板料回弹机理及控制

板料回弹机理及控制

[摘要] 拉弯工艺是型材弯曲成形的重要方法,它可以有效减少回弹,达到提高成形精度的目的。因此,在飞机、汽车弯曲件成形中得到了广泛的应用。拉弯卸载后的回弹控制是影响成形精度的主要因素。拉弯成形过程中,材料受力状态复杂,同时受材料物性参数、摩擦条件等因素的影响,拉弯成形回弹预测很困难。

本文以板料为研究对象,首先介绍了板料拉弯成型回弹现象,在此基础上讨论了回弹机理的研究以及控制回弹的方法。介绍了弹塑性力学的初始屈服条件、基本法则,其中包括流动法则和强化法则。在此基础上以各向同性硬化法则的材料为例推导了应力应变增量关系。本文的工作为提高汽车和飞机拉弯件的质量和促进工装的数字化设计提供了一合理有效的方法。

[关键词] 拉弯成形弯曲回弹

1、板料回弹现象

回弹是卸载过程产生的反向弹性变形(如图1所示),是板料冲压成形过程中存在的一种普遍现象。在弯曲和拉深过程中,回弹现象尤为严重,对零件的尺寸精度、生产效率和经济效益产生极大的影响。

图1板料弯曲实例说明回弹现象

2、回弹机理研究

板料在外加弯曲力矩M 的作用下,首先发生弹性弯曲变形,在弹性弯曲阶段,对弯曲半径很大,板料内弯曲半径与凸模圆角半径不相重合,板料变形很小。在弯曲变形区内,板料弯曲内侧(靠近凸模一边)的材料受到压缩而缩短,应力状态是单向受压,见图2。板料弯曲外侧(靠近凹模的一边)受拉而伸长,应力状态是单向受拉。弯曲内、外表面到中心,其缩短与伸长的程度逐渐变小,在缩短与伸长的两个变形区之间,有一纤维层长度始终不变即应变为零,称为应变中性层。同样,在拉应力向压应力过渡之间,存在一个切向应力为零的应力层,称为应力中性层。在一般情况下可认为两个不同性质的中性层重合在一起,简称为中性层。

图2 板料弯曲应力图

随着弯矩的增加,板料弯曲变形增大,板料内、外表层金属先达到屈服极限,板料开始由弹性变形阶段转入弹塑性变形阶段,其应力分布随着弯矩的不断增加,塑性变形区由表层向内扩展,板料中间的弹性变形区逐渐变小,最后整个断面进入塑性状态。图2中第二副图显示了反向加了弯矩M 所产生的应力变化图。第三副图显示的是残余应力图,也即是能产生回弹的应力。弯曲回弹的主要原因是由于材料弹性变形所起的。板料弯曲时,内层受压应力,外层受拉应力。弹塑性弯曲时,这两种应力尽管超过屈服应力。但实际上从拉应力过渡到压应力时,中间总会

有一段应力小于屈服应力的弹性变形区,由于弹性区的存在,弯曲卸载后工件必然产生回弹。在相对弯曲半径较大时,弹性变形区占的比重大,这种回弹尤为显著。为了能直观地说明回弹,我们引入回弹量的公式。如图3 所示是卸载前后弯曲毛坯的尺寸变化。

图3 板料弯曲应力图

回弹是弯曲卸载过程产生的反向弹性变形,板料回弹的经典计算公式为:

(1)

式中:—曲率变化量;

—卸载前的曲率半径;

—卸载前的曲率半径;

—弯矩;

—弹性模量;

—弯曲毛坯断面的惯性矩;

—泊松比;

—回弹前板内弯矩。

对上式整理,可以得到卸载前后曲率半径之间的关系式:

(2)

由(2)式各参数之间的关系可知,卸载前后弯曲毛坯曲率半径的差值,即回弹量,决定于弯矩M 、毛坯横断面形状的惯性矩I 、材料的弹性模量E 和弯曲变形的曲率半径ρ。卸载前作用于毛坯的弯矩M 越大,弯曲的曲率半径ρ越大,材料的弹性模量E越小,回弹量越大。如果弯曲件的两侧有两个直臂部分存在,卸载时发生的回弹现象也会表现为两个直臂之间角度的变化。在卸载中发生弹复现象时,弯曲毛坯的中性层的长度是不变的。因此

(3)

式中:和—卸载前后的曲率半径;

和—卸载前后的角度。由(3.3)式得

(4)

(5)

在实际的操作中,为了保证压弯件的角度,设计压制模具时应考虑使上下模具的角度。由于影响回弹角大小的因素较多,准确计算它的大小十分困难,通常是参考一些经验数据。

3、控制回弹的方法

(1) 弯曲成形中的回弹控制

在弯曲成形中传统的回弹控制方法有:拉弯法、加压矫正法、模具补偿法、过弯曲法等,根据零件形状和弯曲工艺的不同可选用不同的方法来控制回弹。模具补偿法和过弯曲法是两种基本的回弹控制方法,前者适用于模具弯曲(闭式弯曲),后者适用于自由弯曲。对于曲率非常小的弯曲件,由于其塑性变形不充分,回弹较大,单纯模具补偿难以实施,一般要采用拉弯法和模具补偿法联合作用来控制回弹。对于局部曲率很大的弯曲件,理论预测精度较差,实际生产中一般采用局部加压矫正的方法来控制回弹[1]。模具补偿法和过弯曲法作为回弹控制方法的基本方法有较强的理论基础,许多学者对其进行了深入的研究。余同希讨论了柱形弯曲回弹的模具补偿算法,王晓林进一步对非圆弧弯曲回弹的模具补偿算法进行了研究。这些研究建立在纯理论计算或数值模拟基础之上,具有速度快、成本低的特点,取得了一定的效果。但从目前情况来看,回弹的理论预测精度较差,必须辅以适当的工艺试验才能得到较为满意的结果。

(2) 复杂拉延成形中的回弹控制

以往对于复杂拉延成形件的回弹控制问题研究的不多,工程实际中通常基于经验和反复试验来减小或消除回弹的影响。90 年代以来,随着拉延成形中起皱和拉裂问题逐步得到解决,回弹控制问题逐渐上升为研究的重点,另外板料冲压CAE 仿真技术的不断完善也为回弹控制研究提供了必要的基础。复杂拉延成形件的回弹控制一般从两方面入手:一是通过改变成形过程边界条件,如毛料形状、压边力、模具圆角、摩擦状态等因素来减小回弹,这一类方法可统称为工艺控制法;另一途径是在特定工艺条件下预测或实测回弹量的大小,然后通过修正模具形状使回弹后的零件形状恰好符合设计要求,即几何补偿法。在工程实际中两类方法一般联合应用,以达到最佳的效果。

参考文献:

[1]陈毓勋.板材与型材弯曲回弹控制原理与方法,[M].北京:国防工业出社,1990:30-55,17-30