高强耐磨钢折弯成形极限研究与应用

余亚克，李晓广，张东凯

(河钢集团邯钢技术中心，河北 邯郸 056038)

某自卸车边板由NM400材料经过多次折弯成形得到，由于NM400材料具有较高的强度和硬度，可以提升零件耐磨性，增加零件的服役寿命，但同时也增加了零件的加工难度。尤其是针对大角度的折弯变形，如果折弯模具的尺寸参数设置不合理，易出现开裂问题，造成零件报废。因此如何通过仿真的手段，研究大角度折弯状态下，模具关键尺寸参数即模具圆角半径与材料折弯成形极限的关系，成为自卸车边板成形加工过程中亟待解决的问题。

折弯——金属板料在折弯机上模和下模的共同作用下，实现局部的塑性变形，得到一定角度的V形零件的加工过程。在折弯过程中，弯曲件的外层受拉应力，内层受压应力。弯曲件的外层受拉应力经弹性变形然后塑性变形，当材料内部所受的应力值超过材料抗拉强度时，弯曲件出现断裂问题，直接造成零件的报废。

1 仿真模型的建立

1.1 CAE模型的建立[1]

基于某车型边板照片，对比每个位置的折弯角度及对应圆角半径，分析确定出零件的关键成形工序，通过合理简化，充分提高仿真计算效率。分析零件的折弯角度，充分保证折弯的仿真精度，针对关键区域采用三维造型软件设计出二维的折弯模具及板料模型。将模型分别导入专业的金属仿真软件中，设置凹、凸模及板料的属性，将凹凸模定义为刚体，板料定义为塑性体，对凸模设置运动方式，沿-Y方向运动，速度为200 mm/s，凹模固定不动，模拟步数设定为72，将板料划分为5000个网格，为进一步提高仿真精度，将板料中间位置大变形区域进行网格的局部细化，可以充分保证变形区域的网格数量及网格尺寸，从而保证仿真精度，如图1所示，为充分考虑折弯圆角半径对成形的影响，分别以R=4.2a、R=3a、R=2.1a(板料a=6 mm)，三种圆角半径为研究对象。

图1 仿真模型

2 建立材料本构模型

2.1 本构关系拟合

基于试验所测的力-位移曲线，根据体积不变原理，求解材料的真实应力-真实应变曲线，如图2所示，由图2可知真实应力出现下降，表明拉伸试样出现失稳，体积不变原理失效[2]。

图2 材料本构模型

对参考图2中真实应力-真实应变曲线最高点之前的塑性变形段进行拟合，得到材料硬化的本构模型如公式1所示。

(1)

2.2 断裂阀值求解

结合材料的应力应变曲线塑性应变区间，基于上述本构关系，进行Cockcroft&Latham[3]断裂失效模型的断裂阀值的求解，失效模型如公式2所示，按照公式计算得断裂阀值[1]为0.202。由于所参考的塑性真实应变根据失稳态的真实应变求得，故存在一定误差，需进行仿真对标。

(2)

3 单向拉伸试验仿真对标

3.1 拉伸试样样本设计

按照试验标准要求[4]，确定单向拉伸标准试样基本形状如图3，根据矩形截面非比例试样尺寸标准如表1确定拉伸试样的几何尺寸，采用专业的三维造型软件建立试样的模型。

图3 拉伸试样示意图

表1 矩形横截面非比例试样

3.2 仿真模拟的前处理

根据三维造型软件中设计的样件实体造型，生成试样的仿真模型[5]如图4，输出文件的扩展名为.IGS格式，将计算模型导入到专业的金属仿真软件中，进行网格划分，设置载荷、约束和运动方式，并采用硬化模型公式(1)，以现场试验NM440材料的力-位移曲线为判断标准。

3.3 单向拉伸仿真模拟的结果

仿真运算导出拉伸力-位移曲线，通过与试验中的拉伸力-位移曲线对标，如图5可以看出在拉伸的前半段过程中两条曲线的吻合度比较高，随着位移载荷的不断增加，试样横截面不断减小，拉伸位移增加导致拉伸力不断加大。当横截面缩小到一定程度，拉伸力不再增加，反而减小，可以看到仿真曲线出现明显的缩颈段，对理论求解得到的断裂阀值进行对标修正；断裂阀值的最终修正结果为0.22，修正后的力-位移曲线现场试验的对标结果如图5所示。进行仿真模拟。

图4 单向拉伸的仿真模型

图5 拉伸试验仿真对标结果

4 仿真结果

针对圆角半径分别为4.2a、3a、2.1a的90°折弯成形，成形仿真结果如图6所示，由图可知3种圆角半径下断裂失效最大值分别达0.0974、0.143、93，随着折弯圆角半径的减小，断裂失效值增大；其中针对R=2.1a，折弯成形至103.5°时失效值达到断裂阀值0.22材料出现开裂，然后失效值急剧增大；针对R=3a、R=4.2a两种圆角半径，折弯至90°失效值为超过断裂阀值0.22，材料未出现开裂。

R=4.2a R=3.0a R=2.1a图6 折弯成形仿真结果

5 设计零件结构

根据折弯成形的仿真结果，零件的折弯半径为2.1a时，零件折弯时出现开裂问题，折弯半径为3a及4.2a时，零件折弯时未出现开裂问题，基于以上仿真结果将零件90°折弯位置圆角半径设计为4.2a厚度，具体零件如图7。

图7 边板

6 结论

(1)针对折弯成形，经仿真验证NM400材料(与该材料性能接近的NM450HR)可以满足采用4.2a的圆角半径进行90°折弯。

(2)基于修正的本构模型、断裂模型、断裂阀值，进行90°折弯成形仿真模拟，得到3种圆角半径的仿真结果，圆角半径的大小与失效值Damage呈反相关。

(3)折弯圆角半径作为影响成形的关键参数，其值越小越易出现开裂，针对该材料圆角半径的临界值在2.1a与3a之间，考虑到该材料的弹性延伸段和非比例延伸段较大，建议将3a作为临界值。

(4)折弯圆角半径作为影响成形的关键参数，直接影响折弯到顶角处的失效值，当折弯半径过小以致失效值超过断裂阀值时出现开裂。