高強度鋼板折彎開裂分析及折彎工藝優化

朱 奇，周志紅，唐 琴

(湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208)

某型號長臂架混凝土泵車生產時，臂架結構件上使用的Q960 高強度鋼板在折彎成型時，折彎過程中出現以下問題：①折彎模具下模開口處存在較大的摩擦磨損，造成折彎件尺寸變化；②t5 的鋼板采用上模半徑R20 折彎開裂，采用上模半徑R30 折彎不開裂；③t8 的鋼板采用上模半徑R30 折彎開裂，采用上模半徑R40 折彎不開裂；④t15 的鋼板采用上模半徑R40 折彎，折彎到133°時出現微裂紋。鋼板折彎裂紋宏觀形貌及裂紋分布如圖1、圖2 所示。本文從材料的理化檢驗、折彎工藝、折彎過程受力等方面分析裂紋形成的原因，并提出改進措施及折彎工藝優化方案。

圖1 鋼板折彎裂紋宏觀形貌

圖2 鋼板折彎裂紋分布示意圖

1 材料理化檢驗及結果

本文先從材料的化學成分分析、金相顯微分析、硬度分析等方面查找鋼板折彎開裂的原因。

1.1 化學成分

表1 是樣件化學成分分析表。從中可以看出，實測的鋼板質量分數值與質保要求的質量分數值差別較小。另外，實測的金屬元素P、S 含量也遠低于技術協議要求，說明鋼水純凈度較好。

表1 鋼板質保書與實測的化學成分對比(質量分數)

1.2 金相組織分析

在樣件折彎處外圓切取試樣經處理后觀察顯微組織，從橫、縱向截面組織圖可知，鋼板的金相組織以板條貝氏體為主，含有少量的馬氏體或殘余奧氏體，馬氏體呈板條狀，且組織比較均勻。

1.3 厚度方向顯微硬度

表2 是樣件鋼板厚度方向不同位置的硬度測量值。從中可看出，距裂紋較近位置以及遠離裂紋處的鋼板硬度測量結果沒有明顯差異，鋼板近表面和板厚中心位置硬度值差異不大，這表明鋼板組織連續分布。

表2 厚度方向不同位置的硬度測量值

根據理化檢驗結果，高強度鋼板的化學成分、金相組織、硬度等均符合技術協議和相關標準，鋼板材料特性沒有明顯的異?；蛉毕荨?/p>

2 折彎變形量計算及受力分析

折彎裂紋工藝控制的關鍵是獲得不同板厚t鋼板的最小折彎半徑R和折彎角α、下模寬度W之間的關系，根據t 選擇合適的R、α和W，是控制折彎件裂紋的關鍵所在。不產生折彎裂紋的前提條件是：折彎外圓弧塑性變形量小于材料的塑性變形能力A5。

2.1 折彎外圓弧變形量計算

選擇該型號混凝土泵車臂架上常用的5mm、8mm 和15mm 的Q960 鋼板，計算折彎外圓變形量（表3）。圖3 是根據鋼板折彎的特性參數建立的折彎半徑對鋼板折彎尺寸影響的近似尺寸圖。從表3 可看出，不同板厚鋼板在不同折彎半徑下的折彎效果與實際情況基本是吻合的。

圖3 折彎半徑對鋼板折彎尺寸影響的近似尺寸圖

表3 鋼板折彎外圓弧近似變形量

2.2 折彎過程受力分析

分別對t15 的Q960 鋼板在折彎半徑40mm，折彎角135°和折彎半徑45mm，折彎角135°的情況下進行受力分析，折彎成形的分析模型如圖4 所示。在有限元軟件中模擬實際折彎過程，折彎特性參數根據實際參數設定，采用拉格朗日迭代法對折彎鋼板進行接觸非線性的數值模擬及強度分析，并在折彎鋼板與折彎模具間設置滑動摩擦系數，得到結論為：t15 的Q960 鋼板在折彎半徑40mm，折彎角135°的折彎情況下，鋼板整體最大應力已超過材料的抗拉強度960MPa，折彎處外圓弧局部最大應力913.58MPa 已非常接近超過材料的抗拉強度，這與實際開裂情況相符；在折彎半徑45mm，折彎角135°的折彎情況下，折彎處外圓弧應力雖然較高(724.75MPa)，但未超過材料的抗拉強度，這與實際未開裂情況相符。

圖4 鋼板折彎成形分析模型

3 折彎開裂工藝原因分析及優化

3.1 折彎開裂工藝原因分析

根據對高強度鋼板的折彎變形量計算及折彎過程受力分析，折彎開裂的主要工藝原因如下。

1）材質和板厚折彎所需的最小上模半徑、下模開口尺寸，折彎角度不合適或折彎工藝余量不足導致鋼板開裂。

2）上下模具尺寸不準確，造成鋼板變形協調不一致，致使局部存在較大塑性變形內應力，當應力大于抗拉強度時鋼板開裂。

3）折彎鋼板與下模開口處接觸摩擦力較大，導致鋼板折彎過程中不能自由下滑，其折彎外圓弧面被拉伸而產生更大塑性變形，導致鋼板開裂。

3.2 折彎工藝優化

根據折彎開裂工藝原因分析，提出如下高強度鋼板折彎工藝優化方案。

1）結合設計圖紙、現場工藝，在不影響設計要求的前提下，將折彎半徑適當增大，降低折彎對材料塑性和韌性的要求。因鋼板折彎半徑越小，對材料的延展率要求越高，特別是厚鋼板，如果折彎半徑小于板厚，折彎角度小于90°時，更容易出現折彎裂紋。

2）編制折彎工藝時，注意鋼板軋制方向，盡量使鋼材折彎方向與纖維方向垂直。因有時鋼板橫向的塑性和韌性性能低于縱向，鋼板下料后，如果壓彎的方向與軋制方向垂直時(橫向)，零件在折彎處容易出現折彎裂紋。

3）改善折彎模具，將模具折彎成型的滑動摩擦改為滾動摩擦，減小鋼板的下滑阻力，保證鋼板在折彎時塑性變形的一致性，如圖5 所示。對使用滾動摩擦型模具的Q960 鋼板的折彎過程進行仿真分析，鋼板折彎處內外圓應力有較好的改善(最大應力為642.76MPa)。

圖5 折彎模具中滾輪受力分析示意圖

4）試驗測定最小折彎半徑和最小折彎角。在鋼板正反面上刻畫出網格(以t15 的高強度鋼板為例，如圖6 所示)，通過測量鋼板折彎后外圓弧面上網格之間的距離增加值來確定各處的塑性變形量和鋼板中性層位置，通過計算得到最小折彎半徑和最小折彎角。也可通過影像監控鋼板在折彎過程中折彎外圓弧的裂紋啟裂與外圓弧網格的變化情況來確定最小折彎半徑和最小折彎角。由此，可以制定同一規格鋼板折彎上下模具規格選用的推薦表。

圖6 折彎半徑測量網格分布示意圖

4 結語

1）對折彎開裂的高強度鋼板材料的化學成分、金相、硬度等進行了檢測分析，排除了鋼板折彎開裂的材料原因；從折彎半徑、折彎模具、折彎變形量等方面分析了鋼板折彎開裂的原因。

2）在折彎參數、下料工藝、折彎模具、試驗測定最小折彎半徑和最小折彎角等方面的提出了折彎工藝改進措施。