轎車防撞梁冷彎成形及在線輥彎技術(shù)

冷彎型鋼作為一種經(jīng)濟(jì)斷面型材，一直以優(yōu)化截面形狀而不是單純靠增加材料用量和改善材料性能來節(jié)約資源，這使得其擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，已被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、建筑等行業(yè)。冷彎成形是一個經(jīng)歷大位移、有限應(yīng)變的過程，其中涉及到與軋輥之間的接觸摩擦問題，同時也是一個包含著幾何非線性、材料非線性和邊界非線性在內(nèi)復(fù)雜的高度非線性問題。冷彎型鋼變形過程是一個橫向彎曲、橫向扭轉(zhuǎn)、縱向拉伸等彈性、彈塑性、塑性變形的耦合過程，因此對板料成形過程進(jìn)行模擬分析十分困難。采用有限應(yīng)變彈塑性有限元分析，能夠有效地模擬此過程，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。圖1

冷彎成形件本文是以榮威550轎車防撞梁（圖1）為例，采用大型有限元軟件Marc對其輥壓成形過程進(jìn)行了模擬，并研究了型材在線三輥彎曲過程。分析了成形過程中應(yīng)力場和應(yīng)變場，并得到了幾個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變演變曲線，分析了成形過渡區(qū)變形過程，研究了牌坊間距對成形過程的影響。研究了三輥彎曲中回彈現(xiàn)象，推導(dǎo)了三輥彎曲回彈計(jì)算公式，并獲得了工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果對實(shí)際生產(chǎn)有一定的參考價值。冷彎成形有限元模擬考慮到Marc軟件的特點(diǎn)，在模擬時采用多工步作業(yè)的方式進(jìn)行計(jì)算，將整個工件的成形過程分成三步來實(shí)現(xiàn)，其中輥壓成形將分成兩步來進(jìn)行，首先是第1～8道次，實(shí)現(xiàn)兩個彎角的成形，其次是9～16道次，主要是對第三個彎角的成形，最后一步是型材在線輥彎成形模型，完成型材的輥圓成形。有限元模型如圖2所示。圖2

有限元模型模擬結(jié)果分析特殊節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變歷程曲線分析如圖3、4所示，分別為彎角處在整個變形過程中的應(yīng)力和應(yīng)變歷程曲線。由圖可知，在每一道次變形中，彎角處等效應(yīng)力先增大，再減小，然后出現(xiàn)一些波動后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，從這一點(diǎn)來看，板料每通過一組軋輥就會發(fā)生一次加載和卸載，因此冷彎成形也是一個多次加載、卸載的過程。等效應(yīng)力突然減小是由于彎角部位的節(jié)點(diǎn)和軋輥脫離接觸，節(jié)點(diǎn)離開輥縫后，其變形不再受軋輥的約束而發(fā)生彈性回復(fù)使應(yīng)力和應(yīng)變值減小，隨著節(jié)點(diǎn)離輥縫的距離越來越遠(yuǎn)，彈性回復(fù)也越來越弱，等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定。彎曲部位節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變是不斷增加的，變化規(guī)律較等效應(yīng)力變化規(guī)律簡單。與應(yīng)力所不同的就是呈一個階梯形狀的逐漸增加過程，當(dāng)板料離開軋輥后，應(yīng)變也有所減小，但不會大幅度下降。過渡區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變分析冷彎成形過程中，板料離開輥縫到進(jìn)入下一組軋輥之間的彎曲角度變形不是一下子就完成的，而是需要一個逐漸成形過渡過程，即變形沿長度方向有一個變形過渡區(qū)。以第4、5組機(jī)架之間的過渡區(qū)為例分析板料的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。在板料彎曲處沿縱向取節(jié)點(diǎn)為路徑建立圖5和圖6，從中可以看出，板料過渡區(qū)等效應(yīng)力和應(yīng)變在長度方向上的分布是沿板料運(yùn)動方向逐漸增加的，處于兩軋輥之間的板料彎角處等效應(yīng)力較大，約700MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的屈服強(qiáng)度，故板料在過渡區(qū)就已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，由此可知，成形過程中板料過渡區(qū)的變形是在前后兩組軋輥的共同作用下而進(jìn)行的。圖3彎角處等效應(yīng)力歷程曲線圖4

彎角處等效應(yīng)變歷程曲線圖5第4～5架間等效應(yīng)力分布圖圖6第4～5架間等效應(yīng)變分布圖三輥彎曲成形有限元模擬結(jié)果分析三輥彎曲成形有限元模擬是在前面工步的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬的，因此，此過程中會受到前面模擬模型的影響，特別是殘余應(yīng)力的存在。應(yīng)力、應(yīng)變分布曲線圖7a、7b與圖8a、8b為緣板處三向應(yīng)力分布和彎曲應(yīng)變值分布曲線圖，從中可以看出，板料彎曲應(yīng)變的分布和彎曲應(yīng)力的分布趨勢是一致的，在緣板上有一處彎曲應(yīng)變值較小，該處就是應(yīng)變中性層，等效彎曲應(yīng)變的絕對值由中性層向兩側(cè)逐漸增大，處于應(yīng)變中性層上側(cè)的板料其彎曲應(yīng)變值為負(fù)，發(fā)生的是彎曲壓縮變形，處于應(yīng)變中性層下側(cè)的板料應(yīng)變值是正的，發(fā)生的是彎曲拉伸變形，在板料的最上側(cè)和最下側(cè)彎曲應(yīng)變絕對值最大，對比圖7和圖8中可以看出，應(yīng)變中性層在應(yīng)力中性層的外側(cè)，這是與理論相一致的。三輥彎曲成形回彈的計(jì)算方法對于三輥彎曲成形的型材，其相對彎曲半徑較大。在計(jì)算型材回彈量的時候，應(yīng)將數(shù)學(xué)上的幾何關(guān)系與力學(xué)上的回彈規(guī)律結(jié)合起來，這樣才能使計(jì)算公式更加具有普遍意義。因此，我們在推導(dǎo)型材三輥彎曲回彈計(jì)算式的過程中，將幾何關(guān)系和塑性彎曲時回彈規(guī)律相結(jié)合，進(jìn)行型材三輥彎曲回彈計(jì)算。圖7三向應(yīng)力分布曲線圖8應(yīng)變分布曲線圖9轎車防撞梁生產(chǎn)線圖9為榮威550防撞梁輥壓生產(chǎn)線。結(jié)束語在冷彎成形過程中，等效應(yīng)力和應(yīng)變在橫向主要集中在彎角部位，此外，板料邊緣和中間部分也存在一定的變形。隨著軋制的進(jìn)行，板料彎角處的變形由彈-塑性變形轉(zhuǎn)變成塑性變形；從彎角處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化特點(diǎn)來看，冷彎成形是一個多次加載、卸載的過程，板料通過軋輥后發(fā)生彈性回復(fù)；轎車防撞梁