厚壁筒節三輥單道次彎卷成形數值模擬

員海濤，仉志強，梁 濤，李永堂，王魯軍，皮之中

(1.太原科技大學 金屬材料成形理論與技術山西省重點實驗室，山西 太原 030024；2.泰安華魯鍛壓機床有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

研究板材多道次彎卷成形的前提是研究板材單道次彎卷成形，單道次彎卷成形對于彎卷成形工藝質量研究與工序規劃控制也非常重要。預彎和卷圓是三輥水平下調式卷板機單道次彎卷成形的主要工序[1]。板材單道次彎卷成形受工作輥直徑、工作輥位移、工作輥轉速、板材厚度、板材材料特性、板材回彈等多種因素影響，達到精確彎卷成形的目標非常困難[2-4]。

板材彎卷成形實驗很難展開，使用有限元仿真對研究彎卷成形有著巨大的便利性，其在板材彈塑性成形領域是一個不可缺少的工具[5]。動態顯式有限元法與靜態隱式有限元法對解決板材彎曲成形過程中產生的強非線性變形問題、板材變形回彈問題非常有效，本文采用有限元Explicit顯式算法模擬板材三輥連續彎卷成形動態過程，分析影響厚壁筒節單道次彎卷成形質量的工藝參數和關鍵因素。

1 單道次彎卷成形工藝

1.1 水平下調式三輥卷板機工作原理

三輥水平下調式卷板機結構簡圖如圖1所示，上、下工作輥和支承輥組成了三輥卷板機的工作機構，左、右下輥可以在水平方向上調節動作且是剛性連接，上輥可以在豎直方向上進行調節動作，支承輥用來提高彎曲剛度，三輥都可進行順時針、逆時針調節轉動。

圖1 三輥水平下調式卷板機結構簡圖

1.2 單道次彎卷成形工藝過程分析

板材彎卷前、后的形狀及成形后縱向的曲率分布如圖2所示。分析圖2有：

(1) 如圖2(a)所示，將彎厚板材分為A～G六部分，如圖2(c)所示，板材成形后A～G部分縱向曲率分布曲線是對稱的，可以看出在A點附近的曲率出現明顯的連續曲線波動，B點與F點為峰值，這是由于三輥卷板機在結構上上工作輥比其他工作輥直徑大造成的。

圖2 板材彎卷前、后的形狀及成形后縱向的曲率分布

(2)AB、FG段曲率一致為0，B″-C-D-E-F″段曲率一致，為目標曲率。

厚板筒節單道次彎卷成形工藝流程和工作輥位移規劃分為9個階段，如圖3所示，具體分析如下：

圖3(a)為預壓彎工步開始：上工作輥向左運動，上工作輥中心與對稱中心線距離為e，初始工作時，上輥下壓時可實現轉動不受約束而下輥則不能，此時板材位置如圖所示。

圖3(b)為預壓滾工步開始：預壓彎初始上輥下壓，上輥直徑大，造成預壓彎結束為板材不對稱壓彎成形。此時預壓滾工步開始，上輥向上運動且順時針轉動，至圖3(c)預壓滾結束，此時板材位置如圖所示。

圖3(d)為對稱邊預壓彎工步開始：此時工作輥情況與位置與圖3(a)工序中工作輥對稱分布，此時板材位置如圖所示。

圖3(e)為對稱邊預壓滾工步開始：此時工作輥情況與位置與圖3(b)工序中工作輥對稱分布，圖3(f)為對稱邊預壓滾結束，此時板材位置如圖所示。

圖3(g)為板材卷圓滾彎工序開始：與預彎工序不同的是上工作輥反向逆時針轉動，此時板材位置如圖所示。

圖3(h)為板材卷圓滾彎工序結束：與預彎工序不同的是上工作輥反向逆時針轉動且向下運動，此時板材位置如圖所示。

圖3(i)為板材彎卷成形工序結束：板材對接面貼合良好，板材位置如圖所示。

圖3 厚板彎卷成形工藝過程

2 三輥彎卷成形有限元建模

2.1 材料特性參數

為了了解板材在不同受力情況下的變形情況，選取長×寬×高為15 000 mm×2 500 mm×220 mm的Q235鋼進行了拉伸試驗，得到真實材料應力應變曲線，如圖4所示。

圖4 拉伸試驗得到的真實應力應變曲線

2.2 有限元建模

圖5為使用ABAQUS軟件建立的重型三輥水平下調式卷板機的仿真三維模型，上、下輥直徑分別為Φ1 400 mm、Φ850 mm，兩下工作輥中心距為850 mm。

圖5 三輥卷板機三維網格模型

由于工作輥結構簡單、相對滑動量大， 為避免計算復雜及接觸力影響，設置工作輥屬性為Analytical rigid，接觸為finte sliding，對三維模型進行六面體網格劃分，網格質量良好。分析彎卷板材受力后，設置上工作輥摩擦因數比下工作輥摩擦因數大，使用ABAQUS顯式積分法對其進行仿真。

2.3 動作步規劃與輥速度算法

對厚板彎卷成形預彎、卷圓兩道工序分為12個工作步進行仿真模擬，其中動作步1～8為預彎工序，動作步9～12為卷圓工序，對各動作步分析如下：

(1) 預壓彎工步開始：上輥以ω1上旋轉并以速度v1上緩緩壓下，下輥不轉動(ω1下=0)，工作輥動作如圖3(a)→圖3(b)所示。

(2) 預壓滾工步開始(預壓彎工步結束)：下輥自由轉動(ω2下)，上輥以ω2上順時針轉動并以v2上向上移動，工作輥動作如圖3(b)→圖3(c)所示。

(3) 預壓滾工步結束：下輥無轉動(ω3下=0)，上輥無轉動(ω3上=0)，但以速度v3上上升。

(4) 上輥無移動(v4上=0)，但上輥自由轉動(ω4上)，下輥以速度v4下右右移。

(5) 上、下輥無移動，上輥自由轉動(ω5上)，下輥以速度ω5下旋轉。

(6) 上輥無移動(v6上=0)，上輥自由轉動(ω6上)，下輥以速度v6下右右移，工作輥動作如圖3(d)所示。

(7) 對稱邊預壓彎開始：下輥無移動和轉動(ω7下=0)，上輥自由旋轉(ω7上)并以速度v7上壓下，工作輥動作如圖3(d)→圖3(e)所示。

(8) 對稱邊預壓滾開始(對稱邊預壓彎結束)：下輥無移動并自由轉動(ω8下)，上輥以ω8上逆時針旋轉且以速度v8上上移。工作輥動作如圖3(e)→圖3(f)所示。

(9) 對稱邊預壓滾結束:下輥無轉動、上輥無移動(ω9下=0，v9上=0)，上輥自由轉動(ω9上)，下輥以速度v9下右右移。

(10) 滾彎工序開始:下輥無移動和轉動(ω10下=0)，上輥以ω10上旋轉并以速度v10上壓下,工作輥動作如圖3(g)所示。

(11) 滾彎工序結束(滾壓彎復合工序開始)：上、下輥均無移動(v11上=0，v11下=0)，下輥自由轉動(ω11下)，上輥以ω11上旋轉驅動板材，工作輥動作如圖3(h)→圖3(i)所示。

(12) 滾壓彎復合工序結束：下輥無移動并自由轉動(ω12下)，上輥以ω12上旋轉并以速度ω12上恒速下降，工作輥動作如圖3(i)所示。

3 單道次彎卷成形仿真結果分析

使用ABAQUS軟件對厚板彎卷成形預彎、卷圓兩道工序12個工作步進行仿真模擬,仿真結果如圖6(a)～圖6(m)所示。

圖6 三輥彎卷成形模擬仿真工藝過程

圖7為彎卷成形的三維卷筒形狀仿真結果，板材對接面的對接精度較高，徑向對接良好，軸向對接稍有偏差。從工序角度來說：因為在對稱邊預壓、滾彎等工序銜接時，板材容易發生軸向、徑向移動，從而使得板材定位和成形質量受到影響，所以在彎卷成形工序前后要精確控制板材的定位，防止錯位。從另外一個角度來講：出現對正偏差和軸向、徑向錯位情況很難避免，因為板材材料特性、板材回彈影響及工作輥驅動機構的不統一性，導致厚壁筒節對接精度低。

圖7 經彎卷成形的三維卷筒形狀仿真結果

4 結論

采用ABAQUS對厚板三輥單道次彎卷成形工藝進行了數值模擬仿真，結果顯示，選擇合適的工藝參數能夠較好實現厚壁筒節單道次彎卷成形，另外，在上、下輥水平相對位置調整動作完成后，需要對板材嚴格定位，以保障筒節彎卷成形質量。