上模具圓弧大小對高強方矩管冷彎成型角隅內側裂紋的影響

陳葉清+駱海賀+劉占增+喬午鋒+高長華+解德

【摘 要】高強方矩管在成型生產過程中時常出現角隅內側開裂，本文采用有限元數值模擬仿真計算，研究了上模具圓弧大小對產生裂紋的影響規律。研究表明，對于兩種不同規格方矩管，上模具圓弧大小對產生裂紋的影響規律相同，即等效塑性應變隨著圓弧半徑減小而增大。

【關鍵詞】數值模擬；冷彎成型；裂紋；模具

1.前 言

高強鋼由于具有強度高、延伸率低、變形大、成型反彈大等特點，因而在冷彎成型生產過程中以及用戶的二次加工過程中時常出現開裂，而且相當一部分是在管子的角隅內側開裂。進行高強方矩管冷彎成型數值仿真研究，有助于解釋高強方矩管在成型過程中產生裂紋等缺陷的原因，以及提出降低裂紋等缺陷發生概率的工藝優化改進措施。

國內外對方矩形管冷彎成型的研究主要集中在數值仿真、成型工藝和成型缺陷等三方面。武漢科技大學的胡盛德[1]等基于ANSYS-APDL參數化設計語言，對冷彎矩形管的主要成型道次進行了有限元模擬。比利時的Q.V.Bui[2]等對冷彎成型進行了三維數值仿真，并將數值仿真的縱向應變和軌跡曲線和實驗進行了對比。石家莊軸承設備股份有限公司的李國榮[3]等從節省原料的角度，對方矩形管“先圓后方”和“直接成方”兩種成型方式進行了對比，認為采用“直接成方”工藝可以節省原料。從國內外公開的相關文獻可以看出，人們對方矩形管的數值仿真研究主要集中在某些道次，對整個成型過程沒有一個完整的系統的數值仿真研究。基本上沒有涉及對矩形管裂紋產生原因和預防進行討論，更談不上應用工廠的實際生產案例。

本文針對客車用高強方矩管在冷彎成型過程中角隅內側產生裂紋的現象，采用數值模擬仿真方法研究了實際生產中的上模具圓弧大小對產生裂紋的影響規律。

2. 數值仿真模型的建立及計算

高強方矩管冷彎成型數值仿真模型的確立主要根據高強方矩管的實際生產工藝流程來確定，研究模型采用了兩個不同規格（ 規格一：40×40×1.5mm，規格二：100×40×3.0mm）的四四二次彎邊成型方矩管。

有限元模型的建立利用Femap軟件，計算仿真利用以擅長處理非線性和復雜接觸問題著稱的ABAQUS高級有限元仿真軟件。計算方法采用二維有限元數值仿真分析方法，能完整地仿真整個冷彎成型流程，且能方便地分析冷彎成型過程中的大塑性變形和回彈等成型基本現象。尤其對容易產生裂紋的角隅處，能方便地對其進行細節分析。

研究所選取的工藝參數值均參照生產現場的實際工藝參數范圍進行選取。規格一的上模具圓弧半徑分別設為8mm、7mm、6mm；規格二的上模具圓弧半徑分別設為12mm、10mm、8mm。

通過有限元數值模擬仿真計算，不同上模具圓弧半徑（8mm、7mm、6mm）的規格一方矩管最終成型的等效塑形應變值分別為0.4625、0.5374、0.5717，不同上模具圓弧半徑（12mm、10mm、8mm）的規格二方矩管最終成型的等效塑形應變值分別為1.1120、1.1220、1.2280。

3. 分析與討論

關鍵節點處產生裂紋的原因必須滿足兩個條件：一是等效應力-應變曲線的流動超過材料的真應力-應變曲線；二是該關鍵節點處存在拉應力。如果材料在加工過程中的等效塑形應變相對越小，則相對越安全，即出現裂紋的幾率越小。

計算結果表明：對于兩種不同規格方矩管，上模具圓弧大小對產生裂紋的影響規律相同，即：隨著圓弧半徑減小，等效塑性應變有增大的趨勢。其原理可以從圖1來理解。

圖1表示上模具圓弧大小的改變對擠壓鋼板的影響。當上模具圓弧半徑由較大的R1變化為較小的R2時，上下模具的最小間距由AB變化為CD，顯然AB小于CD。即這時上模具對鋼板的圓弧段擠壓不充分，導致圓弧過小，而又要成型到相同的角度，所以圓弧段的擠壓變形會變得嚴重，塑性應變會增加。

因此，在實際生產中，在不影響產品規格和成型角度的情況下，宜采用上模具圓弧較大的工藝參數。

4.結 論

數值仿真計算結果表明：對于兩種不同規格方矩管，上模具圓弧大小對產生裂紋的影響規律相同，即等效塑性應變隨著圓弧半徑減小而增大。而加工過程中等效塑形應變增大，則產生裂紋的幾率也相應增大。因此，在實際生產中，在不影響產品規格和成型角度的情況下，宜采用上模具圓弧較大的工藝參數。

參考文獻：

[1]胡盛德，張雪峰，劉勇，馬力，王絹，汪雯婕.冷彎矩形管主要成型道次的FEM模擬[J].武漢科技大學學報，2012，35（6）：407-436.

[2]Q.V.Bui，J.P.Ponthot.Numerical simulation of cold roll-forming processes[J].journal of materials processing technology， 2008，202：275-282.

[3]李國榮.方矩形管成型方式的選擇[J].焊管，2008，31（2）：69-96.endprint