高強耐磨鋼折彎成形極限研究與應用

余亞克，李曉廣，張東凱

(河鋼集團邯鋼技術中心，河北 邯鄲 056038)

某自卸車邊板由NM400材料經過多次折彎成形得到，由于NM400材料具有較高的強度和硬度，可以提升零件耐磨性，增加零件的服役壽命，但同時也增加了零件的加工難度。尤其是針對大角度的折彎變形，如果折彎模具的尺寸參數設置不合理，易出現開裂問題，造成零件報廢。因此如何通過仿真的手段，研究大角度折彎狀態下，模具關鍵尺寸參數即模具圓角半徑與材料折彎成形極限的關系，成為自卸車邊板成形加工過程中亟待解決的問題。

折彎——金屬板料在折彎機上模和下模的共同作用下，實現局部的塑性變形，得到一定角度的V形零件的加工過程。在折彎過程中，彎曲件的外層受拉應力，內層受壓應力。彎曲件的外層受拉應力經彈性變形然后塑性變形，當材料內部所受的應力值超過材料抗拉強度時，彎曲件出現斷裂問題，直接造成零件的報廢。

1 仿真模型的建立

1.1 CAE模型的建立[1]

基于某車型邊板照片，對比每個位置的折彎角度及對應圓角半徑，分析確定出零件的關鍵成形工序，通過合理簡化，充分提高仿真計算效率。分析零件的折彎角度，充分保證折彎的仿真精度，針對關鍵區域采用三維造型軟件設計出二維的折彎模具及板料模型。將模型分別導入專業的金屬仿真軟件中，設置凹、凸模及板料的屬性，將凹凸模定義為剛體，板料定義為塑性體，對凸模設置運動方式，沿-Y方向運動，速度為200 mm/s，凹模固定不動，模擬步數設定為72，將板料劃分為5000個網格，為進一步提高仿真精度，將板料中間位置大變形區域進行網格的局部細化，可以充分保證變形區域的網格數量及網格尺寸，從而保證仿真精度，如圖1所示，為充分考慮折彎圓角半徑對成形的影響，分別以R=4.2a、R=3a、R=2.1a(板料a=6 mm)，三種圓角半徑為研究對象。

圖1 仿真模型

2 建立材料本構模型

2.1 本構關系擬合

基于試驗所測的力-位移曲線，根據體積不變原理，求解材料的真實應力-真實應變曲線，如圖2所示，由圖2可知真實應力出現下降，表明拉伸試樣出現失穩，體積不變原理失效[2]。

圖2 材料本構模型

對參考圖2中真實應力-真實應變曲線最高點之前的塑性變形段進行擬合，得到材料硬化的本構模型如公式1所示。

(1)

2.2 斷裂閥值求解

結合材料的應力應變曲線塑性應變區間，基于上述本構關系，進行Cockcroft&Latham[3]斷裂失效模型的斷裂閥值的求解，失效模型如公式2所示，按照公式計算得斷裂閥值[1]為0.202。由于所參考的塑性真實應變根據失穩態的真實應變求得，故存在一定誤差，需進行仿真對標。

(2)

3 單向拉伸試驗仿真對標

3.1 拉伸試樣樣本設計

按照試驗標準要求[4]，確定單向拉伸標準試樣基本形狀如圖3，根據矩形截面非比例試樣尺寸標準如表1確定拉伸試樣的幾何尺寸，采用專業的三維造型軟件建立試樣的模型。

圖3 拉伸試樣示意圖

表1 矩形橫截面非比例試樣

3.2 仿真模擬的前處理

根據三維造型軟件中設計的樣件實體造型，生成試樣的仿真模型[5]如圖4，輸出文件的擴展名為.IGS格式，將計算模型導入到專業的金屬仿真軟件中，進行網格劃分，設置載荷、約束和運動方式，并采用硬化模型公式(1)，以現場試驗NM440材料的力-位移曲線為判斷標準。

3.3 單向拉伸仿真模擬的結果

仿真運算導出拉伸力-位移曲線，通過與試驗中的拉伸力-位移曲線對標，如圖5可以看出在拉伸的前半段過程中兩條曲線的吻合度比較高，隨著位移載荷的不斷增加，試樣橫截面不斷減小，拉伸位移增加導致拉伸力不斷加大。當橫截面縮小到一定程度，拉伸力不再增加，反而減小，可以看到仿真曲線出現明顯的縮頸段，對理論求解得到的斷裂閥值進行對標修正；斷裂閥值的最終修正結果為0.22，修正后的力-位移曲線現場試驗的對標結果如圖5所示。進行仿真模擬。

圖4 單向拉伸的仿真模型

圖5 拉伸試驗仿真對標結果

4 仿真結果

針對圓角半徑分別為4.2a、3a、2.1a的90°折彎成形，成形仿真結果如圖6所示，由圖可知3種圓角半徑下斷裂失效最大值分別達0.0974、0.143、93，隨著折彎圓角半徑的減小，斷裂失效值增大；其中針對R=2.1a，折彎成形至103.5°時失效值達到斷裂閥值0.22材料出現開裂，然后失效值急劇增大；針對R=3a、R=4.2a兩種圓角半徑，折彎至90°失效值為超過斷裂閥值0.22，材料未出現開裂。

R=4.2a R=3.0a R=2.1a圖6 折彎成形仿真結果

5 設計零件結構

根據折彎成形的仿真結果，零件的折彎半徑為2.1a時，零件折彎時出現開裂問題，折彎半徑為3a及4.2a時，零件折彎時未出現開裂問題，基于以上仿真結果將零件90°折彎位置圓角半徑設計為4.2a厚度，具體零件如圖7。

圖7 邊板

6 結論

(1)針對折彎成形，經仿真驗證NM400材料(與該材料性能接近的NM450HR)可以滿足采用4.2a的圓角半徑進行90°折彎。

(2)基于修正的本構模型、斷裂模型、斷裂閥值，進行90°折彎成形仿真模擬，得到3種圓角半徑的仿真結果，圓角半徑的大小與失效值Damage呈反相關。

(3)折彎圓角半徑作為影響成形的關鍵參數，其值越小越易出現開裂，針對該材料圓角半徑的臨界值在2.1a與3a之間，考慮到該材料的彈性延伸段和非比例延伸段較大，建議將3a作為臨界值。

(4)折彎圓角半徑作為影響成形的關鍵參數，直接影響折彎到頂角處的失效值，當折彎半徑過小以致失效值超過斷裂閥值時出現開裂。