基于双齿条单齿轮轴系结构的三维变截面辊弯成形装备缺陷控制

基于双齿条单齿轮轴系结构的三维变截面辊弯成形装备缺陷控制

变形截面的辊弯形成与定截面的辊弯形成相同，是一种渐进的形成方式。每个通道使用多个通道，每个通道接受一定的形状，并叠加多个通道的形状，以完成目标件的形状。变截面辊弯成形概念提出已有十几年的时间,但由于利用辊组共轭空间曲线扫出空间曲面时仅能控制该曲线上的一点,存在非控制区,由此会造成辊弯过程中底部腹板具有“自由变形区”。由于“自由变形区”的存在,当截面由宽变窄时,两部分轧辊需要同时向中心运动,此时两边轧辊产生推力使得底部发生受压弯曲,板材底部发生弹塑性变形,后退轧辊释放推力后,由于材料的弹性变形,出现较大回弹,影响折弯角度,难以达到成形精度;当截面由窄变宽时,两端轧辊需要分别向外运动,会在折弯区对材料产生横向的拉力,由于折弯区附近作用面积较小,使得板料在局部受拉时产生拉伸变形,同样在板材底部发生弹塑性变形,弹性变形将释放一定的回弹量,塑性变形将出现翘曲缺陷。因此,迄今为止,变截面辊弯成形在轿车结构件制造的生产线尚未出现。本文基于双齿条单齿轮轴系结构的三维变截面辊弯成形装备,进行缺陷控制,建立缺陷优化仿真模型,针对DP980双相钢材料进行某汽车构件成形全流程仿真,掌握板材成形过程中复杂的变形规律、轧辊成形力与回弹预测,为变截面辊弯成形装备研制提供理论依据。13d弯生成原理1.1旋转四轴实验方法三维变截面辊弯成形是利用具备联动的轧辊组顺序协调运动完成细长构件成形。在每一道次左右机架上都由两个直线轴来执行空间直角坐标系下Y轴方向的左右平动,并通过两个直线轴的差动使机架绕Z轴摆动,即在一定角度范围内转动;再由两个旋转轴驱动轧辊绕垂直于板材前进方向上Y轴的旋转运动带动板材沿X向移动,实现3个维度上的运动,以满足特殊截面的辊弯成形。由于每个机架是三维运动,每个道次对称布置两个机架,所以每个道次总体是三维运动,由此定义该装备为三维变截面辊弯成形机。图1为六道次三维变截面辊弯成形样机。1.2确定成形截面区域图2为三维变截面辊弯成形原理图,共有6个道次,每个道次有两个上轧辊与两个下轧辊,板材通过上轧辊组逆时针旋转、下轧辊组顺时针旋转,靠上下轧辊与板材之间的摩擦力带动板材沿X轴移动,成形前各道次轧辊组沿Y轴运动到成形轨迹初始位置,板材开始进料,此时轧辊组仅通过自转带动板材移动,成形出与截面一致的形状,本文称该区域为定截面区。板材继续沿X轴移动,成形轨迹由窄到宽时,左右机架轧辊组绕Z轴转动,使其轧辊成形面保持与成形轨迹相切并沿Y轴向后(板材两侧)平动;成形轨迹由宽到窄时,左右机架轧辊组绕Z轴转动,使其轧辊成形面保持与成形轨迹相切并沿Y轴向前(板材中心)平动,这样成形出与截面不一致的形状,本文称该区域为变截面区。图中6个道次,每个道次成形一定的折弯角度,后一道次的成形轨迹精确重合前一道次的成形轨迹,板材顺次经过6个道次后,6个道次的成形量顺次叠加,折弯成最终的成形角度,完成目标件变截面辊弯成形。23d蒙太奇中规流轴连接2.1辊弯过程内部空间的运动规律变截面辊弯工艺与定截面辊弯有着显著不同,对于对称件而言,每一道次轧辊分为左右两部分,根据目标零件形状需要,在变截面辊弯过程中两部分轧辊需要独立进行旋转、平动与转动,因此两部分轧辊间需要足够的空间来保证上述运动进行,由此造成辊弯过程中底部腹板具有“自由变形区”。由于“自由变形区”的存在,当截面由宽变窄时,两部分轧辊需要同时向中心运动,此时两边轧辊产生推力使得底部发生受压弯曲,板材底部发生弹塑性变形,后退轧辊释放推力后,由于材料的弹性变形,出现较大回弹,影响折弯角度,难以达到成形精度。对于“自由变形区”而言,当截面由窄变宽时两端轧辊需要分别向外运动,会在折弯区对材料产生横向的拉力,由于折弯区附近作用面积较小,使得板料在局部受拉时产生拉伸变形,同样在板材底部发生弹塑性变形,弹性变形将释放一定的回弹量,塑性变形将出现翘曲缺陷,如图3所示。2.2全域整平辊变截面辊弯成形缺陷出现的主要原因是“自由变形区”的存在,鉴于此,必须约束板料的自由变形,通过增加约束辊来限制成形时金属的自由流动。变截面辊弯成形与定截面辊弯成形不同,约束辊只能约束其最小截面的等截面自由变形区,对于变截面部分无法约束。为了提高成形质量,在最小截面区加入整平约束辊,即为每一个道次增加支撑辊,在每一道次间增加整平辊;为实现变截面区整平,在成形的最后一个道次加入全域整平辊。全域整平辊采用双立辊结构,内侧立辊底部端面与变截面区底部腹板进行面接触,沿成形轨迹运动,实现变截面区底部腹板整平;外侧轧辊在约束外折弯面的同时与内侧轧辊同时作用完成折弯,如图4所示。3元件模拟：变截面辊弯成像3.1阻尼矩阵及节点加速度动力显式有限元平衡方程为:式中:M为节点质量矩阵;C为阻尼矩阵;F为内力矢量;P为外载荷矢量;u·为节点速度;u··为节点加速度。对于接触问题的动力学平衡方程,需要考虑阻尼λ,引入摩擦接触反力,其平衡方程可表示为:3.2零件成形模拟仿真材料为DP980高强钢,通过单向拉伸试验获得的力学性能见表1所示,板料初始厚度1.0mm。采用6道次模拟仿真,各道次轧辊下方放置约束支撑辊,各道次间放置约束整平辊,第6道次采用全域整平立辊,轧辊道次间距为L=900mm,轧辊辊缝为S=1.0mm。由于板料从第1道次就发生折弯,故采用第1道次下轧辊下移10mm的方法,在第1个分析步中再将该轧辊向上移动10mm,压紧板料后,进入第2个分析步,进行三维变截面辊弯成形的全流程模拟仿真。目标零件形状是边腿弯曲角度为80°的U形截面,变截面区长度为347.8mm,截面变化由362到396.8mm。板料长2832mm,最窄处为444.3mm,最宽处为639mm,板料带有方孔特征。通过6道次辊弯最终得到目标形状,成形角度分别为:5°,25°,45°,65°,80°和80°。整体三维装配模型如图5所示。基于动力显式有限元法,采用大型非线性有限元软件ABAQUS进行仿真,应用Mises屈服准则,板料选用三维壳单元S4R,轧辊选用离散式刚体单元R3D4,仿真中板料的速度为2000mm·s-1,摩擦系数设为0.05,由于变形对称,为了提高计算效率,取一半模型进行模拟,坯料尺寸如图6所示。3.3有限模拟结果3.3.1孔所在区域的影响经过6道次成形仿真,板料成形后等效应力云图、等效塑性应变云图与截面厚度云图如图7所示。从图中可以看出,整体成形质量较好,边腿没有出现明显边波,方孔所在区域对成形几乎没有影响,没有出现弯曲与翘曲缺陷。等效应力分布都集中在成形轨迹折弯部分,尤其是变截面区域的折弯角附近,以及边腿与耳朵的附近区域;等效塑性应变也主要集中在成形轨迹的折弯区,变截面区域应变相对明显,但总体发生塑性应变较小;对于厚度上的变化,仅仅在变截面轨迹折弯曲区出现很小的变化量,由原来板厚的1.0mm,减薄到0.98mm左右。在变截面与定截面过渡区域及耳朵中间的折弯区域出现板材增厚的情况,厚度变化为0.01mm。3.3.2道次u3000成形力从仿真结果中提取6道次轧辊成形反力,如图8所示。从图中可以看出前两道次轧辊成形力较小,随着折弯角度的增大,从第3、4道次逐渐增大到了将近7000N的成形力,第5道次接近10000N,第6道次成形力达到最大,接近11000N。各道次最大成形力见表2所示。3.3.3变截面区域弯角较从仿真结果中截取成形后的定截面与变截面区域的两个截面,并提取其坐标数据绘制曲线如图9所示。从图中可以看出定截面区域成形截面非常平整,在变截面区域两侧略向上弯曲,导致成形弯角比定截面大,经过取点计算,定截面区域U形截面弯角为70.45°,变截面区域弯角为79.21°,目标折弯角度为80°,定截面区域出现较大回弹,回弹角度为9.55°,而变截面区域回弹较小,回弹角度仅为0.79°。4汽车b柱加强板仿真将成形缺陷控制方法应用到图1所示的三维变截面辊弯成形样机中,各道次增加支撑辊,各道次间增加约束整平辊,最后一个道次增加全域整平辊。采用该样机装备对某汽车B柱加强板目标件进行成形,成形件如图10所示,从图中可以看出,成形质量较好,腹板平整,没有出现弯曲与翘曲缺陷,整体成形效果与有限元仿真结果云图形状基本一致。通过成形实验,验证了缺陷控制方法可以有效控制弯曲与翘曲缺陷出现,提高了成形质量。5增加缺陷控制方法效果(1)对DP980高强钢进行三维变截面辊弯成形缺陷优化模型的全流程模拟仿真,仿真结果表明各道次增加支撑辊,各道次间增加约束整平辊,最后一个道次增加全域整平辊的缺陷