上模具圆弧大小对高强方矩管冷弯成型角隅内侧裂纹的影响

陈叶清 骆海贺 刘占增 乔午锋 高长华 解 德 / .武汉钢铁（集团）公司研究院 .华中科技大学

上模具圆弧大小对高强方矩管冷弯成型角隅内侧裂纹的影响

陈叶清1骆海贺1刘占增1乔午锋2高长华2解 德2/ 1.武汉钢铁（集团）公司研究院 2.华中科技大学

高强方矩管在成型生产过程中时常出现角隅内侧开裂，本文采用有限元数值模拟仿真计算，研究了上模具圆弧大小对产生裂纹的影响规律。研究表明，对于两种不同规格方矩管，上模具圆弧大小对产生裂纹的影响规律相同，即等效塑性应变随着圆弧半径减小而增大。

数值模拟；冷弯成型；裂纹；模具

1.前 言

高强钢由于具有强度高、延伸率低、变形大、成型反弹大等特点，因而在冷弯成型生产过程中以及用户的二次加工过程中时常出现开裂，而且相当一部分是在管子的角隅内侧开裂。进行高强方矩管冷弯成型数值仿真研究，有助于解释高强方矩管在成型过程中产生裂纹等缺陷的原因，以及提出降低裂纹等缺陷发生概率的工艺优化改进措施。

国内外对方矩形管冷弯成型的研究主要集中在数值仿真、成型工艺和成型缺陷等三方面。武汉科技大学的胡盛德[1]等基于ANSYS-APDL参数化设计语言，对冷弯矩形管的主要成型道次进行了有限元模拟。比利时的Q.V.Bui[2]等对冷弯成型进行了三维数值仿真，并将数值仿真的纵向应变和轨迹曲线和实验进行了对比。石家庄轴承设备股份有限公司的李国荣[3]等从节省原料的角度，对方矩形管“先圆后方”和“直接成方”两种成型方式进行了对比，认为采用“直接成方”工艺可以节省原料。从国内外公开的相关文献可以看出，人们对方矩形管的数值仿真研究主要集中在某些道次，对整个成型过程没有一个完整的系统的数值仿真研究。基本上没有涉及对矩形管裂纹产生原因和预防进行讨论，更谈不上应用工厂的实际生产案例。

本文针对客车用高强方矩管在冷弯成型过程中角隅内侧产生裂纹的现象，采用数值模拟仿真方法研究了实际生产中的上模具圆弧大小对产生裂纹的影响规律。

2.数值仿真模型的建立及计算

高强方矩管冷弯成型数值仿真模型的确立主要根据高强方矩管的实际生产工艺流程来确定，研究模型采用了两个不同规格（规格一：40×40×1.5mm，规格二：100×40×3.0mm）的四四二次弯边成型方矩管。

有限元模型的建立利用Femap软件，计算仿真利用以擅长处理非线性和复杂接触问题著称的ABAQUS高级有限元仿真软件。计算方法采用二维有限元数值仿真分析方法，能完整地仿真整个冷弯成型流程，且能方便地分析冷弯成型过程中的大塑性变形和回弹等成型基本现象。尤其对容易产生裂纹的角隅处，能方便地对其进行细节分析。

研究所选取的工艺参数值均参照生产现场的实际工艺参数范围进行选取。规格一的上模具圆弧半径分别设为8mm、7mm、6mm；规格二的上模具圆弧半径分别设为12mm、10mm、8mm。

通过有限元数值模拟仿真计算，不同上模具圆弧半径（8mm、7mm、6mm）的规格一方矩管最终成型的等效塑形应变值分别为0.4625、0.5374、0.5717，不同上模具圆弧半径（12mm、10mm、8mm）的规格二方矩管最终成型的等效塑形应变值分别为1.1120、1.1220、1.2280。

3.分析与讨论

关键节点处产生裂纹的原因必须满足两个条件：一是等效应力-应变曲线的流动超过材料的真应力-应变曲线；二是该关键节点处存在拉应力。如果材料在加工过程中的等效塑形应变相对越小，则相对越安全，即出现裂纹的几率越小。

计算结果表明：对于两种不同规格方矩管，上模具圆弧大小对产生裂纹的影响规律相同，即：随着圆弧半径减小，等效塑性应变有增大的趋势。其原理可以从图1来理解。

图1 上模具圆弧大小的改变对挤压钢板的影响

图1表示上模具圆弧大小的改变对挤压钢板的影响。当上模具圆弧半径由较大的R1变化为较小的R2时，上下模具的最小间距由AB变化为CD，显然AB小于CD。即这时上模具对钢板的圆弧段挤压不充分，导致圆弧过小，而又要成型到相同的角度，所以圆弧段的挤压变形会变得严重，塑性应变会增加。

因此，在实际生产中，在不影响产品规格和成型角度的情况下，宜采用上模具圆弧较大的工艺参数。

4.结 论

数值仿真计算结果表明：对于两种不同规格方矩管，上模具圆弧大小对产生裂纹的影响规律相同，即等效塑性应变随着圆弧半径减小而增大。而加工过程中等效塑形应变增大，则产生裂纹的几率也相应增大。因此，在实际生产中，在不影响产品规格和成型角度的情况下，宜采用上模具圆弧较大的工艺参数。

[1]胡盛德，张雪峰，刘勇，马力，王绢，汪雯婕.冷弯矩形管主要成型道次的FEM模拟[J].武汉科技大学学报，2012，35（6）：407-436.

[2]Q.V.Bui，J.P.Ponthot.Numerical simulation of cold rollforming processes[J].journal of materials processing technology，2008，202：275-282.

[3]李国荣.方矩形管成型方式的选择[J].焊管，2008，31（2）：69-96.