7075铝型材
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  • 热处理状态和工艺顺序对铝型材弯曲回弹的影响研究

      铝合金具有比强度、比刚度高、碰撞吸能性好等一系列优点,是汽车轻量化理想的材料。为了降低车身重量的同时保证汽车的安全性能,目前一种新的车身结构形式——铝合金框架式车身,正日益受到汽车生产厂商的关注。

      制造铝合金框架式车身的关键技术在于如何实现型材的高精度弯曲成形。绕弯是车身用铝型材弯曲成形的重要方法,但与其他冷弯工艺一样也存在回弹、壁厚减薄和截面变形等问题。

      弯曲回弹是整个成形过程的累积效应,与模具几何形状、材料热处理状态、摩擦和加载方式等众多因素密切相关,对其有效预测与控制是提高弯曲零件成形精度的关键。

      车身用铝合金型材作为安全结构件,在汽车发生碰撞时其抗撞性在车身安全保护中起着至关重要的作用,需满足一定的刚度和强度。因此为保证汽车具有良好的被动安全性能,弯曲型材须采用人工时效处理.为了保护型材表面并使其具有装饰美观效果,弯曲型材后续还需进行电泳烤漆处理。

    车身用铝合金弯曲型材一般需经过挤压、人工时效、弯曲和电泳烤漆四道工序制备而成。

     成形过程中影响弯曲回弹的因素众多,国内外大量学者的研究工作主要集中在单一弯曲工序段的工艺参数优化,如芯轴参数、填充物、摩擦和模具型面补偿等影响因素。但不同材料热处理状态和变形历史对弯曲型材的回弹影响则未见相关文献报道。

     本文采用数值仿真和实验相结合的方法对车身用6063复杂铝合金弯曲型材在不同材料热处理状态和工艺顺序下的回弹变化规律和机理进行了系统研究,结果将为弯曲型材实际生产过程中工艺顺序的选取提供理论指导,从而减少型材弯曲回弹,提高产品质量,缩短开发周期。

    1、弯曲型材成形工艺顺序实验方案 

      实验选用6063铝合金挤压型材,截面为车身结构中常用的薄壁、中空且带加强筋的目字形形状。挤压实验在XJ800T卧式挤压机上进行,挤压铸锭温度为480 ℃,挤压速度为2.5 mm/s,挤压出模口温度保持在520~540 ℃,淬火方式采用强风淬。型材绕弯成形实验在型号为“CWA100”的绕弯机上进行。

      成形时,夹块先夹紧型材头部,使型材绕弯曲模中心转动到设定的弯曲角度。使型材与弯曲模贴合达到所需要的弯曲半径,然后夹块和压块松开,取出型材,使弯曲模和夹块复位,完成一次弯曲动作。

      弯曲型材的弯曲角度分别为30°~120°。为研究人工时效处理对型材绕弯回弹的影响,将挤压态型材或挤压态型材弯曲后分别进行180 ℃/2~8 h时效处理。为考察电泳涂装中的烘干工艺对弯曲型材回弹的影响,在干燥箱中模拟烤漆处理,其工艺为180 ℃/30 min。

      在实验过程中为了避免自然时效对不同工艺顺序方案的影响,型材挤压后进行人工时效或绕弯成形等工序都在12 h内完成。

      通过CTRACK 780便携式三坐标测量仪来提取各工序段弯曲型材弧线的IGS数据格式,再由逆向工程对比分析可快速确定弯曲型材的回弹角。

    2、铝型材弯曲回弹仿真模型的建立  

      绕弯是一个包含几何、材料和接触等多重非线性耦合作用的复杂成形过程。回弹的解析解很难准确计算,必须建立在一个精确应力场的基础上。

      仿真过程首先使用LSDYNA动态显式模块模拟绕弯成形过程,然后输出成形最终时刻的应力应变值和变形网格重新进行前处理,定义材料属性和施加约束,再对回弹过程进行隐式分析求解。

     (1)仿真模型及工艺、边界条件 

      型材与工模具等网格类型均采用四节点壳单元。型材壳单元采用16号单元公式,沿厚度的积分点为7个;工模具壳单元采用2号单元公式,沿厚度的积分点为2个;沙漏控制算法采用公式8,沙漏因子为0.05;为节约计算机时,提高仿真精度,采用自适应网格技术对管材弯曲变形量大的区域网格数量进行局部细划分。

      绕弯成形基本工艺参数采用罚函数法计算接触力,罚函数刚度因子slsfac参数为0.01。

      对于接触类型的选择,使用LSDYNA软件中专门的成型接触算法“FORMINGONEWAY”;选取经典库仑摩擦模型来描述型材和工模具之间的接触情况。

      根据文献获得的摩擦稳定条件,定义型材与弯曲模的摩擦因子为0.125,与压块的摩擦因子为0.25,与防皱板的摩擦因子为0.1。由于镶块、夹块对型材起夹紧作用,摩擦因子设置为1。

    (2)材料本构模型及力学性能 

      仿真材料本构模型选择为MAT_24多线性弹塑性模型,通过直接输入材料的有效应力应变曲线,弹性模量取值为68.9 GPa。工模具则采用刚体材料进行仿真。铝型材材料力学性能通过单向拉伸试验获得,从不同材料状态下的型材沿挤压方向切取拉伸试样,取样位置为沿“目”字型材中空处的竖直面。

      室温拉伸实验按照GB/T 228-2002标准在Instron 8032万能电子拉伸实验机上进行,拉伸速率为2 mm/min。由型材截面受力分析可知,弯曲变形区截面上应力分布极不均匀,内外层材料分别为压应力和拉应力起主导作用,中性层为明显的拉压应力集中区。

      因此,型材弯曲变形区的这种两向应力状态卸载后由于弹复方向一致,造成回弹过大。材料的屈服强度越高,其内外侧受的拉压应力差越大,回弹更大。

      型材弯曲成形卸载后,内外侧材料残余应力很小,但中性层存在很大的残余拉应力。型材弯曲外力卸载后应力释放十分明显,导致发生回弹,使型材的弯曲半径变大和弯曲角度变小。

      型材绕弯成形卸载前的应力集中在弯曲大变形区,且最大等效应力为194.4 MPa,位于拉伸变形区;卸载后弯曲型材的残余应力整体上已得到较大释放,但仍存在高应力区域并转移到型材的中性层位置,其最大残余应力为150.2 MPa。因此,弯曲型材卸载后,当进行人工时效和电泳烤漆处理时,其残余应力将进一步得到释放,产生二次回弹。

    3、结论

      (1)型材弯曲变形区内外层材料分别受压应力和拉应力主导作用,中性层为明显的拉压两向应力集中区。外力卸载后,中性层存在很大的残余拉应力。

      (2)挤压态型材经人工时效处理后绕弯成形回弹角将会增大,且随着人工时效时间的延长,内外侧材料最大拉压应力差越大,回弹角越大。

      (3)弯曲型材后续经人工时效或电泳烤漆处理,产生二次回弹。同时,弯曲角越大,卸载后弯曲变形区的残余拉压应力差呈增大趋势,经热处理后回弹角相应越大;人工时效时间再增大,但是弯曲型材的回弹角基本保持不变。

      (4)弯曲型材的三种成形工艺顺序,其中挤压态型材先经冷弯成形再紧接着进行人工时效和电泳烤漆处理总的回弹角最小。

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