山推工程機(jī)械股份有限公司材料成型分公司 張永良 李勇 李賀德

高強(qiáng)度板材折彎工藝性研究

山推工程機(jī)械股份有限公司材料成型分公司 張永良 李勇 李賀德

高強(qiáng)鋼板在沖壓成型時(shí)易產(chǎn)生起皺、拉裂、回彈等多種缺陷，對(duì)零件的形狀、尺寸精度及生產(chǎn)效率有很大的影響，為此本文對(duì)幾種常用高強(qiáng)板材的力學(xué)性能進(jìn)行了歸納、比較，并通過(guò)試驗(yàn)與生產(chǎn)相結(jié)合的方法得出了高強(qiáng)度板材折彎過(guò)程中折彎半徑、模具參數(shù)、軋制方向等工藝參數(shù)的選取原則及折彎力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法，為在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。

近年來(lái)，隨著我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，高強(qiáng)度鋼板在制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其主要應(yīng)用于重要的（低溫）高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件、工程機(jī)械、礦山鋼結(jié)構(gòu)件等。目前，對(duì)于高強(qiáng)板的界定并無(wú)統(tǒng)一的定義，在我們國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為抗拉強(qiáng)度超過(guò)420MPa的稱為高強(qiáng)度鋼。由于鋼板在沖壓成形時(shí)，會(huì)變硬，不同的鋼材，變硬的程度不同；高強(qiáng)板的成型過(guò)程中與普通板材變得完全不同，一般鋼板成型只略有20MPa增加，不到10%。而高強(qiáng)板屈服強(qiáng)度增加很多，強(qiáng)度越高屈服強(qiáng)度增加越多。本身高強(qiáng)板比較硬而脆，成型時(shí)更易產(chǎn)生起皺、拉裂、回彈等多種缺陷，對(duì)零件的形狀、尺寸精度及生產(chǎn)效率有很大的影響，因此對(duì)高強(qiáng)度板材折彎工藝性研究迫在眉睫[1]。

基于此國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究分析，You．Min Huang等將Lagrangia增量型彈塑性有限元法應(yīng)用于典型的V形板料折彎分析，并指出板料容易在應(yīng)變能密度最大的地方產(chǎn)生裂紋[2]。孫彩華通過(guò)分析高強(qiáng)度鋼板的物性及其冷成形的性能，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的工藝措施[3]。黃春峰敘述了彎曲力矩及彈性回彈量Δα的計(jì)算，全面分析了影響彎曲件彈性回彈的主要因素并介紹了各種先進(jìn)的控制彎曲彈性回彈的工藝技術(shù)方法[4]。

本文通過(guò)試驗(yàn)與生產(chǎn)相結(jié)合的方法得出了幾種常用高強(qiáng)度板材折彎過(guò)程中折彎半徑、模具參數(shù)、軋制方向等工藝參數(shù)的選取原則及折彎力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法。

一、常用高強(qiáng)板材性能統(tǒng)計(jì)

目前我們常用的高強(qiáng)板主要有T系列、BIS系列、HARDOX系列、WELDOX系列：

T系列：T510L、T550L、T610L、T700L

BIS系列：BISPLATE80、 BISPLATE100、 BISPLATE360、 BISPLATE400、 BISPLATE450、 BISPLATE500

HARDOX系列：HARDOX400、 HARDOX450、 HARDOX500

WELDOX系列：WELDOX700、 WELDOX900、 WELDOX1030、 WELDOX1100、 WELDOX1300

表1 高強(qiáng)板力學(xué)性能和特性

二、板材成型工藝參數(shù)

1.最小相對(duì)彎曲半徑

工件彎曲時(shí)，材料圓角區(qū)外層受到拉伸，內(nèi)層則受到壓縮。彎曲時(shí)，相對(duì)折彎半徑r/t（t為板材厚度）越小，彎曲時(shí)的切向變形程度就越大。即當(dāng)材料厚度t一定時(shí)，折彎內(nèi)圓角r越小，材料的拉伸和壓縮比就越大，變形區(qū)外表面所受的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變?cè)酱?。?dāng)拉伸應(yīng)變超過(guò)工件材料性能所允許的極限時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋或者折斷。

在自由彎曲中，最小相對(duì)彎曲半徑與上模圓角半徑、板材厚度、彎曲角度、下模開(kāi)口寬度及材料性質(zhì)有關(guān)。其中，起主要作用的是下模開(kāi)口寬度L，由經(jīng)驗(yàn)公式 可求得。

2.成型方向

彎曲方向有垂直于軋制方向和平行于軋制方向兩種。由于板料的各向異性存在差異，同時(shí)影響著材料的彎曲變形，特別是對(duì)塑性較差的材料。

在彎曲加工中，由于鋼板在軋制方向的伸長(zhǎng)率大于垂直于軋制方向的伸長(zhǎng)率，要避免彎曲線與軋制方向平行，盡可能在垂直于軋制方向進(jìn)行彎曲。如果必須多方向彎曲時(shí)，則應(yīng)使彎曲線與纖維方向成一定角度（70°）或進(jìn)行退火處理后再折彎[5]。

3.折彎磨具及折彎力

（1）折彎上模。上模R弧半徑不能小，否則出現(xiàn)壓痕比較嚴(yán)重，甚至?xí)拱宀恼哿选Ｓ绕鋵?duì)于強(qiáng)度較大的鋼，則推薦使用半徑等于或大于彎曲半徑1.5倍以上的上模。

（2）折彎下模。折彎時(shí)V形槽的寬度一般以板料厚度的8～14倍為最佳。假如凹模開(kāi)口距過(guò)小，則由于彎曲半徑減小，可能會(huì)使折彎層斷裂。開(kāi)口過(guò)大，折彎力和擠壓印記會(huì)減小，但會(huì)帶來(lái)回彈值的增加，無(wú)法滿足板材回彈量的需求。下模的開(kāi)口必須考慮鋼板的回彈。例如，如果將HARDOX500鋼板彎曲90°，其下模開(kāi)口角應(yīng)不大于70°。此外，下模開(kāi)口邊的硬度必須等于或大于被彎曲的硬度，以免損壞模具。

（3）折彎力的計(jì)算。折彎工藝力通常按下式計(jì)算：

式中：

P——折彎工藝力，ton；

t——板料厚度，mm；

b——板料寬度，mm；

L——下模V形槽寬度，mm；

Rm——典型抗拉強(qiáng)度，MPa。

利用此公式可估算所需彎曲力，精度±20%。如果彎曲中所利用的上模半徑比表1中的列出的半徑大許多，則需要的力就比公式計(jì)算的力大許多，但可以增加下?？趯挾葋?lái)減小這種增大的趨勢(shì)。由于板料折彎力和被折彎工件的材料厚度成正比，可在折彎前對(duì)板料進(jìn)行V型開(kāi)槽，減小剩余板料的厚度，折彎力也會(huì)相應(yīng)的減小[6]。

4.回彈

板料加工中不可避免的存在回彈現(xiàn)象，這是由于板料塑性變形使彎曲件離開(kāi)模后發(fā)生形狀與尺寸的改變，彎曲橫截面上不僅存在塑性變形，還存在彈性變形?；貜椀某潭韧ǔＳ脧澢蠊ぜ膶?shí)際彎曲角與模具彎曲角的差值即回彈角的大小來(lái)表示。

回彈現(xiàn)象的出現(xiàn)影響零件的成形，還增加后續(xù)校正的工作量，所以盡量做到在彎曲加工中減小回彈的角度。對(duì)回彈的控制，國(guó)內(nèi)采用的方法有：補(bǔ)償法、拉彎法、加壓校正法。目前大多是通過(guò)模具設(shè)計(jì)時(shí)，采取一定的措施來(lái)減小回彈或折彎后增加校正工序來(lái)解決。本實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中均采用的是補(bǔ)償法，利用數(shù)控系統(tǒng)在編程時(shí)對(duì)折彎角度進(jìn)行校正，達(dá)到減小回彈角的目的[7]。

圖1 板材回彈現(xiàn)象

5.折彎半徑

折彎半徑即工件折彎后內(nèi)圓弧半徑，也是折彎工藝中需要考慮的問(wèn)題。

自由折彎工藝的折彎角度取決于上模尖圓弧和工件進(jìn)入下?？赩型槽的深度，因而可以利用一副模具將工件折彎成各種角度。其特點(diǎn)是折彎力較小，因而模具和機(jī)器的壽命較長(zhǎng)，上模更換少，用簡(jiǎn)單的模具能完成多種角度的折彎，對(duì)不同板材厚度或圓角半徑，可隨時(shí)更換凹模的V形開(kāi)口度。

在自由彎曲時(shí)，不管板料厚度如何，試驗(yàn)中采用的折彎半徑約等于彎曲下模具V形槽開(kāi)口距的1/3～1/2。折彎半徑小于或等于板料厚度時(shí)，彎曲層很容易斷裂[8]。

1.1 其它注意問(wèn)題

（1）高強(qiáng)板材成型時(shí)，當(dāng)兩個(gè)或者多個(gè)折彎部位相鄰或某一條邊折彎部分為長(zhǎng)度方向部分折彎時(shí)工件需要預(yù)留止裂槽。

（2）當(dāng)工件上的小圓孔離折彎半徑較近時(shí)應(yīng)考慮折彎和加工孔的順序，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可判定當(dāng)小圓孔邊緣距折彎后圓弧切線的距離大于兩倍板厚時(shí)，小圓孔不會(huì)發(fā)生變形。

（3）折彎件的直邊高度不宜太小，最小高度按要求：h＞2t；彎邊側(cè)邊帶有斜角的直邊高度。當(dāng)彎邊側(cè)邊帶有斜角的彎曲件時(shí)，側(cè)面的最小高度為：h=（2-4）t＞3mm。防止側(cè)邊扭曲變形。

（4）在折彎線與邊的距離小于1/2下模開(kāi)口時(shí)，要注意增加余料以防止折彎變形；當(dāng)折彎線與孔或者槽的距離小于兩倍的板厚時(shí)，也要增加余料以防折彎變形。

（5）當(dāng)折彎多道彎工件時(shí)要注意折彎順序，以免產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

三、板材折彎試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)生產(chǎn)需要，我們采用了生產(chǎn)與試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行，分別使用了1000t、2000t進(jìn)行折彎成形試驗(yàn)。

1.HARDOX系列板材折彎試驗(yàn)及生產(chǎn)

圖2 板材折彎試驗(yàn)

圖3 高強(qiáng)板成型生產(chǎn)

表2 HARDOX系列板材折彎數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.BIS系列與WELDOX板材垂直軋制方向的折彎試驗(yàn)

圖4 板材折彎試驗(yàn)

圖5 高強(qiáng)板成型生產(chǎn)

表3 BIS系列板材折彎數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

四、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.回彈角

回彈角的大小與折彎的壓力P大小有關(guān)，而壓力又取決于折彎下模的槽寬L與板料的厚度t，所以回彈的大小與折彎下模槽寬L和材料厚度t有關(guān)。槽寬L變大，壓力P變小，回彈就變大，否則相反；料厚t變大，壓力P變大，回彈變小，否則也相反[11]。

因此，如果折彎上模尖圓弧半徑相同或圓弧半徑相近時(shí)，折彎后內(nèi)圓弧半徑R的大小，影響最大的因素是折彎下模槽寬L及材料的厚度t。

從表2中不難看出，在相同材料、厚度、折彎力以及下?？趯挾鹊那闆r下，平行于軋制方向回彈角比垂直軋制方向大，約為4.9%。不論平行于軋制方向還是垂直于軋制方向，在下?？谠黾恿?0mm時(shí)，回彈角增加了0.5mm。

在表3中，理論折彎角度為90°，根據(jù)材料抗拉強(qiáng)度和硬度的增加會(huì)采用更大的上模尖R弧，參照板材理論回彈角度，采用編程修正度進(jìn)行修正，修正后的誤差大約為1.4%，增加了工藝精度。

此外，還可以通過(guò)改變凸模圓角半徑和凹模形狀深度，對(duì)工件的圓角處進(jìn)行過(guò)盈擠壓塑性變形，使角部的材料變薄，或在彎曲過(guò)程中采用遠(yuǎn)比實(shí)際所需彎曲力大的彎曲力來(lái)進(jìn)行強(qiáng)力彎曲，效果很好。

2.折彎半徑

在表3中，90°折彎常使用標(biāo)準(zhǔn)的70°下模，對(duì)WELDOX板材作垂直軋制方向的折彎試驗(yàn)時(shí)，其V形槽開(kāi)口寬度分別為50mm、80mm、90mm、100mm等多種規(guī)格，工件折彎后內(nèi)半徑分別為R10mm、R30mm、R35mm、R40mm。試驗(yàn)中，板材的厚度大都為10mm，工件折彎后內(nèi)圓半徑隨著板材抗拉強(qiáng)度和V形槽開(kāi)口寬度的增加而增加。

實(shí)際生產(chǎn)中鋼板成型時(shí)折彎半徑選取原則是板厚的2倍。根據(jù)試驗(yàn)和生產(chǎn)情況T系列和BIS系列高強(qiáng)板半徑的選取可參考以上兩種類(lèi)型高強(qiáng)板。

3.折彎方向

HARDOX400板材的平行和垂直方向的折彎對(duì)比試驗(yàn)，如表3所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明鋼板的軋制方向?qū)τ谡蹚漅弧和回彈影響較大，在相同的壓力的情況下，垂直于軋制方向折彎R弧和回彈比平行軋制方向小。

折彎的上模和下模，上模尖圓弧半徑不能過(guò)小，否則會(huì)出現(xiàn)壓痕。上模圓弧半徑隨著工件硬度和強(qiáng)度的增加而增加，同時(shí)還影響著折彎后內(nèi)圓弧的半徑。下模V形槽的開(kāi)口尺寸是重要的折彎參數(shù)，它與折彎板厚和折彎力有關(guān)。如表2所示，在相同的板厚情況下，開(kāi)口尺寸越大，所需折彎力越小，但是相應(yīng)的回彈量也會(huì)增大；表3中的數(shù)據(jù)還說(shuō)明了在相同厚度的情況下，隨著板材的抗拉強(qiáng)度和硬度的增加，開(kāi)口的尺寸要相應(yīng)的增大，折彎力也隨之變大；板厚越厚，所需開(kāi)口尺寸越大，折彎力也會(huì)變大。

折彎下模有不同寬度和不同角度的V形槽。由于折彎存在回彈現(xiàn)象，通常板材進(jìn)行90o折彎時(shí)，V形槽口應(yīng)小于90o。標(biāo)準(zhǔn)模具都是設(shè)計(jì)成88o進(jìn)行直角折彎的。試驗(yàn)對(duì)象的厚度和強(qiáng)度比較大，在折彎時(shí)應(yīng)選擇較小的下模開(kāi)口角，正常選擇不大于70°的模具。

表4 板材彎曲時(shí)推薦最小上模半徑與下模開(kāi)口寬度

4.折彎力

折彎力實(shí)際值都比理論計(jì)算的大些，實(shí)際的折彎力P≈1.2P，這是因?yàn)檎蹚澐€(wěn)定性的緣故，折彎壓力小的時(shí)候，機(jī)床滑塊在下行折彎板材時(shí)，容易出現(xiàn)滑塊受到負(fù)載產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，加大壓力后抖動(dòng)現(xiàn)象好轉(zhuǎn)。鋼板的抗拉強(qiáng)度和硬度越高，所需的折彎力越大，角度越大，內(nèi)R弧越大。

五、總結(jié)

試驗(yàn)通過(guò)對(duì)國(guó)際上通用的各種高強(qiáng)度板材進(jìn)行折彎加工和測(cè)量，了解到高強(qiáng)度板材折彎精度的影響因素，掌握了各種高強(qiáng)度板材折彎的基本數(shù)據(jù)和控制方向，確定了各種板材折彎的安全方法，以及鈑金過(guò)程中容易發(fā)生變形區(qū)域主要集中在板材彎曲外皮處，鈑金過(guò)程中工件變形的主要因素為板材彎曲部位局部變薄、發(fā)生回彈以及發(fā)生翹曲和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

總之，本文通過(guò)試驗(yàn)與生產(chǎn)相結(jié)合的方法得出了幾種常用高強(qiáng)度板材折彎過(guò)程中折彎半徑、模具參數(shù)、軋制方向等工藝參數(shù)的選取原則及折彎力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法，為在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)?！?/p>