摘要：以某U型槽鋼的輥彎成形為例，比較了經驗公式、專業軟件COPRA和數值模擬進行輥彎成形工藝設計的特點。發現現有經驗公式均有一定的適用范圍，一些公式求解結果的誤差很大；利用COPRA軟件可以得到對實踐具有參考價值的結果，結合經驗公式可提高分析效率。數值模擬功能強大，信息完整，但操作的要求較高，且分析計算效率較低。

關鍵詞：輥彎成(cheng)形；工藝分析；COPRA；數值模(mo)擬

輥(gun)(gun)彎(wan)(wan)成(cheng)形(xing)是通過順序配置的(de)(de)(de)多道次(ci)具有特(te)定(ding)輪廓型面(mian)的(de)(de)(de)成(cheng)形(xing)軋(ya)輥(gun)(gun)，把(ba)金屬(shu)卷材(cai)或單張板(ban)材(cai)逐漸(jian)地進行橫向彎(wan)(wan)曲，以制成(cheng)特(te)定(ding)斷面(mian)的(de)(de)(de)長(chang)條型材(cai)。輥(gun)(gun)彎(wan)(wan)變(bian)形(xing)復雜，成(cheng)形(xing)質(zhi)量受軋(ya)輥(gun)(gun)速度(du)、成(cheng)形(xing)道次(ci)數、道次(ci)間(jian)距、成(cheng)形(xing)彎(wan)(wan)曲角(jiao)等眾多因素的(de)(de)(de)影響(xiang)。這(zhe)方面(mian)已(yi)進行許多研究，如QVBui[1]等分(fen)析(xi)模擬了(le)輥(gun)(gun)彎(wan)(wan)成(cheng)形(xing)過程(cheng)，把(ba)縱向壓力(li)和(he)位移軌跡的(de)(de)(de)模擬結果(guo)與(yu)實驗(yan)結果(guo)進行對比(bi)，發現屈(qu)服極限和(he)加工硬化對質(zhi)量影響(xiang)很大。Bhattacharyya，Smith[2-3]研究了(le)單輥(gun)(gun)和(he)多輥(gun)(gun)情況變(bian)的(de)(de)(de)變(bian)化。鄭軍興等[4-5]研究了(le)板(ban)厚、成(cheng)形(xing)道次(ci)對冷(leng)彎(wan)(wan)成(cheng)形(xing)過程(cheng)及回彈的(de)(de)(de)影響(xiang)；付磊(lei)分(fen)析(xi)了(le)軋(ya)輥(gun)(gun)間(jian)距對冷(leng)彎(wan)(wan)成(cheng)形(xing)的(de)(de)(de)影響(xiang)。

輥(gun)(gun)彎(wan)(wan)變形復雜(za)，輥(gun)(gun)彎(wan)(wan)成形規律尚未被完全掌(zhang)握和(he)認識。目前輥(gun)(gun)彎(wan)(wan)型(xing)鋼的(de)工(gong)藝設(she)計(ji)(ji)多以(yi)經驗設(she)計(ji)(ji)為主(zhu)，有必要(yao)進(jin)一步探(tan)索高(gao)效、準確的(de)設(she)計(ji)(ji)途徑。本文(wen)以(yi)某U型(xing)槽鋼的(de)輥(gun)(gun)彎(wan)(wan)成形為例，比較了(le)采用經驗公(gong)式、專業(ye)設(she)計(ji)(ji)軟件COPRA以(yi)及數值模擬進(jin)行冷(leng)彎(wan)(wan)成形工(gong)藝設(she)計(ji)(ji)的(de)特點。

1 輥彎(wan)成形U型鋼參數(shu)

U型鋼如圖(tu)1所示，材料采用屈服強(qiang)度為418MPa的高強(qiang)度鋼，板厚為4mm，彎曲角(jiao)度90°。

2 經驗公式分析

2.1道次數

小奈弘[7]根據實際生產(chan)所(suo)用的(de)各種斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)型材與成(cheng)形(xing)道次數(shu)，整理出了對(dui)稱斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)、非對(dui)稱斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)、寬(kuan)幅(fu)斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)和圓管的(de)成(cheng)形(xing)因子(zi)Φ與成(cheng)形(xing)道次N的(de)關(guan)系。定義(yi)對(dui)稱斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)的(de)成(cheng)形(xing)因子(zi)Φ是斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)總彎(wan)曲角數(shu)n、板(ban)厚t及(ji)左(zuo)右(you)立邊長度和F之積。由(you)于底(di)部腹(fu)板(ban)只送(song)斷(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)型材，不參與彎(wan)曲，故形(xing)狀因子(zi)不包括腹(fu)板(ban)寬(kuan)度。

根據圖1所示的斷面形狀與尺寸(cun)，全立邊長度(du)F=2×250mm，全彎曲角數n=2，板厚t=4mm則形狀因子(zi)函數:

Φ=Fnt=4000

將形狀因(yin)子(zi)函(han)數與文獻[7]中圖2對比，Φ值(zhi)大于圖中最大值(zhi)，所以不宜采用。

治·哈姆斯(si)[8]提出了如下的道(dao)次(ci)計算經驗(yan)公式(shi)：

式中(zhong)：N為(wei)道(dao)次(ci)數(shu)；h為(wei)最大截面(mian)高度(du)(du)；t為(wei)材料厚度(du)(du)；θ為(wei)成形(xing)基準一側成形(xing)的(de)總角度(du)(du)數(shu)；Y為(wei)屈服應力；U為(wei)抗拉強度(du)(du)；z為(wei)預沖孔(kong)和板料連接(jie)系數(shu)；s為(wei)形(xing)狀系數(shu)；e為(wei)額外增加道(dao)次(ci)數(shu)；f為(wei)公差系數(shu)。將圖1參(can)數(shu)(其中(zhong)h=250mm，t=4mm，θ=1°，z=0，s=1，e=0，f=0)代入(ru)式(1)，得N=130.139。顯然該數(shu)值過大。

趙艷紅(hong)利用成(cheng)形角法給(gei)出確定成(cheng)形道次數N的基本方法[9]：

N=（H/L）cotθ （2）

式中：彎曲高度H=250mm，機架間距L=1300mm，成形角θ=1.5°，可得N=7.34。取N=8，該道次數(shu)比較符合實際情況。

可見，以上(shang)經驗公式均(jun)有一定(ding)的適用范(fan)圍，一些公式的道次數(shu)求解(jie)結果誤差很大。

2.2彎曲角分配

各道次彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)角(jiao)的分配由板厚、道次間距(ju)、機(ji)架間距(ju)、變(bian)形(xing)(xing)速度(du)、總變(bian)形(xing)(xing)量(liang)等(deng)因素(su)決定。成形(xing)(xing)初期取(qu)較小的彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)角(jiao)以避(bi)免(mian)強迫咬入，中(zhong)期則(ze)應(ying)避(bi)免(mian)由于彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)角(jiao)分配不均而造成帶(dai)坯局(ju)部異(yi)常變(bian)形(xing)(xing)以及表面劃傷，后期采(cai)用較小變(bian)形(xing)(xing)量(liang)以防(fang)止(zhi)回彈。可采(cai)用余(yu)弦(xian)曲(qu)(qu)線來(lai)分配彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)角(jiao)[9]：

式(shi)中：N為(wei)道(dao)次數；θs為(wei)單邊總(zong)彎(wan)曲(qu)角度；θi為(wei)第(di)i道(dao)次的(de)彎(wan)曲(qu)角。由此，可(ke)求出圖1制件(jian)成形彎(wan)曲(qu)角的(de)分(fen)配方案(表1)。

2.3過彎(wan)角(jiao)度的計算

為了防(fang)止切口變形，在最終道次前設置(zhi)過彎軋輥，可采用過彎角度實驗公式(shi)[7]：

式中(zhong)：θopt為最終彎(wan)曲角；H為邊腿高度；t為板(ban)料厚度。

3 COPRA工藝優化

COPRA是冷彎(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)成形設計軟件系統，需(xu)要與Au—toCAD配合(he)使(shi)用(yong)。COPRA提供了定(ding)半(ban)徑法(fa)，定(ding)中(zhong)線(xian)長度法(fa)，軌(gui)跡法(fa)，角(jiao)度/半(ban)徑法(fa)四種(zhong)不同的(de)(de)(de)(de)(de)彎(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)展開方(fang)(fang)法(fa)。展開方(fang)(fang)法(fa)取(qu)決于(yu)需(xu)成形的(de)(de)(de)(de)(de)斷面，常(chang)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)是定(ding)中(zhong)性(xing)線(xian)法(fa)或定(ding)半(ban)徑法(fa)。每個(ge)彎(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)實體每個(ge)彎(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)實體都由內半(ban)徑、彎(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)角(jiao)以(yi)(yi)及中(zhong)性(xing)線(xian)長度來(lai)描述。本例(li)中(zhong)材料為(wei)高強度鋼，成形回(hui)彈(dan)(dan)較大，采用(yong)定(ding)半(ban)徑法(fa)可(ke)以(yi)(yi)減小回(hui)彈(dan)(dan)。輸入(ru)相應(ying)(ying)(ying)參數到(dao)COPRA，模擬(ni)(ni)結果如圖(tu)2。可(ke)以(yi)(yi)看出(chu)，大部分道(dao)次的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)變(bian)接近于(yu)2%，需(xu)要適當降低。圖(tu)3為(wei)優化后的(de)(de)(de)(de)(de)模擬(ni)(ni)結果，各道(dao)次彎(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)角(jiao)如表2。可(ke)以(yi)(yi)看出(chu)，各個(ge)道(dao)次的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)變(bian)均小于(yu)0.6%，應(ying)(ying)(ying)變(bian)效果比較理想。選擇(ze)BISWAS過(guo)彎(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)對最(zui)后道(dao)次計算(suan)回(hui)彈(dan)(dan)，得到(dao)最(zui)終彎(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)曲(qu)角(jiao)度為(wei)100.38°，與經驗公式計算(suan)結果吻合(he)。

4 數值模擬

4.1模擬方案

多道(dao)次輥彎成形有限元模(mo)型規模(mo)大(da)，邊界(jie)條(tiao)件復雜(za)，是一個(ge)高度(du)非(fei)線性準(zhun)靜態問題，應用動(dong)力(li)顯式算(suan)法計(ji)算(suan)較合適。模(mo)擬在Abaqus軟(ruan)件中(zhong)進行，彎曲(qu)角按表(biao)2進行。塑性變(bian)形要考慮加工硬(ying)化(hua)的(de)影(ying)響，因此，采用加工硬(ying)化(hua)的(de)塑性數(shu)(shu)據表(biao)征(zheng)硬(ying)化(hua)方(fang)程(cheng)：σp=K(ε0+ε)n。式中(zhong)：k為(wei)材料系數(shu)(shu)；ε0為(wei)初始應變(bian)；ε為(wei)應變(bian)；n為(wei)硬(ying)化(hua)指數(shu)(shu)。摩擦(ca)模(mo)型采用從(cong)靜態摩擦(ca)系數(shu)(shu)到動(dong)態摩擦(ca)系數(shu)(shu)的(de)指定衰減(jian)模(mo)型，數(shu)(shu)學表(biao)達式為(wei)：

式中：動摩(mo)擦系數μk=0.2；靜(jing)摩(mo)擦系數μs=0.3；衰(shuai)減系數dc=1.5；γeq為(wei)滑移率(lv)。采(cai)(cai)用細(xi)網格劃分的(de)線性(xing)減縮(suo)積分單元(yuan)。軋輥和板料(liao)的(de)接觸采(cai)(cai)用面(mian)(mian)－面(mian)(mian)模(mo)型。為(wei)縮(suo)短計算時間，在模(mo)擬中將板料(liao)成形速度(du)設置(zhi)(10m/s)大于實際(ji)。

4.2模(mo)擬(ni)結(jie)果與分析(xi)

圖4、5分別(bie)為(wei)第(di)(di)1道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)板(ban)(ban)(ban)料(liao)咬(yao)入過(guo)程圖和(he)第(di)(di)2道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)強迫(po)成(cheng)形圖，箭頭為(wei)板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)的(de)運(yun)動方向(xiang)(xiang)。圖6曲(qu)(qu)(qu)線A為(wei)圖4位置的(de)等(deng)效(xiao)應力(li)(li)分布。可以看出(chu)(chu)，第(di)(di)1道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)咬(yao)入過(guo)程中(zhong)，板(ban)(ban)(ban)帶(dai)前(qian)端(duan)與滾輪(lun)相接觸的(de)部(bu)分受(shou)(shou)(shou)力(li)(li)很大(da)(da)(da)，未接觸部(bu)分由(you)(you)前(qian)向(xiang)(xiang)后(hou)受(shou)(shou)(shou)力(li)(li)逐漸減小(xiao)。由(you)(you)于(yu)前(qian)端(duan)受(shou)(shou)(shou)孔(kong)型(xing)(xing)(xing)作(zuo)用發生彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)(qu)，帶(dai)動板(ban)(ban)(ban)料(liao)兩側(ce)逐漸彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)(qu)變(bian)形。當自(zi)由(you)(you)端(duan)運(yun)動到第(di)(di)2道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)滾輪(lun)時(shi)，由(you)(you)于(yu)受(shou)(shou)(shou)第(di)(di)1道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)推動和(he)第(di)(di)2道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)滾輪(lun)對型(xing)(xing)(xing)材(cai)(cai)的(de)摩擦力(li)(li)，自(zi)由(you)(you)端(duan)被(bei)逐漸咬(yao)入第(di)(di)2道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)孔(kong)型(xing)(xing)(xing)中(zhong)。曲(qu)(qu)(qu)線B為(wei)圖5的(de)等(deng)效(xiao)應力(li)(li)分布。可以看出(chu)(chu)，自(zi)由(you)(you)成(cheng)形區(qu)前(qian)端(duan)受(shou)(shou)(shou)力(li)(li)較大(da)(da)(da)，由(you)(you)前(qian)向(xiang)(xiang)后(hou)受(shou)(shou)(shou)力(li)(li)逐漸減小(xiao)。這(zhe)是(shi)由(you)(you)于(yu)后(hou)一道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)孔(kong)型(xing)(xing)(xing)彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)(qu)角比前(qian)一道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)大(da)(da)(da)，前(qian)一道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)孔(kong)型(xing)(xing)(xing)主要起約束(shu)作(zuo)用，后(hou)一道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)孔(kong)型(xing)(xing)(xing)主要對型(xing)(xing)(xing)材(cai)(cai)施加力(li)(li)使其再(zai)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)發生彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)(qu)。另(ling)外(wai)，輥(gun)的(de)前(qian)端(duan)受(shou)(shou)(shou)力(li)(li)大(da)(da)(da)小(xiao)和(he)區(qu)域(yu)均達到最(zui)大(da)(da)(da)值(zhi)，型(xing)(xing)(xing)材(cai)(cai)被(bei)拋出(chu)(chu)后(hou)，受(shou)(shou)(shou)力(li)(li)又逐漸減小(xiao)。所以板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)經(jing)(jing)過(guo)第(di)(di)2道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)時(shi)的(de)應力(li)(li)整體上明顯大(da)(da)(da)于(yu)經(jing)(jing)過(guo)第(di)(di)1道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)時(shi)的(de)應力(li)(li)。其它(ta)道(dao)(dao)(dao)次(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)應力(li)(li)變(bian)化趨勢(shi)和(he)曲(qu)(qu)(qu)線B類似，但應力(li)(li)會隨著彎(wan)(wan)曲(qu)(qu)(qu)角度的(de)增(zeng)加而(er)逐漸增(zeng)大(da)(da)(da)。

圖(tu)(tu)7為(wei)板(ban)(ban)材在(zai)同(tong)一截(jie)面上(shang)(shang)不同(tong)單元隨(sui)時間(jian)變(bian)(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)等(deng)效(xiao)應變(bian)(bian)(bian)曲線(xian)圖(tu)(tu)。曲線(xian)C、D為(wei)板(ban)(ban)材彎角(jiao)處的(de)(de)等(deng)效(xiao)應變(bian)(bian)(bian)，曲線(xian)E為(wei)板(ban)(ban)材中部某單元的(de)(de)等(deng)效(xiao)應變(bian)(bian)(bian)。可知(zhi)，板(ban)(ban)材兩邊(bian)彎角(jiao)處應變(bian)(bian)(bian)隨(sui)時間(jian)不斷(duan)增加。曲線(xian)E說明板(ban)(ban)材中部未產生塑性應變(bian)(bian)(bian)或應變(bian)(bian)(bian)很小。圖(tu)(tu)8為(wei)板(ban)(ban)材在(zai)彎角(jiao)處同(tong)一單元表面寬度方向(xiang)隨(sui)時間(jian)變(bian)(bian)(bian)化(hua)的(de)(de)等(deng)效(xiao)應變(bian)(bian)(bian)曲線(xian)圖(tu)(tu)。由圖(tu)(tu)可知(zhi)，上(shang)(shang)下表面的(de)(de)應變(bian)(bian)(bian)均隨(sui)著時間(jian)的(de)(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)而不斷(duan)增大，下表面(曲線(xian)F)的(de)(de)應變(bian)(bian)(bian)比上(shang)(shang)表面(曲線(xian)G)要大，且應變(bian)(bian)(bian)增速也大于上(shang)(shang)表面。

5 結語

研究發現，現有經驗(yan)公(gong)式(shi)均有一(yi)定的(de)使用范圍，一(yi)些(xie)公(gong)式(shi)求(qiu)解(jie)結(jie)果的(de)誤差很大(da)；利(li)用COPRA軟件可以得到對(dui)時間具有參考價值的(de)結(jie)果，使用時可結(jie)合經驗(yan)公(gong)式(shi)以提高分析效率。數(shu)值模擬功能強大(da)，所得信(xin)息完(wan)備，但對(dui)操(cao)作的(de)要(yao)求(qiu)較(jiao)(jiao)高，且(qie)分析計算效率較(jiao)(jiao)低。

總計0頁 [ ]上一頁 下一頁第0頁