汽車骨架矩形管彎曲成形極限值的研究

文／王翠竹·四川信息職業技術學院現代制造學院

達到極限最大彎曲角度的討論

目的為研究金屬薄壁矩形管件繞彎成形時質量缺陷的截面畸變形式，對管件的寬度擴展率、中面高度縮減率、壁厚減薄率三者進行定義都參考文獻。研究材料為JAC590Y，是汽車車身結構中常用的一種高強鋼材料，屈服強度為395MPa，抗拉強度為615MPa，密度為7850kg·m-3，泊松比為0.28。采用有限元DYNAFORM 軟件，此軟件中自帶JAC590Y 材料數據，在繞彎成形中可將其應力應變關系擬合為σ=1033ε0.204。

根據之前的研究，彎厚比R/t0為120 時，其寬度擴展率λ、壁厚減薄率Δ1的數值遠遠超出管件彎制合格件的要求，對此僅針對彎厚比R/t0為120 時，討論彎制合格件的前提下，最大程度能彎曲多少度。其中選定的管坯尺寸、工藝參數等都參考筆者文獻，研究其寬度擴展率λ、中面高度縮減率η、壁厚減薄率Δ1。

彎曲角α 對管件彎曲段λ 的影響

圖1 為矩形管在6 種彎曲角下彎曲成形后其側板沿寬度方向的位移云圖，隨著彎曲角不斷減小時，矩形管截面兩側板變形逐漸出現在彎曲段的后段，無論管坯彎曲角度大小，其兩側板變形基本對稱，從而變形數據絕對值大小基本一致。

圖1 矩形管在6 種彎曲角下側板寬度方向的位移云圖

根據定義的寬度擴展率公式λ ＝ω1/ω0-1，得出當彎曲角為180°時，λmax在19%左右，隨著彎曲角逐漸減小到60°時，λmax在10%左右，彎曲角度下降到120°區間范圍，λmax僅下降了9%左右。但當彎曲角從60°下降到30°區間時，λmax數值降到4%，彎曲角減小30°的同時λmax下降5%左右，對比之前的下降速度，此時數值出現了斷崖式的減小。以上說明，在彎厚比R/t0為120，彎曲到60°之前時，兩側寬度向外變形程度差不多，而當彎曲角減小到30°時，矩形管截面畸變的很小。

彎曲角α 對管件彎曲段Δ1 的影響

從圖2 可以看出，管坯壁厚減薄的最大位置均在兩側板與頂板的交角處，不管矩形管彎曲角度的取值大小，矩形管中最大壁厚減薄率Δ1max均出現在截面角φ約為20°，區別在于彎曲角度越大，壁厚減薄率Δ1越大。

圖2 6 種彎曲角下矩形管的壁厚減薄率云圖

由圖3 中Δ1max與α 之間的關系曲線可知，當彎曲角從180°變化到60°時，Δ1max從32.317%下降到25.238%，其下降值在7%左右；當彎曲角從60°變化到30°時，Δ1max從25.238%下降到20.33%，下降值在5%左右。對比其中規律可以看出，在R/t0=120 時，盡管彎曲半徑值為120mm 時數值相對很大，但此時的矩形管壁厚為1mm，彎曲到30°對管坯成形質量最好，因此影響壁厚減薄率與彎曲角度的關系重點在于管坯壁厚大小。對此，在實際選材中要想進行大角度彎曲時，符合材料屬性的同時盡量不選用壁厚較小的管坯。

圖3 Δ1max 與α 之間的關系曲線

彎曲角α 對管件彎曲段η 的影響

由圖1、圖2 可知，彎曲角為180°和150°時，矩形管彎曲段中的兩側板寬度方向畸變嚴重，頂板嚴重塌陷，呈現凹凸不平的表面。結合材料屬性綜合得出，此時彎制出的管件已是不合格成品件，管坯彎曲段中面高度縮減率η 僅從彎曲角為120°～30°區間進行討論，得出如圖4 所示的η 與φ的關系曲線規律。

圖4 η 與φ 的關系曲線

從圖4 可知，當彎曲角α ＝120°和90°時，其中面高度畸變規律一樣，中面高度縮減率η 均在截面角φ約為50°～70°、110°和約為30°～40°、70°的區間彎管段出現最大值，這兩種工況都是進行大角度彎曲，其最大中面高度縮減率ηmax出現在管坯后段，即在未有芯棒與芯頭支撐的地方和管坯前段，而且兩者的最大中面高度縮減率ηmax的值相差不大。當彎曲角α ＝60°和30°時，此時進行小角度彎曲，中面高度縮減率η 均在截面角φ約為40°和15°的位置出現最大值，此時既可以看作芯棒與芯頭未支撐的地方，其也是管坯的前段，說明影響管坯頂板和底板向內凹陷的主要原因在于芯棒與芯頭的支撐，但在彎曲到30°時，最大中面高度縮減率ηmax的值遠遠小于彎曲到60°時的情況。

與在前面討論彎曲角對管件彎曲段λ 和Δ1的影響規律一樣，都是在彎曲角為30°時，λ 和Δ1的數值呈急劇下降狀態，說明管坯厚度t0為1mm 時，想要彎制出質量好的產品，盡量彎曲角在30°以下。

結論

⑴在實際高強鋼矩形管中，當追求車身的輕量化發展時定會選擇越輕的管坯參數，在選擇質量輕的管坯時定要考慮其最大彎曲角度，運用JAC590Y 矩形管時成形件質量較好，最大彎曲度應控制在30°左右。

⑵分析管坯的壁厚減薄率Δ1云圖和中面高度縮減率η 數值得出：最大值均出現在管坯彎曲段的后段(大角度彎曲時是后段，小角度彎曲時，后段也可以看作前段)，影響兩者值的最大因素在于芯棒與芯頭對管坯的支撐。