基于對比試驗的Q345鋼135°矯正法折彎及回彈優化

劉佳灝,杜勇,薛克敏,張恒光,田耀江,姚嘉煒,葛自良

(合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009)

基于對比試驗的Q345鋼135°矯正法折彎及回彈優化

劉佳灝,杜勇,薛克敏,張恒光,田耀江,姚嘉煒,葛自良

(合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009)

目的 針對自由回彈采用的補償法尋找最優解過程繁雜,結果不穩定這一問題,尋找更為有效的折彎方式。方法 利用Pearson相關系數和灰色系統理論,采用對比實驗,以16 mm厚Q345鋼為研究對象,選擇凸模圓角、摩擦因數及矯正量為變量,回彈角與最大成形力為目標函數,求得工藝參數對回彈角的關聯系數。再對優化的參數組合進行有限元模擬驗證。結果 矯正法回彈控制效果遠遠優于自由折彎模具的回彈控制效果。結論 將優化獲得的工藝參數進行有限元模擬驗證,指導設計、試模,成形質量得到明顯提高,對實際生產具有顯著的指導意義。

厚板折彎;對比實驗;矯正法;回彈角

伴隨著制造行業的發展,金屬板材塑性成形工藝在飛機制造、汽車制造及其他工程產品中得以應用[1—4]。眾多工件的結構連接處選用了焊接作為連接方式[5],但因為焊縫處材料性能比母材差,導致工件整體的性能降低,同時焊接處也是工件中容易損壞的部位[6—7]。如今,一個較好的解決方式是通過金屬板料塑性成形中的折彎工藝來提升工件整體性能和生產效率,同時還提高了材料利用率[8—9]。板料折彎工藝不可避免的是材料的回彈問題[10]。針對這一問題,國內外許多學者都做出了研究,如R.Hill提出了板材彎曲回彈分析的理論基礎[11],劉克進的薄板翻邊成形以及V形、U形彎曲回彈實驗,通過遺傳算法得出在實際工藝參數和具體模型下的回彈經驗公式[12]。西安交通大學的朱東波等人提出了模具回彈誤差補償修正算法,并通過大量實驗進行了驗證,結果顯示在回彈嚴重的折彎和淺拉深工藝中,運用該模具修正算法,效果較為理想[13]。

近年來,薄板成形中的主要缺陷已有非常詳細的研究[14],涉及到開裂、起皺及回彈等眾多方面,可是,對厚度在4 mm以上的中厚板,尤其在回彈現象及其影響因素方面,有待進一步研究。文中針對折彎件的影響因素眾多,且目前市場常用的自由折彎的工藝方式缺陷較多這一問題,選用自由折彎與矯正法相對比的對比實驗及灰色理論相結合的處理方法對折彎工藝進行探究。

1 模具分析及有限元模擬

1.1 自由折彎模具分析

圖1為自由折彎件制作實圖,自由折彎是目前較為常用的一種折彎工藝,模具造型簡單,工藝靈活度高,但是其準度低,而且折彎后回彈嚴重。

圖1 自由折彎Fig.1 Free bending

1.2 自由折彎的有限元模擬

折彎工藝有限元模擬時,需要輸入材料的機械性能參數,包括:密度、彈性模量、泊松比、室溫下的應力應變值等輸入到Abaqus軟件中,從而建立起Q345的材料參數和材料模型(圖2)。材料的密度為7860 kg/m3、屈服強度為345 MPa、彈性模量為203 GPa及泊松比為0.285。材料選用實體單元劃分,采用遵循Hill準則的各向同性塑性模型,選用基于連續介質的實體單元、罰函數接觸[15],并采用動態顯示算法計算加載過程和靜力隱式算法模擬Q345鋼材V形回彈過程。分別選取不同板料厚度作為變量,設計計算機模擬內容。

圖2 自由折彎有限元模型Fig.2 The finite elementmodel of free bending

對于中厚板折彎成形工藝,無需考察拉裂和起皺缺陷,同時忽略板料厚度變化對回彈產生的影響,只需要考慮如何減少回彈量和最大成形力。因此以成形件回彈量為優化目標,以凸模圓角、下壓速度、摩擦因數為變量,網格劃分選用均布,具體的實驗模擬結果如表1所示。

表1 自由折彎的有限元模擬結果Tab le 1 Sim u lated resu lts of free bend ing

圖3 板料彎曲內部應力狀態Fig.3 Internal stress state ofmetal bending

由表可知,隨著各參數的變化,回彈角也在變化。究其原因,從折彎件應力角度分析如下。

圖3顯示了板料折彎時主要的三種應力分布,主要探究位置為折彎件的內表面、外表面及中間的應力中性層。其中內、外表面應力最大,呈塑性形變;中部應力最小,呈彈性形變。而折彎件回彈的主要影響因素就是折彎件彈性變形區域的大小。

圖4為Q345鋼16 mm厚板通過ABAQUS軟件模擬得出的在自由折彎條件中凸模下壓到最終位置時的應力分布,此時應力分布類型為圖3中b類型,且彈性變形區較大,因而此折彎方法回彈角較大。

圖4 自由彎曲應力分布Fig.4 The bending stress distribution of free bending

1.3 矯正法的模具設計

自由折彎件彈性變形區較大這一問題,較好的解決方式是改進模具,改進效果如圖5所示。首先,將凸模與材料變形區接觸位置設計成凸起形狀,并做圓角處理,使得力集中作用在引起回彈的變形區上,改變彎曲變形區外側受拉,內側受壓的應力狀態使變形區變為三向受壓狀態,以改變回彈變形性質減小回彈。

圖5 矯正法模型Fig.5 Themodel of orthosismould

1.4 矯正法的有限元模擬

參考自由回彈結果,分別選取凸模圓角、摩擦因數及下壓矯正量作為變量。當選取16 mm作為凸模圓角,摩擦因數0.1,矯正壓縮2%,得到折彎結果如圖6所示。

由圖1.6所知,材料的變形區受到了較為集中的應力,近似于圖3中的c類型,這使得變形區應力中性層周圍的彈性變形部分轉變為塑性形變,從而極大可能的減小回彈量。經過合理的參數設計凸模圓角A與矯正量B,通過abaqus模擬,結果如表2所示。

圖6 矯正法應力分布Fig.6 Stress distribution by orthosis bending

表2 矯正法模擬結果Tab le 2 Sim u lation resu lts of orthosism ethod

由表2可知,矯正法板料的回彈角明顯小于自由折彎板料的回彈角,且隨著工藝參數的變化而變化;同時,折彎過程中,隨著凸模圓角的減小,發生了負回彈的現象,且當凸模圓角R小于板料厚度時,負回彈現象就會產生。

2 數據處理

表2的數據雖可以顯示出回彈角及最大成形力會隨著工藝參數的變化而變化,但卻不能觀察出其變化規律,所以需要對數據進行優化處理,來選出最優參數組合。

2.1 Pearson相關系數處理

Pearson相關系數的作用是比較2個數據集合能否在一條線上面或到線的距離,它用來衡量定距變量間的線性關系。如衡量身高和體重、居民儲蓄存款和國民收入、高考成績和高中平時成績等變量間的線性相關關系。當2個變量都是正態連續變量,而且兩者之間呈線性關系時,表現這2個變量之間相關程度用積差相關系數,其計算公式為:

相關系數的大小與絕對值大小有關,相關性越強,相關系數絕對值越接近于1,相關度越強,相關系數越接近于0,相關度越弱。通常情況下,判斷變量的相關強度分為:極強相關、強相關、中等程度相關、弱相關、極弱相關或無相關,對應的相關系數值分別為:0.8～1.0,0.6～0.8,0.4～0.6,0.2～0.4,0～0.2。

將數據代入SPSS進行Pearson相關性分析,求得結果如表3所示。

表3 Pearson相關性系數計算結果Tab le 3 The calcu lation resu lts of Pearson related param eters

通過Pearson相關性分析,可知對于自由折彎,凸模圓角影響回彈角最為明顯,下行速度影響最大成形力最為明顯;而對于矯正法折彎,回彈角的最大影響因素為凸模圓角,而最大成形力的最大影響因素為摩擦因數。

2.2 計算目標函數的灰色關聯系數

進行系統分析時,由于系統的復雜性,導致所選取的目標因素的數量級和物理意義可能存在較大的差異。因此在計算灰色關聯度前需要通過算子作用,對數據進行無量綱化和正轉化處理[16—17]。處理后需要將得到的目標矢量序列設為Xi={xi(k),k=1,2,…,n},i=1,2,…,m,m為目標矢量的個數,基準矢量序列設為X0={x0(k),k=1,2,…,n},則Xi對于X0在第k點的灰色關聯系數計算公式如式(2)所示:

式中:ρ為分辨系數,允許在0與1之間適當調整,在最少信息原理下,分辨系數0.5。目標矢量Xi對于基準序列X0的關聯度為:

使用Matlab軟件用以上公式對矯正法數據進行關聯系數計算,得到結果見表4。

表4 目標函數的灰色關聯系數Tab le 4 The ob jective functions of the grey correlation coefficient

中厚板折彎成形中,既要減小成形件彎曲回彈角,又要減小折彎最大成形力。綜合考慮各方面的影響,兩個目標函數的設計權重相等,即λ1=λ2=0.5。根據式(2),計算得到目標函數的灰色關聯度見表5。

表5 目標函數的灰色關聯度Tab le 5 Grey relational grade of ob jective functions

3 對比實驗結果分析

經過灰色相關性分析得出自由折彎的第一組和矯正法折彎的第5組工藝參數對目標函數的響應值最大。將矯正法折彎模擬的最優解與自由折彎模擬的最優解進行對比,自由折彎的回彈角為1.471 23,矯正法折彎的回彈角為-0.0068,可見,矯正法折彎件的回彈角遠遠小于自由折彎模具折彎件的回彈角。

4 折彎實驗

4.1 模具設計

利用優化后的參數對模具進行設計,選取凸模圓角16 mm,矯正量3.5%,摩擦因數0.1,坯料選用200 mm×80 mm×16 mm厚Q345鋼,并在壓力機進行實驗。圖7為折彎模具。

圖7 折彎模具示意圖Fig.7 Bendingmould diagram

4.2 實驗結果分析

圖8為材料的成形件,經測量,角度為135°(萬能量角器測量精度到分,不能檢測出秒的數值,所以結果并非嚴格135°,但結果已經相對理想),測量如圖8所示。

圖8 成形件Fig.8 Formed part

由圖中可知折彎件符合標準要求。說明選取的的成形參數合理,且使用灰色關聯度優化,多自變量、多目標中厚板彎曲成形工藝參數具有正確性與可行性。

5 結論

1)通過對比實驗明顯顯示基于灰色系統理論的矯正法回彈控制效果遠遠優于自由折彎模具的回彈控制效果。

2)對于矯正法,存在負回彈的現象,且當凸模圓角小于板料厚度時,負回彈現象尤為明顯。

3)根據模擬及實驗結果可知,矯正法工藝參數將對高強鋼厚板折彎進行回彈具有優秀的控制,能夠保證成形件的成形精度,所以矯正法工藝在高強鋼中厚板折彎成形設計中具有實際應用前景。

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Optim ization on 135°Orthosis Bending and Springback of Q345 Steel Plate Based on Contrast Test

LIU Jia-hao,DU Yong,XUE Ke-min,ZHANG Heng-guang,TIAN Yao-jiang,YAO Jia-wei,GE Zi-liang
(School of Materials Science&Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China)

This paper explored more effective bendingmethod targeting at the problem of complex process and unstable results by the compensating method for calculation of the free springback.This paper adopted the comparison test using Pearson related coefficients and the gray system theory.The test took the Q345 steel of 16 mm thickness as the research subject to obtain the correlation coefficientof the processing parameters to the springback angle,taking punch radius,friction coefficient and rectification as the variables and springback angle and maximum forming force as the objective functions.The FEMsimulation was used to verify the optimized parameter combination.The springback control effect by the orthosismethod wasmuch better than that by the free bendingmold.The FEMverification showed the design and the die trialwith the optimized processing parameters can improve the forming quality and had significant guidance for practical production.

thick plate bending;contrast test;orthosismethod;springback angle

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.007

TG386

:A

:1674-6457(2015)04-0031-06

2015-04-22

劉佳灝(1994—),男,天津人,本科生,主攻精密塑性成形。

薛克敏(1963—),男,安徽人,教授,博士生導師,主要研究方向為精密塑性成形理論及工藝、成形過程數值模擬、專家系統以及人工神經網絡。