不同屈服強度及工藝參數對金屬材料高壓成形回彈的影響

陳智勇，周亞飛

（1.上海寶鋼國際經濟貿易有限公司，上海 201900；2.上海寶鋼高新技術零部件有限公司，上海 201900）

為了可以提高金屬材料強度降低厚度，采用封閉截面來提升金屬零件的結構強度，在不改變金屬材料強度的情況下，實現結構性能的提升，提升輕量化效果，本文以金屬材料成形零件為研究對象，采用低壓液壓成形工藝，對金屬材料屈服強度、低壓成形壓力、高壓成形壓力與回彈的關系進行研究，并進行試驗驗證。

1 模擬仿真

1.1 產品幾何分析

金屬材料長寬高分別為2052mm、463mm、204mm，壁厚1.8mm，如圖1所示。管徑根據截面線長變化來確定，通過Autoform軟件對其中心軸線上的截面線長進行分析，確定最大等效直徑為60.9mm，最小等效直徑為60.2mm，考慮設計和成形特征，管徑選擇靠近中間位置的60.3mm，保證正負截面變化率都較小。

圖1 典型截面

1.2 試驗材料

研究用金屬板材材質為超高強鋼，含有質量分數為0.09% 的 C，0.52% 的 Si，2.74% 的 Mn，0.008% 的 P，0.002%的S，屈服強度為684.1MPa，抗拉強度為1110.1 MPa，斷裂延伸率為8.7%，應變強化系數為1568.1MPa，加工硬化指數為0.09。模擬中，采用Ludwik模型：

式中σ為應力；ε為應變；K為應變強化系數；n為加工強化指數。

1.3 有限元模型建立

金屬材料的主要成形工藝為彎管、預成形、低壓內高壓成形，如圖2所示。成形過程的數值模擬軟件采用Autoform，水平缸軸向進給為8mm，最大合模力3000噸，成形壓力值根據分析要求進行調整設定。

圖2 成形工藝

仿真分析有限元模型如圖3所示，采用庫侖摩擦模型，摩擦系數為0.12。

圖3 有限元模型

2 仿真分析結果

回彈量的測量方式，以A零件中間位置固定，測量端部區域的最大值，如圖4所示。

圖4 回彈測量區域

2.1 不同材料屈服強度對回彈的影響

金屬材料屈服強度分別設定為616.1MPa、684.1Mpa、745.0MPa、839.3MPa，同時將成形工藝設定為一致，低壓壓力為10MPa，高壓脹形壓力為120MPa。

通過分析，回彈量隨著屈服強度上升而增加，分別為4.5mm、7.3mm、8.9mm、9.8mm，回彈量和屈服強度呈正相關，如圖5所示。

圖5 不同屈服強度對回彈的影響

2.2 不同低壓壓力對回彈的影響

分析低壓壓力對回彈的影響時，金屬材料屈服強度設定為684.1MPa，高壓壓力設定為120MPa，低壓壓力值分別設定為10MPa、15MPa、20MPa、25MPa。通過分析，隨著低壓壓力值的增加，回彈量逐漸增加，分別為7.3mm、7.5mm、7.6mm、7.8mm，回彈量和低壓壓力值呈正相關，如圖6所示。

圖6 不同低壓壓力對回彈的影響

2.3 不同高壓壓力對回彈的影響

分析高壓壓力對回彈的影響時，金屬材料屈服強度設定為684.1MPa，低壓壓力設定為10MPa，高壓壓力值分別設定為120MPa、150MPa、180MPa、200MPa。通過分析，隨著高壓壓力值的增加，回彈量逐漸減小，分別為7.3mm、7.0mm、6.7mm、6.4mm，回彈量和高壓壓力值負正相關，如圖7所示。

圖7 不同高壓壓力對回彈的影響

3 樣件驗證

3.1 不同屈服強度樣件的回彈量

選取樣件的金屬材料屈服強度分別為616.1MPa、684.1Mpa、745.0MPa、839.3MPa，四種金屬材料的成形工藝設定保持一致，低壓壓力和高壓壓力均為10MPa和120MPa。通過樣件試制和測量，回彈量與屈服強度呈正相關，分別為4.9mm、8.0mm、9.2mm、10.8mm，與仿真分析趨勢一致，如圖8所示。

圖8 實測回彈量與屈服強度關系

3.2 不同低壓壓力樣件的回彈量

金屬材料屈服強度選擇684.1MPa，高壓壓力為120MPa條件下，分別設定低壓壓力為10MPa、15MPa、20MPa和25MPa。通過樣件試制和測量，回彈量隨低壓壓力的增加而增加，分別為8.0mm、8.1mm、8.5mm、8.6mm，與仿真分析趨勢一致，如圖9所示。

圖9 實測回彈量與低壓壓力關系

3.3 不同高壓壓力樣件的回彈量

金屬材料屈服強度選擇684.1MPa、低壓壓力10MPa條件下，分別設定高壓壓力為120MPa、150MPa、180MPa和200MPa。通過樣件試制和測量，回彈量隨高壓壓力的增加而減小，分別為8.0mm、7.9mm、7.4mm、6.8mm，與仿真分析趨勢一致，如圖10所示。

圖10 實測回彈量與高壓壓力關系

4 結論

通過對金屬材料高壓成形的仿真分析和試驗樣件驗證，確定了金屬材料屈服強度、低壓壓力、高壓壓力對零件回彈的影響，同時仿真分析和實際樣件的回彈影響趨勢一致。金屬材料屈服強度與回彈量呈正相關。低壓壓力值與回彈量呈正相關。高壓壓力值與回彈量呈負相關。