鎂合金型材繞彎成形仿真模擬

2021-01-08 網易

　　· 概 述

　　 繞彎成形是一種效率和成形質量較高的彎曲成形工藝，適用於成形截面複雜的型材。型材坯料在繞彎成形過程中，可能出現起皺、塌陷、回彈等缺陷，對於非對稱截面型材還可能產生的縱向扭曲、中性層內移等問題。

　　 採用MSC Marc軟體，創建鎂合金型材繞彎成形過程的有限元模型，分析成形過程中的應力、塑性應變以及溫度變化，觀察成形過程可能產生的缺陷，便於對成形工藝進行指導以提高生產效率。

　　

　　 圖1 繞彎成形型材實物

　　

　　 圖2 繞彎成形型材數模

　　· 工藝原理

　　 按照工藝可以分為有芯繞彎和無芯繞彎；按照彎曲時是否加熱，可以分為冷繞彎和熱繞彎；按照自動化程度，可以分為手工繞彎和自動繞彎。

　　 以有芯自動熱繞彎成形為例，加工過程如圖3所示：

　　 1）先對型材進行預熱，型材一端固定於端部夾鉗中，另一端夾持在液壓缸拉伸裝置中；

　　 2）通過拉伸夾持裝置使型材伸長，使型材處於拉應力狀態；

　　 3）動模（滑塊）對型材施加壓力使其壓靠在定模（彎曲模具）上，形成一定彎曲半徑；

　　 4）成型結束之後，撤去拉伸夾持裝置和動模，取出型材。

　　

　　 a）初始狀態 b）最終狀態

　　 圖3 型材繞彎成型工藝原理

　　· 模型簡化

　　 所創建的有限元模型如圖4所示，根據結構的組成、變形情況及其對坯料的作用，對模型做了如下簡化：

　　 1）成形設備包括固定夾頭、張力夾頭、定模和動模，其中固定夾頭和張力夾頭簡化成位移邊界條件，定模和動模的變形比較小，用剛體表示；

　　 2）坯料的截面對稱，為了提高計算效率，對坯料模型使用對稱邊界條件以減小模型的規模。

　　 3）在壓制過程中，坯料與定模、坯料與動模之間發生接觸，需要按照實際情況設置接觸關係。

　　

　　 圖4 型材繞彎成形有限元模型

　　· 網格信息

　　1）型材坯料網格信息

　　 型材坯料用彈性體表示，如圖5所示，模型選用六面體單元。沿其橫截面方向應力變化較大，需要細化以體現分析結果，單元尺寸取1mm；沿軸向方向受力狀態變化平緩，為提高計算效率，單元可以設置得比較稀疏，取5mm。總的單元數目為5580。模型選用熱/結構分析類型進行計算，計算單元使用八節點全積分單元，在MSC Marc中，單元編號為7。

　　

　　 圖5 型材坯料網格

　　2）模具網格信息

　　 動模及定模均簡化成剛體，不需要劃分單元。

　　· 材料參數

　　 所分析的型材坯料為鎂合金，其彈性模量、膨脹係數、導熱率、比熱容等參數均隨溫度變化，具體數據來自MSC Marc材料資料庫中編號為1_0303的材料。

　　· 邊界條件

　　 型材彎曲速度0.3rad/s，模具預熱溫度60℃，型材初始溫度160℃，彎曲內半徑84mm，彎曲角度103°。型材坯料的邊界條件如圖6所示。

　　

　　 圖6 坯料位移邊界條件

　　· 求解器

　　 模型選用Trans/Static分析類型，採用Full Newton-Raphson迭代過程進行求解，加載過程所用時間為6s，固定時間步長0.03s/步，卸載的時間為4s，使用固定時間步長0.04s/步，總的計算成形時間為10s。

　　· 仿真結果

　　 圖7、圖8分別為加載、回彈過程，圖9、圖10、圖11分別為成形最終狀態的Von Mises應力雲圖、塑性應變雲圖和溫度分布雲圖。

　　 1）不同時刻坯料與模具的相對位置如圖7所示，可知隨著動模和彎曲模相對位置的變化，坯料變形不斷增加。

　　

　　 a）t=1.5s

　　

　　 b）t=3.0s

　　

　　 c）t=4.5s

　　

　　 d）t=6.0s

　　 圖7 不同時刻的成形結果

　　 2）圖8為加載最終狀態和卸載後型材回彈的結果。當除去外部約束之後，型材彈性變形恢復，而塑性變形不變。

　　

　　 a）回彈初始狀態

　　

　　 b）回彈最終狀態

　　 圖8回彈結果

　　 3）繞彎過程中，隨著變形的進行，應力逐漸增加。在圖9所示的成形最終狀態下，Von Mises應力最大達396.4MPa，最大值在型材的外區。

　　

　　 圖9 Von Mises應力分布雲圖

　　 4）圖10為等效塑性應變分布雲圖，其分布與Von Mises應力雲圖分布類似，最大的塑性應變也在型材的外區，最大值為0.1155。變形結果沒有觀察到缺陷。

　　

　　 圖10 等效塑性應變分布雲圖

　　 5）坯料的初始溫度160℃，模具溫度恆為60℃。由於塑性生熱，成形的初始階段型材表面溫度稍有升高，隨著型材和環境之間輻射傳熱增加，以及模具與坯料之間的接觸傳熱的進行，型材溫度逐漸降低。圖11所示成形最終狀態下，在型材彎曲最明顯的位置，溫度約為130℃。儘管塑性變形最劇烈，但由於塑性生熱的速度低於接觸傳熱導致的熱量損失，該位置比沒有接觸的部位溫度更低。

　　

　　 圖11 溫度分布雲圖

　　· 結 論

　　 1）所創建的有限元模型能反映模型的加載、卸載過程，型材坯料的應力、塑性應變以及溫度分布趨勢與實際情況類似；

　　 2）根據變形情況，可知型材未發生起皺、塌陷、回彈、扭曲等缺陷。

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