管材在成形过程中,由于存在弹性变形,所以在卸载后,弹性变形立即恢复,产生回弹现象,导致管材的弯曲角和弯曲半径发生变化,影响管材尺寸精度,进而导致内高压成形中出现起皱破裂等缺陷。充分掌握管材回弹规律,可以避免反复调整管材形状造成的额外成本和工作量。
但是,管材弯曲过程又是一个几何非线性、材料非线性、接触非线性的复杂过程,而且又是多模具协同约束的过程,掌握其规律并不容易,国内外有很多研究人员从不同角度进行过研究。
国内哈工大张伟玮研究团队以汽车副车架为对象研究了管材弯曲回弹会对内高压成形造成的影响及其补偿方法。
他们先建立管材塑性弯曲理论模型以及材料的弹塑性线性强化模型,通过理论解析得到弯曲回弹量表达式,然后通过实验获取数据进行线性拟合,并与理论模型进行对比,最后将回弹量作为补偿量应用到副车架内高压成形中。
管材弯曲角度
管材弯曲形变示意
汽车的副车架是支撑前后车架、悬挂的支架,轴线和截面均沿空间变化,结构较为复杂,目前的生产工艺一般都采用内高压成形来完成。主要工序是数控弯曲、预成形、内高压成形。弯曲过程要充分考虑到卸载后管材回弹问题,避免后面预成形和内高压成形过程中产生缺陷,要计算出回弹量和弯曲角之间的变化规律,及时修正弯曲角度。
在弯曲回弹量的理论计算时,该研究团队通过分析计算管材在弯曲过程中的内外层受力状态、材料屈服抗拉强度等得到回弹角的表达式。
对于不同的材料,回弹角与管材的弯曲角,芯轴与管壁的间隙以及材料的本构模型有关,对于同一种材料相同条件下,弯曲角是影响回弹的主要因素。
为了探索回弹量与弯曲角度的关系,该研究团队进行了17组不同弯曲量的弯曲实验(表1),弯曲角度范围为 30°~70°,并对相关数据进行线性拟合,获得了回弹角与弯曲角的关系式。
研究人员又通过已知材料的屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率、弹性模量,算出材料强度硬度系数、初始屈服应力,再结合管材初始壁厚、管材初始外径、中性层处曲率半径等数据,算出任意弯曲角下的回弹角理论计算值与实验的线性拟合值,对比结果显示线性拟合关系与理论预测值相差很小,在合理范围之内。
最后,研究人员又进一步根据上述对比分析结果进行回弹补偿实现了修正,避免了起皱缺陷,顺利进行了副车架内高压,试件整形效果良好,尺度精度较高。
最终研究团队认为,通过建立管材塑性弯曲理论模型以及材料的弹塑性线性强化模型,可以得到回弹角与弯曲角变化的解析式;根据理论计算得到的回弹角与弯曲角的关系,对弯曲角度进行回弹补偿,可以消除起皱缺陷,得到合格的内高压成形件。
此外,具体到一线生产领域,我司作为专注于液压成形技术及其相关装备研发的企业,经过十余年的沉淀和发展,在解决管材弯曲回弹方面不仅具有深厚的理论研究基础,还具有十分丰富的实践生产经验。尤其擅长利用内高压成形工艺完成对复杂曲面、薄壁、大尺寸和异形截面空心汽车构件的成形。
我司用内高压成形技术研发生产的部分汽车零部件
汽车构件(比如ABC柱、副车架、车架纵梁、扭力梁、后桥、发动机支架等)的数控弯曲、预成形和内高压成形技术,我司已经成熟掌握和应用,并攻克了一系列成形过程的技术难点,在实际生产中有效地解决了起皱、破裂和减薄率等“老大难”问题,提高了成品率。
我司的内高压成形设备
目前,我司已为国内外多个知名汽车主机厂及其供应商研发过上百款汽车零部件产品,而且交付了数十台1000T至5000T不等的液压成形设备供客户使用。未来,我司将进一步加大对液压成形技术和智能装备的研发投入,为我国液压成形行业的发展壮大贡献力量。