）工艺进行此类零件的成形，在冷成形过程中即解决制件的稳定性问题。本文采用数值模拟的方式对CSPB成形工艺过程进行了详细分析。并以恒力弹簧与stacer制件为例，对CSPB成形工艺进行了试验验证，为以CSPB工艺成形此类构件提供理论与试验依据。

拉压复合连续弯曲成形原理

图1 拉压复合连续弯曲成形原理图

拉压复合连续弯曲成形原理如图1所示。虚线为凹模与带材初始位置，Ow/Oc为薄带初始带卷，穿带完成后，凹模自P1下压至P点，保证凸凹模间预定模具间隙T，此过程与一般压弯过程相同，模具间隙T与最终制件成形直径直接相关。带卷自上料侧施加后张力F，增加成形过程的拉弯效应，于带材右端成形卷收集侧OP施加拉力使带材匀速拉出，发生反向弯曲，之后带材发生弹性卸载而得到制件。拉压复合连续弯曲成形原理引入了拉弯与压弯成形的特性，提高了构件稳定性；成形过程中存在反向弯曲的过程，可减小残余应力或使残余应力趋向于有利方向，增加构件的稳定性。带材各成形位置在模具间隙相等情况下弯曲过程与受力情况相同，保证了制件的成形一致性。成形方法避免了成形直径的限制，对于不同直径的构件不需要频繁更换模具，通过调整凸凹模间隙可连续调整成形构件直径，随着成形模具间隙T减小，带料于ABC位置弯曲曲率减小，从而可进行更小直径构件的成形；后张力对带材入料方向的保持与成形件的稳定性具有重要作用。

有限元模拟

材料参数

模拟采用的材料为恒弹性合金3J21(Co40CrNiMo)，材料具有较高的弹性模量和弹性极限，常用于航空、电子、机械、电真空、仪器仪表等领域的关键的弹性元件。取比例系数k=11.3的比例试样，通过拉伸试验测得其屈服强度ReL=1291MPa，抗拉强度Rm=1452MPa，弹性模量E=205GPa，并取其密度ρ=8.4g·cm-3，泊松比υ= 0.3。对于数值模拟中材料数据的输入，应采用真应力-应变曲线形式，需对拉伸试验所得工程应力应变曲线进行转化计算，工程应力应变与真力应变数值间有如下关系，所得材料真应力应变数据曲线如图2所示。可见，3J21材料变形过程中无明显屈服点，在应变量很小时即达到了强度极限，表现出明显的形变强化现象。

图2 3J21材料真应力—应变曲线

模型建立

图3 数值模拟几何模型

模拟采用Abaqus 6.13软件，所建立模型如图3所示。模拟中，模具以解析刚体建模。这是由于成形过程中，凸凹模的形变可忽略，刚体部件可极大减小计算成本；而刚体类型中，解析刚体几何精度损失小，易于提高结果的可靠性。带材毛坯采用壳单元以提高计算效率。网格单元采用四边形网格单元，并对带材中所关心的CSPB成形段进行局部细化，提高计算精度。单元类型为四节点曲壳S4R，减缩积分，包含沙漏控制模式，该类型对薄壳单元具有较高的求解精度。

模拟步骤与边界条件

模拟结合Abaqus/Explicit动力显示算法与Abaqus/Standard静力隐式算法的各自优势，采用Explicit显示算法进行CSPB弯曲成形过程的模拟，求解后保存运算结果；而后采用Standard隐式算法读取显式计算结果，获取工件几何信息及应力、应变状态，并去除模具与载荷等外部约束，对板料适当位置（通常以板料中部位置为佳）施加局部约束以防止板料的刚体位移，进行回弹计算，将CSPB成形后的回弹过程转化为具有预应力、预应变的静力问题。

模拟过程分析分四步进行：

⑴凹模以较小速率下压至与板料接触，使模具与板料间平稳地建立接触关系；

⑵以压下速率vp下压至预定模具间隙T；

⑶对带材右侧末端施加速度约束，将带材以恒速度vs拉出，实现带材的CSPB成形过程；

⑷带材拉出后，去除带材的所有外部约束，以Standard隐式算法进行回弹计算，得到构件样件。

模拟结果分析

图4所示为CSPB工艺成形制件的数值模拟过程，模拟所采用参数为：凸模圆角半径rd=0.5mm，模具间隙T=1mm，后张力Fp=10N，宽w=20mm，厚t=0.15mm。图4a为凹模匀速下压过程，此过程带材形变过程为一般压弯过程。图4b为带材经拉压复合连续弯曲成形工艺的形变过程，带材自右侧末端匀速拉出而实现连续弯曲成形。带材左侧自由带由于后张力的存在而受到均匀拉应力，带材于b点之后弯曲曲率逐渐减小，应力随之增加而发生弹性形变，继而发生弹塑性变形，曲率于a点附近达到最小值，应力随之达到最大值，形成弹塑性弯曲变形区。a点之后，应力值迅速减小，形成弹性能释放区，如图中绿色区域。随行程增加，带材发生反向弯曲，曲率值增加，弹性能释放，继而反向增加，带材正向变形形成的残余应力在此反向弯曲过程中得以大幅减小，或趋向于反向的有利方向。d点后带材大致为平直状态。带材的整个成形过程均在两侧张力作用下完成，张力数值可通过后张力调整，增加带材的拉弯效应，改善带材的受力情况。

图4 拉压复合连续弯曲成形数值模拟过程

带材经历CSPB形变而完全拉出后，形状与应力状态如图4c所示，图4d与4e为带材约束卸载与回弹过程，带材自左侧依次弯曲，应力释放而减小。制件最终自然状态如图4f所示，由于带材各位置成形过程相同，所得构件各位置自然曲率相等，为极为规则的圆筒形构件，成形结果除带材边部极小区域外，制件等效残余应力约为90MPa。且从制件残余应力方向来看，内外侧残余应力方向均指向制件曲率减小的方向，此相对于恒力弹簧与stacer等的使用环境，为有利方向，可很好满足制件使用过程中的稳定性要求。

试验结果与分析

试验对两种螺旋角制件进行了制件的实例成形，螺旋角α0分别为0°与60°，在螺旋角为0°时所得制件即为恒力弹簧构件，而在较大螺旋角时(此处取值为60°)即为stacer构件，图5所示为CSPB工艺方法所得的恒力弹簧试验样件。图6为采用CSPB成形工艺所得stacer结果实例。恒力弹簧构件有极高的均匀性；stacer样件亦表现出极高的直线度，测试其直线偏差小于5mm，层间贴合良好，无间隙。所得结果与模拟过程所得结果极为相近。验证了CSPB工艺成形此类零件的可行性。