6061矩形中空型材彎曲成型影響分析*

盧有慶，左慶華，胡 武，廖 斌

(南南鋁業股份有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引 言

合金具有較高比強度、比剛度、優良加工性能及耐性性能[1-2]，是作為汽車輕量化的理想材料。其中，6061鋁合金作為6xxx鋁合金中的典型合金，具有中等強度、塑性及焊接性能，常用作有強度、耐蝕性能要求的結構件及車體結構材料[3-5]。隨著國家輕量化進程逐步推進，鋁合金框架式車身結構以輕質、安全獲得了汽車生產廠商的廣泛關注[6]。車身框架式結構采用較多的彎曲型材，使用彎曲型材不但可減少拼接工序，且其具備更高的整體強度和美學等優勢[7-8]。

然而在彎曲過程中，鋁合金型材除回彈缺陷外，還易發生起皺、截面畸變等缺陷[9-10]。其中回彈可采用試錯法進行解決，然而起皺、截面畸變等缺陷會造成型材截面兩側形成寬度差，不符合平面度要求[11]。截面畸變常用解決方式為型腔填充或更改型材截面(加筋)[12]，其中型腔填充PP、PU及PVC等材料不僅需要增加較大成本，而且重復利用率較低；而型材截面更改較大時則需重新制作擠壓模具，成本較高。筆者以生產中的一款6061中空型材為研究對象，以解決截面畸變為目標，分別分析了填充情況、加筋高度和加筋寬度等對鋁合金彎曲后截面畸變的影響，并提出最適合解決中空矩形型材彎曲后截面畸變的方法，為后續解決類似問題提供數據參考及思考方向。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及設備

試驗材料為6061鋁合金擠壓型材，型材彎曲圖如圖1(a)所示。

圖1 型材彎曲圖及型材截面

該型材彎弧部分橫向間距為450 mm，縱向間距約為270 mm，內弧半徑為250 mm。型材截面外輪廓為60×60 mm中空型材，如圖1(b)所示，彎曲方向上型材壁厚為3 mm。型材彎曲試驗在35T三維滾彎機上進行。

1.2 實驗方案及表征

對型材彎弧內壁面進行加筋，加筋位置及加筋方式如圖2所示，在彎弧內表面均勻加2根凸筋以增加彎弧面抗彎性能，筋高h、筋寬b及填沙情況見表1。采用三軸全自動型橋式三坐標測量機在彎曲后型材同一位置進行測量，測量位置位于內弧最大凹陷處即內彎弧與直線段交界處。為表征型材截面畸變情況，引入下凹率ε0[13]進行量化：

表1 試驗參數

圖2 型材彎曲內弧面加筋示意圖

式中：H為型材高度；h為型材彎曲后型材最小高度。

2 實驗結果及分析

2.1 填沙對截面畸變的影響

首先選擇原始型材研究填沙與否對彎曲后型材截面畸變的影響，填沙與否對截面畸變的影響如圖3所示。可以看出型材下凹高度隨距邊線距離的增加而逐漸增大，在中心部位達到最大值。未填沙型材下凹深度為7.5 mm，對應下凹率為12.5%；填沙后彎曲型材下凹深度下降至4.9 mm，下凹率為8.2%。

圖3 填沙對對截面凹陷高度的影響

型材經填沙彎曲后其截面下凹高度明顯下降，即填沙后型材截面畸變情況得到了較大提升。這表明在彎曲前采用沙填充型材型腔后，在彎曲時可有效支撐型腔內壁，弱化型材內壁經彎曲后失穩引起的截面畸變，從而降低彎曲后型材下凹率。然而，經填沙后彎曲型材截面下凹率雖有所下降，但仍未能下降至可接受范圍。

2.2 筋高對截面畸變的影響

對彎弧內壁加筋可有效防止型材彎曲導致的截面凹陷現象，但凸筋尺寸對彎曲后型材下凹率有明顯影響。當凸筋寬度為4 mm時，不同加筋高度型材經彎曲后截面畸變情況如圖4所示。可以看出型材加筋后可明顯改善其彎曲后截面畸變情況。隨著加筋高度逐漸增加，型材彎曲后截面畸變情況逐漸好轉。筋高為2 mm、4 mm及6 mm型材經彎曲后，測得型材內弧面凹陷高度分別為6.7 mm、6.5 mm和6.4 mm，對應截面畸變率分別為11.2%、10.8和10.7%。

圖4 筋高對截面凹陷高度的影響

型材彎曲起皺主要原因是受壓應力作用產生的壓縮失穩，可通過改善工件受力結構解決。不同筋高加筋的寬厚比一定時，可改善彎曲型材內壁受力情況。隨筋高增加，加筋位置處受力面積增加，同等強度情況下可抵抗更大變形。即筋高增加，型材內壁筋板下凹高度明顯下降，型材彎曲后下凹率降低。

2.3 筋寬對截面畸變的影響

除筋高對型材截面畸變有影響外，筋寬也是一個重要影響因素。筋高6 mm，筋寬分別為4 mm和2 mm型材經彎曲后截面畸變情況如圖5所示。可以看出筋寬對彎曲后型材截面畸變亦有影響，2 mm和4 mm筋寬彎曲后內弧面下凹高度分別為6.9 mm和6.4 mm，內弧面下凹率由11.5%下降至10.7%。

圖5 筋寬對對截面凹陷高度的影響

不同加筋寬度型材在受壓時，通過影響型材寬高比和凸筋彎曲性能以改善彎曲后型材截面畸變情況。筋高一定時，隨筋寬增加，型材寬高比下降。GB 50429中關于彈性臨界屈曲應力的計算公式如下：

式中：k為受壓件局部穩定系數；ν為材料泊松比；b為寬度；t為厚度。

由式可知，寬高比與臨界屈曲應力呈反比，寬高比越小，臨界屈曲應力越大。筋寬使得型材彎曲時截面寬高比下降，提高臨界屈曲應力，從而降低彎曲后型材截面下凹深度。此外，隨筋寬增加，受力面積增加，同等受力情況下型材截面越不易變形，也即是降低型材彎曲后截面畸變率。

2.4 加筋及填沙對截面畸變的影響

如上所述，填沙及加筋均可改善型材內弧面截面畸變情況，但單一方式其改善效果并不理想。為解決該問題，選擇彎曲后型材截面下凹率最低的加筋參數進行填沙試驗(表1方案7)，型材彎曲后截面下凹深度如圖6所示。

圖6 填沙對加筋型材經彎曲后截面凹陷高度的影響

由圖可知，彎曲后加筋型材內弧面下凹高度由不填沙時的6.4 mm下降至1.3 mm，較方案1彎曲后型材下凹高度7.5 mm明顯下降，滿足客戶對下凹高度≤2 mm的要求。

所以，填沙與否對彎曲后型材截面畸變影響最大，加筋參數次之。單一方式均難以達到理想下凹狀態。為適應輕量化大生產應用，在生產成本最低化的前提下，采用加筋+填沙相結合的方式可解決彎曲后型材內壁凹陷情況，型材截面畸變達到客戶要求。該方式不僅對型材重量增加較少，而且兼具易于實現工業化生產、生產成本低等優點。

3 結 語

文中對6061中空鋁型材彎曲后截面畸變問題進行研究，重點探究了截面加筋參數及填沙情況對中空型材彎曲后內弧面截面畸變的影響：填沙中空型材經彎曲后，型材截面下凹率明顯下降；隨加筋高度增加，型材加筋處抗變形能力增加，彎曲后型材截面下凹率逐漸下降；隨筋寬度增加，型材寬高比下降，截面抗變形能力增加，型材彎曲后截面下凹率下降。通過本次研究，掌握了凸筋參數及填沙情況對矩形中空型材彎曲后截面畸變率的影響規律并提出一種解決型材彎曲后截面畸變缺陷的方法，該方法具有型材增加重量少，生產成本低廉優點。