摘要：采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法研究了材料熱處理狀態(tài)和工藝順序?qū)?063鋁型材彎曲回彈的影響規(guī)律和機(jī)理.結(jié)果表明：型材繞彎變形區(qū)內(nèi)外層材料分別為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用，中性層附近材料為明顯的拉壓兩向應(yīng)力集中區(qū).外力卸載后，中性層存在很大的殘余拉應(yīng)力;擠壓態(tài)型材經(jīng)人工時(shí)效處理后繞彎成形回彈角將會(huì)變大.且隨著人工時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，內(nèi)外側(cè)材料最大拉壓應(yīng)力差變大，回彈角逐漸增大;彎曲型材后續(xù)經(jīng)人工時(shí)效或電泳烤漆處理，產(chǎn)生二次回彈. 且彎曲角度越大，熱處理后回彈角會(huì)增大.進(jìn)一步延長(zhǎng)人工時(shí)效時(shí)間，彎曲型材的回彈角基本不變;彎曲型材的三種成形工藝順序方案中，擠壓態(tài)型材先經(jīng)冷彎成形再緊接著進(jìn)行人工時(shí)效和電泳烤漆處理總的回彈角最小.

　　關(guān)鍵詞：中國(guó)期刊論文網(wǎng),鋁型材,彎曲回彈,熱處理狀態(tài),工藝順序, 數(shù)值仿真

　　汽車(chē)輕量化始終是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要方向之一，車(chē)身減重在汽車(chē)輕量化進(jìn)程中占有非常重要地位[1].鋁合金具有比強(qiáng)度、比剛度高、碰撞吸能性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)輕量化理想的材料[2].為了降低車(chē)身重量的同時(shí)保證汽車(chē)的安全性能，目前一種新的車(chē)身結(jié)構(gòu)形式――鋁合金框架式車(chē)身，正日益受到汽車(chē)生產(chǎn)廠商的關(guān)注.而制造鋁合金框架式車(chē)身的關(guān)鍵技術(shù)在于如何實(shí)現(xiàn)型材的高精度彎曲成形[3].繞彎是車(chē)身用鋁型材彎曲成形的重要方法，但與其他冷彎工藝一樣也存在回彈、壁厚減薄和截面變形等問(wèn)題.彎曲回彈是整個(gè)成形過(guò)程的累積效應(yīng)，與模具幾何形狀、材料熱處理狀態(tài)、摩擦和加載方式等眾多因素密切相關(guān)，對(duì)其有效預(yù)測(cè)與控制是提高彎曲零件成形精度的關(guān)鍵[4].車(chē)身用鋁合金型材作為安全結(jié)構(gòu)件，在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)其抗撞性在車(chē)身安全保護(hù)中起著至關(guān)重要的作用，需滿足一定的剛度和強(qiáng)度.因此為保證汽車(chē)具有良好的被動(dòng)安全性能，彎曲型材須采用人工時(shí)效處理.為了保護(hù)型材表面并使其具有裝飾美觀效果，彎曲型材后續(xù)還需進(jìn)行電泳烤漆處理.

　　因此，車(chē)身用鋁合金彎曲型材一般需經(jīng)過(guò)擠壓、人工時(shí)效、彎曲和電泳烤漆四道工序制備而成. 成形過(guò)程中影響彎曲回彈的因素眾多，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的研究工作主要集中在單一彎曲工序段的工藝參數(shù)優(yōu)化，如芯軸參數(shù)、填充物、摩擦和模具型面補(bǔ)償?shù)扔绊懸蛩豙5-8].但不同材料熱處理狀態(tài)和變形歷史對(duì)彎曲型材的回彈影響則未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.本文采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)車(chē)身用6063復(fù)雜鋁合金彎曲型材在不同材料熱處理狀態(tài)和工藝順序下的回彈變化規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果將為彎曲型材實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中工藝順序的選取提供理論指導(dǎo)，從而減少型材彎曲回彈，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期.

　　1彎曲型材成形工藝順序?qū)嶒?yàn)方案

　　實(shí)驗(yàn)選用6063鋁合金擠壓型材，截面為車(chē)身結(jié)構(gòu)中常用的薄壁、中空且?guī)Ъ訌?qiáng)筋的目字形形狀，其尺寸如圖1所示.擠壓實(shí)驗(yàn)在XJ800T臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓鑄錠溫度為480 ℃，擠壓速度為2.5 mm/s，擠壓出模口溫度保持在520～540 ℃，淬火方式采用強(qiáng)風(fēng)淬.型材繞彎成形實(shí)驗(yàn)在型號(hào)為“CWA100”的繞彎?rùn)C(jī)上進(jìn)行，如圖2所示.成形時(shí)，夾塊先夾緊型材頭部，使型材繞彎曲模中心轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的彎曲角度.使型材與彎曲模貼合達(dá)到所需要的彎曲半徑，然后夾塊和壓塊松開(kāi)，取出型材，使彎曲模和夾塊復(fù)位，完成一次彎曲動(dòng)作.彎曲型材的三種成形工藝順序?qū)嶒?yàn)方案見(jiàn)表1所示，彎曲角度分別為30°～120°，如圖3所示.為研究人工時(shí)效處理對(duì)型材繞彎回彈的影響，將擠壓態(tài)型材或擠壓態(tài)型材彎曲后分別進(jìn)行180 ℃/2～8 h時(shí)效處理.為考察電泳涂裝中的烘干工藝對(duì)彎曲型材回彈的影響，在干燥箱中模擬烤漆處理，其工藝為180 ℃/30 min.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了避免自然時(shí)效對(duì)不同工藝順序方案的影響，型材擠壓后進(jìn)行人工時(shí)效或繞彎成形等工序都在12 h內(nèi)完成.通過(guò)CTRACK 780便攜式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x來(lái)提取各工序段彎曲型材弧線的IGS數(shù)據(jù)格式，再由逆向工程對(duì)比分析可快速確定彎曲型材的回彈角.

　　2鋁型材彎曲回彈仿真模型的建立

　　繞彎是一個(gè)包含幾何、材料和接觸等多重非線性耦合作用的復(fù)雜成形過(guò)程[9].回彈的解析解很難準(zhǔn)確計(jì)算，必須建立在一個(gè)精確應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上.仿真過(guò)程首先使用LSDYNA動(dòng)態(tài)顯式模塊模擬繞彎成形過(guò)程，然后輸出成形最終時(shí)刻的應(yīng)力應(yīng)變值和變形網(wǎng)格重新進(jìn)行前處理，定義材料屬性和施加約束，再對(duì)回彈過(guò)程進(jìn)行隱式分析求解.

　　2.1仿真模型及工藝、邊界條件

　　圖4為鋁型材繞彎成形的回彈有限元模型.型材與工模具等網(wǎng)格類(lèi)型均采用四節(jié)點(diǎn)殼單元.型材殼單元采用16號(hào)單元公式[10]，沿厚度的積分點(diǎn)為7個(gè);工模具殼單元采用2號(hào)單元公式，沿厚度的積分點(diǎn)為2個(gè);沙漏控制算法采用公式8，沙漏因子為0.05;為節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)，提高仿真精度，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)管材彎曲變形量大的區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行局部細(xì)劃分.

　　繞彎成形基本工藝參數(shù)如表2所示.采用罰函數(shù)法計(jì)算接觸力，罰函數(shù)剛度因子slsfac參數(shù)為0.01.對(duì)于接觸類(lèi)型的選擇，使用LSDYNA軟件中專(zhuān)門(mén)的成型接觸算法“FORMINGONEWAY”;選取經(jīng)典庫(kù)侖摩擦模型來(lái)描述型材和工模具之間的接觸情況.根據(jù)文獻(xiàn)[11]獲得的摩擦穩(wěn)定條件，定義型材與彎曲模的摩擦因子為0.125，與壓塊的摩擦因子為0.25，與防皺板的摩擦因子為0.1.由于鑲塊、夾塊對(duì)型材起夾緊作用，摩擦因子設(shè)置為1.

　　2.2材料本構(gòu)模型及力學(xué)性能

　　仿真材料本構(gòu)模型選擇為MAT_24多線性彈塑性模型，通過(guò)直接輸入材料的有效應(yīng)力應(yīng)變曲線，彈性模量取值為68.9 GPa.工模具則采用剛體材料進(jìn)行仿真.鋁型材材料力學(xué)性能通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)獲得，從不同材料狀態(tài)下的型材沿?cái)D壓方向切取拉伸試樣，取樣位置為沿“目”字型材中空處的豎直面.室溫拉伸實(shí)驗(yàn)按照GB/T 228-2002標(biāo)準(zhǔn)在Instron 8032萬(wàn)能電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為2 mm/min.6063鋁合金在不同材料狀態(tài)下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線和力學(xué)性能指標(biāo)結(jié)果分別如圖5和表3所示. 　　由型材截面受力分析可知，彎曲變形區(qū)截面上應(yīng)力分布極不均勻，內(nèi)外層材料分別為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用，中性層為明顯的拉壓應(yīng)力集中區(qū).因此，型材彎曲變形區(qū)的這種兩向應(yīng)力狀態(tài)卸載后由于彈復(fù)方向一致，造成回彈過(guò)大.材料的屈服強(qiáng)度越高，其內(nèi)外側(cè)受的拉壓應(yīng)力差越大，回彈更大.型材彎曲成形卸載后，內(nèi)外側(cè)材料殘余應(yīng)力很小，但中性層存在很大的殘余拉應(yīng)力.圖15為型材彎曲角為90°時(shí)卸載前和卸載后的等效應(yīng)力分布云圖.由圖可以看出，型材彎曲外力卸載后應(yīng)力釋放十分明顯，導(dǎo)致發(fā)生回彈，使型材的彎曲半徑變大和彎曲角度變小.型材繞彎成形卸載前的應(yīng)力集中在彎曲大變形區(qū)，且最大等效應(yīng)力為194.4 MPa，位于拉伸變形區(qū);卸載后彎曲型材的殘余應(yīng)力整體上已得到較大釋放，但仍存在高應(yīng)力區(qū)域并轉(zhuǎn)移到型材的中性層位置，其最大殘余應(yīng)力為150.2 MPa.因此，彎曲型材卸載后，當(dāng)進(jìn)行人工時(shí)效和電泳烤漆處理時(shí)，其殘余應(yīng)力將進(jìn)一步得到釋放，產(chǎn)生二次回彈.

　　4結(jié)論

　　1) 型材彎曲變形區(qū)內(nèi)外層材料分別受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力主導(dǎo)作用，中性層為明顯的拉壓兩向應(yīng)力集中區(qū).外力卸載后，中性層存在很大的殘余拉應(yīng)力.

　　2) 擠壓態(tài)型材經(jīng)人工時(shí)效處理后繞彎成形回彈角將會(huì)增大.且隨著人工時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，內(nèi)外側(cè)材料最大拉壓應(yīng)力差越大，回彈角越大.

　　3) 彎曲型材后續(xù)經(jīng)人工時(shí)效或電泳烤漆處理，產(chǎn)生二次回彈.同時(shí)，彎曲角越大，卸載后彎曲變形區(qū)的殘余拉壓應(yīng)力差呈增大趨勢(shì)，經(jīng)熱處理后回彈角相應(yīng)越大;人工時(shí)效時(shí)間再增大，但是彎曲型材的回彈角基本保持不變.

　　4) 彎曲型材的三種成形工藝順序，其中擠壓態(tài)型材先經(jīng)冷彎成形再緊接著進(jìn)行人工時(shí)效和電泳烤漆處理總的回彈角最小.

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]龍江啟， 蘭鳳崇， 陳吉清. 車(chē)身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2008， 44(6)： 27-35.

　　LONG Jiangqi， LAN Fengchong， CHEN Jiqing. New technology of lightweight and steelaluminum hybridstructure car body[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2008， 44(6)： 27-35. (In Chinese)

　　[2]王冠， 周佳， 劉志文， 等. 鋁合金汽車(chē)前碰撞橫梁的輕量化設(shè)計(jì)與碰撞性能分析[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2012， 22(1)： 90-98.

　　WANG Guan， ZHOU Jia， LIU Zhiwen， et al. Light weight design and crash performance analysis of automotive aluminum bumper[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2012， 22(1)： 90-98. (In Chinese)

　　[3]FRANK V. Extrusion， channel， and extrusion bending： a review[J]. Journal of Materials Processing Technology， 1999， 87(1/3)： 1-27.

　　[4]CLAUSEN H， HOPPERSTAD S， LANGSETH M. Sensitivity of model parameters in stretch bending of aluminium extrusions [J]. International Journal of Mechanical Sciences， 2001， 43： 427-453.

　　[5]劉婧瑤， 唐承統(tǒng)， 寧汝新， 等. 薄壁管數(shù)控彎曲成形中芯軸參數(shù)的確定[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究， 2008， 24(5)： 70-72.