复杂截面冷弯成形圆角减薄率工艺优化研究

刘阳，李庆达，高亚南，耿晓勇，李彦波，王文彬，杨建国，王伟

复杂截面冷弯成形圆角减薄率工艺优化研究

刘阳，李庆达，高亚南*，耿晓勇，李彦波，王文彬，杨建国，王伟

（凌云工业股份有限公司 河北省汽车安全件技术创新中心，河北 涿州 072750）

针对复杂截面车门中导轨冷弯成形过程复杂、道次繁多、Z字筋圆角减薄率过大等问题，基于车门中导轨冷弯成形工艺，优化Z字筋圆角冷弯成形工艺和减薄率。利用COPRA FEA有限元仿真软件对车门中导轨成形过程进行分析，研究轧辊圆角半径、成形速度、成形策略等对圆角减薄率的影响，结合有限元分析手段不断优化工艺参数来实现中导轨Z字筋圆角精确成形，最终提出最优工艺方案并进行实验验证。对于大圆角成形工艺，圆角处弯曲中性层完全位于料厚范围内，在料厚方向上既有压应力又有拉应力，壁厚减薄量较小；对于小圆角成形工艺，圆角处中性层偏出内弧面，在料厚方向上均受拉应力，壁厚只存在减薄的趋势。实验结果表明，Z字筋圆角厚度由1.33 mm变成1.46 mm，减薄率由原来的26.1%降低至18.89%。仿真结果表明，Z字筋圆角厚度由1.29 mm变成1.52 mm，减薄率由原来的28.3%降低至15.6%。对比仿真结果与实验结果可知，仿真分析最大误差为4.1%，仿真结果具有一定的可靠性。最优工艺路线如下：采用大圆角、慢速成形，成形策略为中前期大圆角成形+后期小圆角成形，成形圆角半径分别为4.5、3.5、2.8、1 mm，弯折角度分别为45°、65°、78°、90°，该方案可以有效解决圆角减薄率过大的成形缺陷。

圆角减薄率；冷弯成形工艺；车门中导轨；应力；有限元仿真；实验；大圆角成形

中导轨是汽车车门系统的一部分，用于车门导向，高精度中导轨能够有效减小滑动阻力，降低噪音并吸收振动[1]。汽车行业标准规定，钢板的最大减薄率不能超过20%。根据现场反馈及调查结果发现，在冷弯成形过程中，SGM458中导轨Z字筋圆角容易出现不饱满的现象，经过切片扫描检测发现，圆角减薄率超过26.1%，远超出汽车行业标准。

冷弯成形广泛应用于冷轧型材的制造中，该工艺通过连续弯曲金属板带来加工所需型材，其核心工艺是合理设计每道次轧辊模具形状并对辊花截面进行精确把控[2-5]。多道次弯折经历了轧辊大圆周运动、有限应变等过程，具备几何非线性、物理非线性、边界条件非线性等成形特点[6-10]，因此，成形工艺非常复杂且成形规律难以控制[11-14]。传统冷弯成形工艺通过不断试错、投制新轧辊或改制轧辊形状，才能得到满足要求的截形尺寸，其加工试验费用较高、多次性投入成本较大。

针对冷弯成形工艺及有限元分析，有不少学者进行了研究。李冲等[15]建立了非对称截面V字形超高强钢冷弯成形有限元仿真模型，采用实验及有限元模拟相结合的方法，得到了一种减小Ｖ字形非对称截面扭曲缺陷的方法。魏小平等[16]对封闭复杂截面微通道管冷弯成形进行了辊花设计，通过ABAQUS软件模拟分析了冷弯成形全过程，验证了成形工艺的可行性。Su等[17]使用COPRA软件，对多道次弯曲角度分布模型进行了仿真分析，优化了帽字形门槛成形工艺全过程。Xing等[18-19]和Luo等[20]对冷弯成形方矩形管建立了有限元模型，结果表明，仿真分析误差较小，验证了仿真模型的准确性。Jiang等[21]利用ABAQUS软件建立了帽字形截面冷弯成形三维有限元分析模型，提出了一种精确控制高强度镀锌钢回弹角的方法，提高了成形质量。孙庆东等[22]应用COPRA软件对8字形管材进行了辊花工艺设计，并应用ABAQUS软件进行了全流程成形仿真，通过仿真分析结果优化了轧辊成形面。孙庆东等[23]针对O形管材成形工艺进行了研究，应用ABAQUS软件进行了全流程成形仿真，通过仿真分析对原轧辊的部分道次工艺进行了优化设计，并对优化方案进行了生产验证，该方法对轧辊设计提供了有益的帮助。肖小亭等[24]针对中滑轨冷弯成形工艺进行了计算机有限元模拟，并将模拟结果应用到实际生产中，结果表明，仿真优化的工艺可使冷弯成形具有较高精度。Wang等[25]基于有限元方法研究了铝合金Z字形型材的扭曲缺陷，仿真结果表明，基于有限元分析的控制策略对扭曲缺陷具有显著的抑制作用。Liang等[26]应用COPRA软件进行了轧辊设计，并结合有限元分析软件ABAQUS建立了“b”形截面的三维有限元分析模型，分析了不同工艺参数对边缘波的影响，最终确定了最佳的工艺参数组合。

减薄率是影响车门中导轨成形质量的重要参数之一，其中复杂截面中的Z字筋圆角减薄率更加难以控制。因此，本文采用专业COPRA软件进行设计及仿真分析，实现了Z字筋圆角的成形过程，并厘清其成形原理，将圆角减薄率控制在20%范围内，提出了一种优化Z字筋圆角成形的工艺方法；基于中导轨冷弯成形工艺，通过对Z字筋圆角成形工艺的不断优化，从而解决了壁厚减薄率超标问题；最终将计算机仿真分析与工艺实验相结合，将优化工艺方案运用到实际生产中，从而减少了设备和人力投入，切实提高了产品竞争力。

1 车门中导轨属性

车门中导轨模型及截面形状如图1和图2所示。Z字筋理论成形角度为90°，圆角半径为1 mm，竖筋直线段较短，增大了成形难度。产品件材料为低合金高强钢CR340/590，壁厚为1.8 mm，泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa，屈服极限s=385 MPa，抗拉极限b=595 MPa，延伸率为22.5%。为搭建有限元模型将原材料拉伸曲线转换成真应力-应变曲线，如图3所示。

图1 车门中导轨模型

图2 车门中导轨截面特征

图3 真实应力-应变曲线

2 车门中导轨有限元模型的建立

根据车门中导轨的几何结构特征，在COPRA RF中进行辊花设计以及轧辊模具设计。1）辊花设计：根据截型外轮廓，将截型外轮廓合并成COPRA设计所需的多义线格式，设置料厚为1.8 mm，并定义截型最低点为“展开基准平面”的展开中心；遵循弯折角度先快后慢的原则，通过辊花展开命令对各圆角依次进行角度展开，辊花展开计算方法为DIN6935。2）轧辊模具设计：辊花截形展开后，依据各辊花形状进行轧辊设计，在轧辊设计中，通过定义上下轴线、定义轧辊属性、提取配辊道次和生成实体流程进行轧辊模型生成。3）有限元模型搭建：将上述生成的CAD模型导入COPRA FEA软件中进行前处理，包括网格划分、材料设置及边界条件设置等。

2.1 有限元网格的划分

将仿真模型变形体设置为计算精度较高的八节点线性六面体网格。为了提高计算壁厚方向的减薄率精度，沿厚度方向设置网格系数为2，沿圆弧段设置网格系数为2。为提高计算效率，沿截型本体直线段设置网格系数为1，沿轧制方向设置网格系数为1，生成节点数量为49 098，共计单元数量为31 968，如图4所示。

图4 网格划分模型

2.2 边界条件设置

将本次冷弯成形设置为滚动模型；轧辊实际间距为380 mm，料带长度为轧辊间距的3倍，产线速度为10 m/min，设置轧辊速度为22.75 r/min，将所有轧辊设置为下轴驱动；设置轧辊与料带之间的摩擦因数为0.17。加载以上边界条件，得到有限元网格模型，如图5所示。

图5 车门中导轨有限元模型

3 成形工艺优化及仿真分析

3.1 成形工艺方案确定

基于中导轨冷弯成形工艺，初步分析冷弯成形Z字筋圆角成形精度的影响因素，进一步从人、机、料、法、环五方面分析圆角减薄率的影响因素，如图6所示。

通过现场调查、实验验证和比较分析等方法，对影响圆角减薄率的各个因素逐个确认，排除了人员技能、设备精度、环境温度变化、材料性能波动等因素。成形工艺是模具设计的灵魂，直接影响着产品设计质量。对不同设计人员的不同成形工艺的产品进行检查，发现不同成形工艺生产的产品精度有明显不同，即轧辊圆角半径、成形速度、成形策略等对壁厚减薄率产生了一定的影响。进一步判断成形工艺性不佳可能是产生问题的主要原因，针对该原因进行了深入研究。因此，选择轧辊圆角半径、成形速度、成形策略作为冷弯成形工艺优化的参数，并制定仿真试验方案，如表1所示。

图6 圆角减薄率影响因素分析图

表1 仿真试验方案

传统辊花设计采用定半径设计，即圆角半径不变，弯折角度遵循先快后慢的原则。共设计4种方案。方案一为小圆角快速成形方式，其工艺参数如下：圆角采用定半径成形，所有道次成形半径为最终圆角半径（1 mm），圆角分三道次成形，理论成形角度分别为45°、78°、90°。方案二为小圆角慢速成形方式，其工艺参数如下：首道次采用大圆角成形，成形半径为3.2 mm，其余均采用小圆角成形（半径为1 mm），理论成形角度分别为25°、45°、78°、90°。方案三为大圆角成形+小圆角慢速成形方式，将大圆角成形及小圆角成形道次均分，其工艺参数如下：前两道次采用大圆角成形，成形半径分别为4.2 mm和3.2 mm，后两道次采用小圆角成形，成形半径为1 mm，理论成形角度分别为45°、65°、78°、90°。方案四为大圆角成形+小圆角慢速成形方式，与方案三区别在于中前期采用大圆角成形工艺+后期采用小圆角成形工艺，其工艺参数如下：成形圆角半径分别为4.5、3.5、2.8、1 mm，理论成形角度分别为45°、65°、78°、90°。

3.2 仿真试验结果

根据设计试验表进行数值模拟，4种方案的成形结果如表2所示。

表2 试验分析结果

比较4种成形方案可以发现，成形速度、轧辊圆角半径对Z字筋圆角厚度及减薄率影响显著，如图7和图8所示。对比方案一与方案二可知，方案一采用了三道次弯折，成形速度较快，快速弯折导致壁厚急剧减薄（见图7）且减薄率迅速上升（见图8）；方案二采用了五道次弯折，成形速度较慢，慢速弯折使壁厚减薄趋势变缓（见图7）且减薄率得到一定改善（见图8），可见将Z字筋圆角分多次弯折成形，可以减小圆角减薄率，慢速成形具有一定优势。对比方案二与方案三可知，方案三前两道次采用了大圆角成形，最后两道次采用小圆角成形；大圆角成形可明显降低单道次减薄率，使累积减薄率降低，但经过两道次小圆角成形，壁厚及减薄率快速变化。方案四在方案三的基础上进行了优化，采用多道次大圆角成形，即前三道次采用大圆角成形，终道次采用小圆角成形；从结果可知前三道次均采用了大圆角成形，壁厚及减薄率变化平缓；但终道次采用了小圆角成形，壁厚及减薄率急剧变化。综合以上所有方案，方案四最终累积减薄率最小，故确定为最优成形工艺方案。

图7 4种成形方案各个道次壁厚变化曲线

图8 4种成形方案各个道次壁厚减薄率

3.3 结果分析

下面分析讨论方案三和方案四最后两道次的成形结果，提取截型厚度方向的主应力云图，如图9所示。如图9a所示，方案三的第三道次采用了小圆角成形方式，圆角处受到的全部为拉应力，最大拉应力为647.5 MPa，壁厚只存在减薄的趋势。如图9b所示，方案四的第三道次采用了大圆角成形方式，圆角处既有压应力又有拉应力，内弧面受到较大的压应力后使壁厚增大，而外弧面受到的拉应力较小，其应力值为585.9 MPa，使壁厚减薄，大圆角成形方式综合了壁厚增大和壁厚减薄2种趋势，故壁厚减薄量较小。

方案三和方案四最后一道次的成形方式相同，均为小圆角成形方式，如图9c和图9d所示，在圆角处所受到的应力均为拉应力，方案三圆角处的最大拉应力为670 MPa，方案四圆角处的最大拉应力为556 MPa，方案三圆角处受拉应力范围要远大于方案四的。由于方案三第四道次受力较大且范围广，因此，其减薄的趋势明显。

由板材弯曲原理可知，在受纯弯曲（自由弯曲）作用时，中性层不偏移，内外拉压应变相等，材料厚度不会变化。当在弯曲过程中采用大圆角成形工艺时，圆角处的弯曲中性层完全居于料厚范围内，但中性层向内侧偏移，同时存在压应力和拉应力，即内表面受小部分的压应力、外表面受大部分的拉应力，内表面受压应力使壁厚增大，外表面受拉应力使壁厚减薄，故壁厚减薄率较小。当在弯曲过程中采用小圆角成形工艺时，圆角处的弯曲中性层偏出内弧面，料厚方向均受拉应力，壁厚只存在减薄的趋势，与较大圆角成形方式相比，壁厚减薄率较大。

与小圆角成形方式相比，当采用大圆角成形工艺成形到相同角度时，会显著降低减薄率。但受到最终截面圆角大小的限制，无法一直采用大圆角，所以成形策略为中前期成形采用多道次大圆角弯折，后期采用小圆角成形，将壁厚大量减薄集中作用到最后一个道次。虽然后期小圆角成形工艺会导致壁厚减薄率由8.7%到15.3%，使壁厚减薄率急剧增大；但是综合判断可知，中前期大圆角成形工艺+后期小圆角成形工艺仍然比小圆角慢成形效果明显。

3.4 实验验证

根据车门中导轨有限元仿真优化结果进行轧辊设计，重新修理、投制4个道次的轧辊模具，优化后轧辊模具如图10所示。

图9 主应力分布云图

图10 实验轧辊模具图

图10中阴影部分圆角为壁厚优化对象，第一道次是对Z字筋圆角采用大圆角成形（半径为4.5 mm），快速成形至45°；第二道次是采用大圆角成形（半径为3.5 mm），以较快速度成形至65°；第三道次是采用大圆角成形（半径为2.8mm），慢速成形至78°；第四道次是采用小圆角成形（1 mm），慢速成形至90°。因此，提出了一种优化Z字筋圆角成形新工艺路线：中前期大圆角成形+后期小圆角成形，成形圆角半径分别为4.5、3.5、2.8、1 mm，弯折角度分别为45°、65°、78°、90°；在生产线上对实验工装进行安装和调试，最终得到产品件Z字筋圆角厚度由1.33 mm变成1.46 mm。车门中导轨实验件截面扫描结果（实线为理论截型，虚线为实验件切片扫描截型）如图11所示，可以看到，其减薄率由26.1%降低至18.89%，满足国际汽车行业标准要求。经过实际轧辊多道次弯折的成形产品图如图12所示，可以看到，产品轮廓清晰，Z字筋圆角成形饱满，截型尺寸精度满足要求，并且拉弯成形芯子贴合截型内腔，可以为后续拉弯工序提供保证，使客户满意度提高。

图11 成形后的工件切片

图12 产品图

4 结论

1）对于小圆角成形工艺，圆角处弯曲中性层偏出内弧面，在料厚方向上均受拉应力，壁厚只存在减薄的趋势。

2）对于大圆角成形工艺，圆角处弯曲中性层完全位于料厚范围内，同时存在压应力和拉应力。内弧面受到较大的压应力使壁厚增大，而外弧面受到较小的拉应力，使壁厚减薄；大圆角成形工艺优势明显。

3）工艺实验件Z字筋圆角厚度由1.33 mm变成1.4 6mm，减薄率由26.1%降低至18.89%；仿真分析件Z字筋圆角厚度由1.29 mm变成1.52 mm，减薄率由原来的28.3%降低至15.6%。对比仿真结果与实验结果可知，仿真分析最大误差为4.1%，仿真方法具有可靠性及工程实用性。

4）使用有限元软件COPRA FEA对车门中导轨Z字筋进行成形分析，得到优化成形工艺路线如下：采用大圆角、慢速成形，成形策略为中前期大圆角成形+后期小圆角成形，成形圆角半径分别为4.5、3.5、2.8、1 mm，弯折角度分别为45°、65°、78°、90°。该方案可以有效解决圆角减薄率过大的成形缺陷。

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Optimization of Fillet Thinning Rate Process for Cold Bend Forming with Complex Sections

LIU Yang, LI Qing-da, GAO Ya-nan*, GENG Xiao-yong, LI Yan-bo, WANG Wen-bin, YANG Jian-guo, WANG Wei

(Hebei Automobile Safety Parts Technology Innovation Center, Lingyun Industry Co., Ltd., Hebei Zhuozhou 072750, China)

The work aims to optimize the cold bend forming process and thinning rate of the Z-shaped rib fillet based on the cold bend forming process of the guide rail in the complex cross-section car door, so as to solve the problems of complex processes, numerous passes and excessive thinning rate of the Z-shaped rib fillet. COPRA FEA finite element simulation software was used to analyze the forming process of the middle guide rail in the car door, and study the effects of roller fillet radius, forming speed, forming strategy, etc. on the fillet thinning rate. By combining finite element analysis methods, the process parameters were continuously optimized to achieve accurate forming of the Z-shaped rib fillet in the middle guide rail. Finally, the optimal process plan was proposed and verified through experiments. In the forming process of large fillet, the bending neutral layer of fillet was within the range of material thickness, and there were both compressive and tensile stresses in the direction of material thickness, resulting in a smaller reduction in wall thickness. In the forming process of small fillet, the bending neutral layer of the fillet deviated from the inner arc surface, and the material thickness direction was subject to tensile stress, resulting in a trend of only thinning the wall thickness. The experimental results showed that the thickness of the Z-shaped fillet changed from 1.33 mm to 1.46 mm, and the thinning rate decreased from 26.1% to 18.89%. The simulation results showed that the thickness of the Z-shaped fillet changed from 1.29 mm to 1.52 mm, and the thinning rate decreased from 28.3% to 15.6%. The comparison between simulation and experimental results showed that the maximum error of simulation analysis was 4.1%, which verified the reliability of the simulation results. The optimal process route is to use large fillet and slow forming. The forming strategy is to use large fillet in the early stage and small filler in the later stage. The forming radius of the fillet is 4.5, 3.5, 2.8 and 1 mm, and the bending angle is 45°, 65°, 78° and 90°. This process plan can effectively solve the forming defect of excessive fillet thinning rate.

fillet thinning rate; cold bend forming process; middle guide rail of car door; stress; finite element simulation; experiment; large fillet forming

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.020

TG386；TG306；TG335

A

1674-6457(2023)011-0171-08

2023-05-19

2023-05-19

刘阳, 李庆达, 高亚南, 等. 复杂截面冷弯成形圆角减薄率工艺优化研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 171-178.

LIU Yang, LI Qing-da, GAO Ya-nan, et al. Optimization of Fillet Thinning Rate Process for Cold Bend Forming with Complex Sections[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 171-178.

通信作者（Corresponding author）

责任编辑：蒋红晨