型材压弯过程典型问题分析及处理

型材压弯过程典型问题分析及处理

付炳欣 ,张祥杰 ,陈伟涛

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市  266000

摘要:压弯是型材成型常见的工艺方法，本文以实际生产中某一型材的压弯过程为研究对象,运用有限元分析方法，分析了材料内部的应力应变分布情况，找出影响成型质量的主要因素，总结出这些因素对成型质量的影响规律，结合模压试验，最终获得合格零件。

关键词: 型材  压弯  数值分析

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1 引言

    型材具有较高刚度且能满足设计轻量化需求，因而广泛应用于航空航天、飞行器、汽车、轨道车辆等的骨架零件中。型材弯曲常见的方法有拉弯、滚弯、绕弯、推弯、压弯等。压弯成形零件的特点短而小，不适合拉弯或滚弯成形。此方法最大的优点在于其简单易行，无需特殊的成形设备，设备和模具的投资较小，生产效率高，满足产品的多样化需求，因此压弯成型法在工业生产中的应用比较广泛。

    传统的型材弯曲工艺设计，主要是依赖设计者的经验，需要经过反复的调试过程来完成。随着计算机的应用和发展以及有限元技术的成熟，计算机模拟和分析在产品设计制造中发挥着越来越重要的作用。该技术能够减少试模次数，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，己逐渐成为模具设计及优化的重要手段。

    本文以轨道车辆某零件的压弯过程为研究对象，运用有限元分析方法，分析了型材内部的应力应变分布情况，找出影响成型质量的主要因素及其影响规律，结合型材的模压试验，最终获得合格零件。

2 模型建立、仿真计算及后处理

2.1 问题分析并建立有限元分析模型

    该零件的型材断面如图1所示，需在宽为80mm的平面上压一段圆弧。成型设备选用数控双向压力机，利用其压板抑制宽60mm的面沿其法线方向的变形，减少型材变形中的旁弯、扭曲等缺陷。

图1 模具结构及型材断面图

    模具制作完毕初次试模过程中零件成型过渡区出现缺陷，主要表现为圆弧区域与直线区域过渡不平缓，直线段下耷，过渡区内成型圆弧外表面有局部凹陷，如图2所示。在型材压弯过程中此类缺陷发生概率较大，可归结为制造过程中的典型问题。对比发现，薄板压弯过程中此类缺陷较为罕见，经初步分析，该缺陷主要受宽60mm的立面应力状态的影响，为提高计算效率，选用2D模块对宽为60mm的立面内应力情况进行有限元分析，选用成型圆弧的1/2建立初始有限元分析模型如图3所示。

图2过渡区域成型缺陷

图3 有限元分析模型

2.2 模拟条件设置及运算

    模型建立后，定义模具材料为刚性材料，型材材料选用铝合金5083，材料类别为塑性。对型材进行网格划分，对所研究区域进行局部网格细化以提高计算效率并保证计算精度。根据实际情况定义模具运动速度及方向,定义边界接触条件生成模型数据文件并进行计算。

2.3 计算结果分析

    计算完毕进入程序后处理器,观察压型结束型材的破坏情况以及在最后一个步距型材内部的平均应力、等效应力分布情况并分析缺陷产生原因。

2.3.1 材料内部破坏分析

压型结束后型材立面材料破坏分布如图4所示：

图4材料破坏分布图

    该项指标主要表示材料在变形过程中因受力发生塑性变形引发材料内部产生断裂的趋势。从图4中可以看出，成型圆弧中心外侧部位网格拉伸程度较大，破坏系数较大，表示此处材料内部受破坏较为严重，是裂纹产生的高发区域。过渡区成型缺陷内材料的破坏并不严重，因此可判断该区域缺陷仅为成型外观不良，内部组织结构并无损伤。

2.3.2 材料内部等效应力分析

根据米塞斯屈服准则，在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就进入塑性状态。该项指标可用来评估材料发生塑性变形的趋势。根据防真分析，在型材压型结束后立面材料的等效应力分布情况如图5所示。

图5等效应力分布图

    从图5中可以看出，型材压弯结束时，圆弧部位等效应力教大，材料发生塑性变形；直线段部分等效应力为零，无塑性变形的趋势。在变形过渡区内的应力梯度较大且不均匀，尤其是与凸模、凹模接触部位，较易引起此处材料的不均匀变形。

2.3.3 材料内部平均应力分析

平均应力为质点所受三个正应力分量的平均值，当值为正值时，表示材料受拉应力，当值为负值时，表示材料受压应力。图6为压型结束后型材立面材料的平均应力的分布图。P1、P2、P3、P4、P5为压型前在型材立面变形过渡区域内同一竖直线上取的五个点。

图6平均应力分布图

图7  P1­­~P5点压型结束时应力值

    图6中可以看出，压型结束时P1、P2、P3、P4、P5五点处所受平均应力由压应力逐渐变为拉应力，即型材立面过渡区上部材料受拉伸作用而下部材料受压缩作用，因此型材右端直线段部分产生下耷现象。图7为后处理器所给出的P1­­—P5五点在压型最后一步距时的平均应力值。

3 模型修正计算

在不改变型材材质、型材结构、成型半径的前提下，为改善过渡区域应力状态，提高零件成型质量，首先考虑改变凸凹模的圆角半径。

3.1 凹模圆角半径对材料等效应变的影响

    在凸模圆角半径不变的情况下改变凹模圆角半径，修改有限元模型及数据文件，分别进行计算。凹模圆角半径分别取值R20、R40、R60、R80、R100、R120，凸模圆角半径取定值r20。成型结束后过渡区凹模圆角半径处等效应变最大值变化如图8所示:

图8 凹模圆角半径对等效应变的影响

图8可以看出,随着凹模圆角半径的越大,压型结束时过渡区型材的等效应变越小；且随着凹模圆角半径增大，过渡区域内等效应力减小的趋势逐渐降低，材料塑性变形越平缓。

3.2 凸模圆角半径对材料等效应变的影响

    凹模圆角半径取定值R160，凸模的圆角半径分别定义为r10、r20、r30、r40、r50。经计算得出压型后过渡区内等效应变随凸模圆角半径的变化如图9所示。

   由图9可以看出，随着凸模圆角半径r的增加，凹模圆角半

图9凸模圆角半径对等效应变的影响

径处等效应变最大值并无变化。因此，在保证成型区域大小的情况下，改变凸模圆角半径并不能影响零件的应力状态及成型质量。

4 模具修整及压型实验

依据模拟分析结果，对凹模圆角区域进行适当打磨增大凹模圆角半径，并进行压型实验。获得的成型件过渡平滑、局部凹陷不明显，如图10所示。

图10修模后获得的合格零件

在型材压型过程中运用数值模拟方法，能比较直观的观察材料内部应力应变情况，可以有效分析材料出现破坏的趋势，分析出成型缺陷原因。通过分析材料内部受力状况，修正成型模具参数，使材料受力状况变化趋向平缓，可以减少材料成型过程中出现外观突变的状况，从而帮助人们在实际生产中制定修整方案。

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