商用車防護梁繞彎成形內支撐模具型芯優化設計研究

喬國章,張如軍,王 圍,胡忠勇,梁繼才

(1.舒蘭市通用機械有限責任公司,吉林 舒蘭 132600;2.吉林大學材料科學與工程學院,吉林 長春 130022)

1 引 言

汽車輕量化主要從優化設計汽車制件結構、采用輕量化材料和使用先進制造工藝3個方面考慮,其中最主要的是采用輕量化材料,在確保強度、剛度和安全性的前提下選用更輕的材料。與鎂、鋁合金及復合材料相比,高強度鋼因其優異的高強度性能,即使減小厚度也能滿足強度要求,成為應用最廣的輕量化材料之一[1]。

作為汽車發生碰撞時首先參與碰撞的部件,汽車前防護梁對保護乘客及車輛安全發揮著重要的作用[2]。與乘用車相比,商用車的體積、質量更大,其輕量化需求更迫切,對防護梁的要求也更高。防護梁通常采用異型截面型材制造,例如矩形、雙圓形和日字形等。這些型材屬于薄壁結構,具有重量輕、剛度大的優點,且采用高強度鋼制造,可以顯著提高汽車的輕量化水平[3-6]。

在此背景下,某商用車開始采用B700L高強鋼板材,輥彎成形“日”字形截面型材,采用這種型材的防護梁與原鋼制梁相比,在保證防撞性的同時減輕了20%的重量[7]。在生產“日”字形防護梁時,需要將型材的兩端彎曲一定的角度以達到安裝要求。由于高強鋼塑性差、延伸率低,在彎曲時容易產生起皺、斷裂和截面畸變等缺陷,影響防護梁的性能。因此,需要對“日”字形截面型材的繞彎成形過程進行研究,以獲得質量更好的防護梁。

繞彎成形工藝的原理如圖1所示,型材在外力的作用下繞彎曲模旋轉,逐漸與彎曲模貼合從而實現彎曲成形。由圖可以看出,主要的成形模具包括壓模、防皺模、彎曲模、芯模和鑲塊等[8]。在繞彎過程中,型材的前端由夾模和鑲塊夾持,緊貼在彎曲模上;型材的尾端則由防皺模和壓模夾持,使得型材只能前后移動。同時,防皺模能降低型材底部的起皺;芯模作為內腔支撐,減少型材的截面變形[9]。

“農業新品種的發現，有偶然性、也有科技人員的功勞?！闭勂鸺t江橙的起源，紅江農場副場長陳樹華介紹，1971年，紅江農場職工管理的橙園中發現一株桔紅色果肉自然變異株。翌年春，從此樹上截取芽條進行嫁接繁殖了700多株畝木，建設了農場第一代紅江橙園。幾年后，橙園開始初產，充分顯示出優良特性。經專家鑒定，認為紅江橙是嵌合體變異株，是一個優良的柑橙新品種。農場指定科技人員和工人進一步進行篩選、純化繁殖，經過13年4代定向培育，終獲成功。

圖1 繞彎成形原理

2 繞彎模型的建立

在ABAQUS軟件的功能模塊中建立所需型材及成形模具的幾何模型,并在Assembly功能模塊中將其組裝成裝配體。這些幾何模型為之后的網格劃分奠定基礎,進而生成輸入文件中關鍵的節點和單元等信息。在“日”字形截面型材繞彎成形過程中,只有型材參與塑性變形,采用三維可變形體進行建模。由于型材的厚度遠小于長度、寬度和高度方向上的尺寸,因此建模時采用殼體模型,型材示意圖及截面尺寸如圖2所示。

由于所用模型是在獨立的坐標系中建立完成的,互不干涉,要想完成繞彎成形過程,必須把獨立的型材模型和模具模型組裝到一個坐標系下,這一過程由ABAQUS的裝配功能模塊實現,將添加的零部件模型利用平移、旋轉等命令進行組裝,裝配好的模型如圖4所示。

(a)型材示意圖

圖7是模擬計算與實際繞彎后得到的制件對照圖,可以看出,模擬結果與試驗結果吻合良好。但是,型材彎曲內側和彎角部位都出現明顯的應力集中,導致型材的“日”字形截面變得不規則,出現截面畸變和壁厚變化嚴重等缺陷。因此,有必要對型材繞彎過程進行研究以提高型材的成形質量。

圖3 成形模具示意圖

今天我們所探討的見義勇為實際上是指為了保護國家、集體的利益和他人的人身財產，同違法犯罪作斗爭的一種行為。認為不應鼓勵未成年人見義勇為的人所存在的擔憂可以理解，因為見義勇為確實存在風險，可并不能因為它存在風險，就否認未成年人做出的貢獻和存在的價值。

圖4 模型裝配示意圖

圖中將清潔機器人與光伏面板接觸的部位簡化為O1、O2兩點，這兩點分別為清潔機器人與光伏面板接觸的最頂端和最低端。由摩擦理論可知，當外力的作用錐δ小于物體摩擦錐θ時，不管外力有多大，物體始終保持靜止狀態。由此可知，當吸附力系合力P與重力G合力的作用錐δ

在繞彎過程中,輥輪在液壓驅動下繞彎曲模中心做旋轉運動,“日”字形截面型材在模具約束下逐漸貼合彎曲模實現繞彎成形。通過“速度/角速度”命令定義繞彎輥輪的運動,對繞彎模及型材的端部,需要添加固定約束。最終建立的繞彎成形有限元模型如圖5所示。

因為每次錢海燕教育批評當當的時候，周啟明就會無理由無條件不自覺地站在錢海燕這邊。他生怕她受一點點委屈，哪怕這樣的委屈是兒子給的。

由于“日”字形截面型材存在兩個型腔,在繞彎成形時型腔容易發生較大的截面變形導致成形失敗,因此需要在型材的兩個型腔中填充內支撐芯模以抵制截面變形。圖8所示為所研制的緊湊型柔性芯模結構及其支撐模擬效果。在沿型材長度方向上,芯模小塊互相鉸接組成柔性芯模,使得“日”字形截面型材的彎曲段得到充分支撐;在沿型材高度方向上,芯模小塊的高度與型腔高度只留少量間隙,防止彎曲段內壁產生內凹。緊湊型柔性芯模在彎曲過程中的支撐效果如圖8(b)所示,可以看到,彎曲之后,沿彎曲方向上芯模小塊規則排列,下部與型材相切,達到較好的支撐效果。

圖5 有限元模型

3 截面畸變及壁厚變化研究

3.1 繞彎成形技術說明

采用試驗的方法對有限元模型進行驗證。圖6(a)為一次性輥彎成形的“日”字形截面型材,材料是B700L高強鋼,型材厚度為2.5mm;圖6(b)是試驗所用的碾壓式繞彎裝置,采用柔性芯模支撐和旋轉半徑R=470mm的彎曲模對型材進行繞彎加工成形。

3.2 模型可靠性驗證

在繞彎成形過程中,型材外側材料受到拉應力作用而伸長,內側材料受到壓應力作用而收縮。根據塑性變形體積不變原則,型材不可避免地出現材料流動,導致型材發生一定的壁厚變化和不規則的截面變形。在“日”字形防護梁的生產中,截面畸變、內側壁增厚起皺和外側壁減薄拉裂的缺陷嚴重影響了防護梁的成形質量,需要對這些缺陷進行研究以實現防護梁的高質量生產。

(a)型材

“日”字形截面型材繞彎過程中,參與運動的零部件較多,型材在成形過程中受到模具多個零部件的限制作用,模型十分復雜,需要進行簡化處理。由于各個成形模具都是不參與變形的剛性部件,采用殼體模型將模具簡化為剛性幾何曲面,彎曲過程中與型材接觸并發生幾何作用力。所建立的模型如圖3所示。

圖7 繞彎后的型材

在ABAQUS中提取繞彎后型材的節點坐標及壁厚數據,可得到橫截面的各點變形量及壁厚變化率。將實際繞彎后的型材放置在三坐標測量儀的測量空間,利用光學跟蹤儀PRO CMM3500系統對型材整體進行紅外線掃描,將得到的點云數據構建3D圖像,利用Geomagic Qualify軟件對型材進行分析,可以得到實際繞彎后制件變形量。表1中列出了模擬和試驗中的各變形量的極值,可以看出,模擬結果的數據比實際試驗的變形量略小,這是由于實際加工中各種誤差導致試驗不能達到模擬仿真中的理想條件,但二者的數據誤差很小,說明所建立的有限元模型在工程應用中是可靠的。

表1 繞彎后型材的變形量

3.3 芯模優化設計及模擬結果

我不好意思地笑笑，進洗手間沖涼。阿花從外面遞了一件男人的T恤衫和大褲衩進來。穿上衣服出來，我說你咋還有男人的衣服？阿花說，為你準備的呀，你看是不是合你的身？我拽了拽衣擺，正合身。

(a)結構圖

圖9所示為研制的自鎖型柔性芯模結構及支撐效果,其結構及支撐原理與緊湊型柔性芯模類似,在沿型材長度方向上芯模小塊互相鉸接,但自鎖型柔性芯模小塊的底部被設計為矩形窄塊結構,且添加自鎖裝置,有效減小了相鄰兩個芯塊的最大活動范圍,繞彎后可以更好地貼合型材彎曲段,達到更好的支撐效果。

(a)結構圖

圖10所示為使用不同芯模繞彎成形后的型材應力分布?？梢钥闯?無論采用哪種芯模,型材的彎曲段都會發生比較明顯的應力集中,緊湊型柔性芯模比自鎖型柔性芯模制件應力集中明顯。

(a)緊湊型柔性芯模

圖11給出了采用不同芯模繞彎成形后的型材厚度變化分布情況。從圖中可以看出,型材的外壁處于減薄狀態,型材的內壁處于增厚狀態。采用緊湊型柔性芯模繞彎成形的制件,其厚度變化可以達到制件裝車要求;采用自鎖型柔性芯模繞彎后的型材,制件厚度變化值更小。

(a)緊湊型柔性芯模

4 結 論

(1)用所建立“日”字形截面型材繞彎成形的有限元模型模擬型材的繞彎成形,制件變形量的模擬結果與試驗結果吻合較好。

(2)對采用不同芯模繞彎成形制件的應力分布和厚度變化規律進行研究,結果表明,采用緊湊型柔性芯模繞彎成形的制件應力分布稍不均勻,厚度變化可以達到制件裝車要求;采用自鎖型柔性芯模繞彎成形的制件應力分布較均勻,其厚度變化值更小。