高强耐磨钢折弯成形极限研究与应用
2020-03-10余亚克李晓广张东凯
余亚克,李晓广,张东凯
(河钢集团邯钢技术中心,河北 邯郸 056038)
某自卸车边板由NM400材料经过多次折弯成形得到,由于NM400材料具有较高的强度和硬度,可以提升零件耐磨性,增加零件的服役寿命,但同时也增加了零件的加工难度。尤其是针对大角度的折弯变形,如果折弯模具的尺寸参数设置不合理,易出现开裂问题,造成零件报废。因此如何通过仿真的手段,研究大角度折弯状态下,模具关键尺寸参数即模具圆角半径与材料折弯成形极限的关系,成为自卸车边板成形加工过程中亟待解决的问题。
折弯——金属板料在折弯机上模和下模的共同作用下,实现局部的塑性变形,得到一定角度的V形零件的加工过程。在折弯过程中,弯曲件的外层受拉应力,内层受压应力。弯曲件的外层受拉应力经弹性变形然后塑性变形,当材料内部所受的应力值超过材料抗拉强度时,弯曲件出现断裂问题,直接造成零件的报废。
1 仿真模型的建立
1.1 CAE模型的建立[1]
基于某车型边板照片,对比每个位置的折弯角度及对应圆角半径,分析确定出零件的关键成形工序,通过合理简化,充分提高仿真计算效率。分析零件的折弯角度,充分保证折弯的仿真精度,针对关键区域采用三维造型软件设计出二维的折弯模具及板料模型。将模型分别导入专业的金属仿真软件中,设置凹、凸模及板料的属性,将凹凸模定义为刚体,板料定义为塑性体,对凸模设置运动方式,沿-Y方向运动,速度为200 mm/s,凹模固定不动,模拟步数设定为72,将板料划分为5000个网格,为进一步提高仿真精度,将板料中间位置大变形区域进行网格的局部细化,可以充分保证变形区域的网格数量及网格尺寸,从而保证仿真精度,如图1所示,为充分考虑折弯圆角半径对成形的影响,分别以R=4.2a、R=3a、R=2.1a(板料a=6 mm),三种圆角半径为研究对象。
图1 仿真模型
2 建立材料本构模型
2.1 本构关系拟合
基于试验所测的力-位移曲线,根据体积不变原理,求解材料的真实应力-真实应变曲线,如图2所示,由图2可知真实应力出现下降,表明拉伸试样出现失稳,体积不变原理失效[2]。
图2 材料本构模型
对参考图2中真实应力-真实应变曲线最高点之前的塑性变形段进行拟合,得到材料硬化的本构模型如公式1所示。
(1)
2.2 断裂阀值求解
结合材料的应力应变曲线塑性应变区间,基于上述本构关系,进行Cockcroft&Latham[3]断裂失效模型的断裂阀值的求解,失效模型如公式2所示,按照公式计算得断裂阀值[1]为0.202。由于所参考的塑性真实应变根据失稳态的真实应变求得,故存在一定误差,需进行仿真对标。
(2)
3 单向拉伸试验仿真对标
3.1 拉伸试样样本设计
按照试验标准要求[4],确定单向拉伸标准试样基本形状如图3,根据矩形截面非比例试样尺寸标准如表1确定拉伸试样的几何尺寸,采用专业的三维造型软件建立试样的模型。
图3 拉伸试样示意图
表1 矩形横截面非比例试样
3.2 仿真模拟的前处理
根据三维造型软件中设计的样件实体造型,生成试样的仿真模型[5]如图4,输出文件的扩展名为.IGS格式,将计算模型导入到专业的金属仿真软件中,进行网格划分,设置载荷、约束和运动方式,并采用硬化模型公式(1),以现场试验NM440材料的力-位移曲线为判断标准。
3.3 单向拉伸仿真模拟的结果
仿真运算导出拉伸力-位移曲线,通过与试验中的拉伸力-位移曲线对标,如图5可以看出在拉伸的前半段过程中两条曲线的吻合度比较高,随着位移载荷的不断增加,试样横截面不断减小,拉伸位移增加导致拉伸力不断加大。当横截面缩小到一定程度,拉伸力不再增加,反而减小,可以看到仿真曲线出现明显的缩颈段,对理论求解得到的断裂阀值进行对标修正;断裂阀值的最终修正结果为0.22,修正后的力-位移曲线现场试验的对标结果如图5所示。进行仿真模拟。
图4 单向拉伸的仿真模型
图5 拉伸试验仿真对标结果
4 仿真结果
针对圆角半径分别为4.2a、3a、2.1a的90°折弯成形,成形仿真结果如图6所示,由图可知3种圆角半径下断裂失效最大值分别达0.0974、0.143、93,随着折弯圆角半径的减小,断裂失效值增大;其中针对R=2.1a,折弯成形至103.5°时失效值达到断裂阀值0.22材料出现开裂,然后失效值急剧增大;针对R=3a、R=4.2a两种圆角半径,折弯至90°失效值为超过断裂阀值0.22,材料未出现开裂。
R=4.2a R=3.0a R=2.1a图6 折弯成形仿真结果
5 设计零件结构
根据折弯成形的仿真结果,零件的折弯半径为2.1a时,零件折弯时出现开裂问题,折弯半径为3a及4.2a时,零件折弯时未出现开裂问题,基于以上仿真结果将零件90°折弯位置圆角半径设计为4.2a厚度,具体零件如图7。
图7 边板
6 结论
(1)针对折弯成形,经仿真验证NM400材料(与该材料性能接近的NM450HR)可以满足采用4.2a的圆角半径进行90°折弯。
(2)基于修正的本构模型、断裂模型、断裂阀值,进行90°折弯成形仿真模拟,得到3种圆角半径的仿真结果,圆角半径的大小与失效值Damage呈反相关。
(3)折弯圆角半径作为影响成形的关键参数,其值越小越易出现开裂,针对该材料圆角半径的临界值在2.1a与3a之间,考虑到该材料的弹性延伸段和非比例延伸段较大,建议将3a作为临界值。
(4)折弯圆角半径作为影响成形的关键参数,直接影响折弯到顶角处的失效值,当折弯半径过小以致失效值超过断裂阀值时出现开裂。