薄板V形折彎回彈的實驗及數值模擬研究

羅少敏，賈 赟，羅文波

(貴州理工學院 航空航天工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

鈑金折彎是板料在模具壓力作用下發生彈性變形和塑性變形，最終獲得所需零件的一種加工工藝，廣泛應用于汽車、航空航天以及其他工業生產。由于板料剛性較小，回彈是折彎成型中無法避免的，回彈量的預測是產品加工、裝配和質量控制的重要方面。

折彎回彈與板料材料、板料幾何參數、模具尺寸、折彎工藝參數等密切相關。國內外學者從理論、實驗及仿真分析等方面開展了相應的研究。王飛等[1]通過建立簡化模型，對板料的成形和回彈過程進行有限元仿真試驗，分析了材料彈性模量和硬化指數、板料厚度、下模具開口寬度、上模具圓角半徑及潤滑條件對回彈的影響；陳剛等[2]用有限元分析和實驗相結合的方法研究WELDOX960高強度鋼板折彎過程中材料厚度、下模開口、上模圓角半徑、折彎角度等參數對回彈的影響，并發現了回彈角度的規律；余亨等[3]建立簡化模型，用有限元仿真對不銹鋼板料的成形和回彈過程進行研究，分析了彈性模量、板料厚度、下模具圓角半徑、摩擦因數對折彎回彈的影響；竇龍龍[4]基于建立的V形自由折彎模型，對折彎與回彈過程進行仿真計算，分析板厚、材料彈性模量和模具的上模圓角半徑、下模圓角半徑和開口寬度等對回彈的影響；歐陽代武等[5]對包括材料性能參數、板料厚度、折彎圓角、折彎深度等影響參數進行分析與研究，通過ANSYS軟件分析回彈影響參數對回彈角度的影響程度，并提出了幾種減小回彈的控制措施，為鈑金折彎回彈進行前期預防提供了參考依據；張伯榮等[6]對航空材料進行折彎回彈分析，分析了鋁制殼體在加工中產生回彈的原因，并列出影響因子，用有限元仿真分析回彈的影響，優化模型，為實際加工提供了重要的參考。鄭淇文等[7]以Strenx960鋼為對象，研究了板料厚度、凸模圓角半徑、摩擦因數以及沖壓速度等工藝參數對折彎質量的影響，同時建立了有限元模型進行工藝方案的優化設計。魏子豪等[8]同樣以Strenx960鋼為對象進行了類似的研究。

本文以1060鋁合金和Q235鋼板料為對象，進行了不同影響參數的V形折彎實驗，獲得了板料回彈量。采用ANSYS有限元分析軟件對板料折彎和回彈過程進行仿真分析，研究了保壓時間、板料厚度、Y行程(下壓量)及材料對回彈的影響規律，為板料折彎成型及質量控制提供參考。

1 折彎實驗研究

1.1 實驗條件

選取1060鋁合金和Q235鋼板材進行折彎實驗，尺寸規格為50 mm×100 mm。折彎設備為江蘇國力鍛壓機床有限公司的WC67K數控折彎機。實驗過程中，攝像頭拍攝獲取整個折彎過程，通過圖像處理獲得薄板折彎卸載前角度和卸載后角度(如圖1所示)。同時，為研究不同參數對回彈的影響，還進行了不同保壓時間、不同Y行程(下壓量)、不同板料厚度以及不同材料的實驗。

圖1 薄板折彎卸載前、后的角度

1.2 實驗結果分析

1.2.1 保壓時間的影響

保壓時間是材料折彎后上模與板料繼續接觸的時間。保壓時間分別選取2 s、3 s、4 s、5 s和6 s，實驗測得的Y行程為70 mm時2 mm厚鋁合金板卸載前、后角度及回彈量如圖2所示。

圖2 保壓時間對回彈量的影響

由圖2可以看出：卸載前角度在101.8°～103.8°范圍內，卸載后角度在107.0°～108.9°范圍內，卸載前、后的角度隨著保壓時間的增大而減小，但變化不大；回彈量在5.1°～5.3°范圍內變化，回彈量隨著保壓時間的增大略有增大，但總體而言保壓時間對回彈量的影響較小。

1.2.2Y行程的影響

Y行程是折彎機上模豎直方向的行程，通過適當的計算可以轉換為下壓量，直接影響板料的折彎角度。Y行程分別選取60 mm、65 mm、70 mm和75 mm，1 mm厚鋁合金板保壓2 s時折彎實驗測得的卸載前、后角度及回彈量如圖3所示。

圖3 Y行程對回彈量的影響

從圖3可以看出：卸載前角度和卸載后角度隨著Y行程的增大而減小；Y行程(或下壓量)對回彈角度的影響較大，鋁合金板回彈量隨著Y行程(或下壓量)的增大而增大。

1.2.3 厚度的影響

板料的幾何尺寸參數中厚度是影響回彈的重要因素。選取厚度分別為0.5 mm、1 mm、2 mm的鋁合金板在Y行程為70 mm、保壓2 s下進行折彎實驗，實驗測得的卸載前、后角度及回彈量如圖4所示。

圖4 板料厚度對回彈量的影響

從圖4可以看出：同一下壓量時0.5 mm厚鋁合金板料卸載前的角度最小，而卸載后的角度最大；同時，明顯可見卸載后的角度隨著厚度的增加而減小；回彈量隨著板料厚度的增加逐漸減小，厚度對回彈量的影響較大。

1.2.4 材料的影響

由于材料性質的不同(如彈性模量、硬化指數)，板料折彎后的回彈也表現出一定的差異性。選取1 mm厚度的鋁合金板料和Q235鋼板進行折彎實驗，折彎實驗數據見表1，實驗測得的回彈量如圖5所示。

圖5 材料對回彈量的影響

從表1可以看出：相同厚度和相同下壓量下，1060鋁合金板的卸載前和卸載后的角度以及回彈量均大于Q235鋼板。分析其主要原因是由于Q235鋼的彈性模量大于1060鋁合金，彈性模量越大，回彈量越小。

表1 不同材料折彎實驗數據

從圖5可以看出，在相同Y行程下，1060鋁合金板的回彈量比Q235鋼板大；同時在Y行程小于75 mm時，鋁合金的回彈量隨著下壓量的增加而增大；而在Y行程小于70 mm時，Q235回彈量隨著下壓量的增加而增大，在Y行程大于70 mm后，Q235回彈量隨著下壓量的繼續增加開始減小，說明Q235在相同模具開口寬度和下壓量下的回彈量更加敏感。這進一步說明材料的性質對回彈量影響較大。

2 薄板折彎仿真分析

采用ANSYS Workbench建立V形折彎的幾何模型并建立對應的有限元模型，共得到9 279個網格，上、下模及板料之間設置摩擦，上模施加位移載荷，下模施加固定約束，板料施加Z向位移約束。板料折彎有限元模型如圖6所示。

圖6 板料折彎有限元模型

對2 mm厚鋁合金板料在Y行程為70 mm、保壓時間為2 s時的折彎進行仿真，結果如表2所示。通過對比實驗與仿真結果可知，回彈前、后的角度誤差皆小于10%，回彈量的差值為1.3°。不同影響因素下有限元仿真結果與實驗對比如圖7所示，實驗與有限元仿真的結果基本一致。兩者趨勢相同，誤差在一定的范圍內。

圖7 仿真與實驗對比

表2 實驗與仿真結果對比

在保壓時間里，上模的位置沒有發生變化，板料的折彎角度也沒有發生變化，此時為回彈前的角度，圖8(a)為此狀態下的應力云圖，可以看到此時板料中間彎曲角部分的應力接近最大值，應力為177.2 MPa，應力向外逐漸變小。在上模離開后，板料開始回彈，彎曲產生的彈性變形消失，只有塑性變形，形成彎曲件，圖8(b)為回彈后的應力云圖，結合圖9可以看出應力的最大值為99.72 MPa。結合下壓量加載時間歷程(見圖10)判斷，在板料開始折彎后0.1～0.2 s之間，應力值的變化較大；在保壓時間1.4 s～3.4 s里，應力為最大值，并且沒有變化；在3.4 s～3.5 s左右，上模回程，直至上模與板料沒有接觸，板料發生回彈，并且應力變化較大；在3.5 s后，曲線水平，板料在這段時間里回彈幾乎沒有變化，折彎角度趨于穩定。

圖8 回彈前后鋁合金板料應力云圖

圖9 折彎過程最大應力的變化

圖10 下壓量時間歷程

3 結論

通過折彎實驗和有限元仿真對1060鋁合金和Q235鋼板料V形折彎回彈進行了分析，研究了保壓時間、板料厚度、Y行程及材料對回彈的影響規律。分析結果如下：

(1) 保壓時間對回彈量的影響較小。

(2) 卸載后的角度隨著厚度的增加而減小，回彈量隨著板料厚度的增加逐漸減小，厚度對回彈量的影響較大。

(3) 卸載前角度和卸載后角度隨著Y行程(或下壓量)的增大而減小。1060鋁合金回彈量隨著Y行程(或下壓量)的增大而增大。Q235回彈量隨著Y行程(或下壓量)的增大呈現先增大后減小的趨勢。

(4) 材料屬性對回彈量影響較大。相同條件下，1060鋁合金板卸載前和卸載后的角度以及回彈量均大于Q235鋼板，說明Q235在相同模具開口寬度和下壓量下的回彈量更加敏感。