非等温模具对2024铝合金弯曲回弹和残余应力的影响.pdf

第41卷第9期Vol． 41 No． 9FORGING 然后进行板坯、凸模和凹模均为200 ℃的等温弯曲,并与差温弯曲进行对比分析。研究结果表明:分别提高凸模和凹模的温度均能够减小回弹角和残余应力;在成形结束后,当差温弯曲板坯和等温弯曲板坯开始回弹前的温度相接近时,由于温度梯度和贴模后温升的影响,差温弯曲件的回弹角和内、外表面残余应力及其差值能够达到与等温弯曲数值相近或更小的效果;通过合理控制凸、凹模温度能够使室温板坯获得与高温等温成形时同样较小的回弹和残余应力。关键词: 2024铝合金;非等温模具; V型弯曲;回弹;残余应力DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2016． 09． 018中图分类号: TG389 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2016) 09-0092-04Influence of non-isothermal dies on bending springback and residual stress foraluminum alloy 2024Xia Liangjun, Deng Lei, Jin Junsong, Wang Xinyun(State Key Lab of Materials Processing and Die non-isothermal dies; V-shaped bending; springback; residual stress收稿日期: 2016 -02 -28;修订日期: 2016 -06 -30基金项目:国家自然科学基金资助项目(51205143)作者简介:夏良俊(1987 - ),男,硕士E-mail: xialj_hust@163． com通讯作者:王新云(1973 - ),男,博士,教授E-mail: wangxy_hust@ hust． edu． cn近年来汽车工业发展十分迅速,但也随之产生了环境污染和能源短缺等社会问题。因此轻量化越来越受到企业的重视。轻量化主要包括结构轻量化和材料轻量化两个方向,其中材料轻量化是指采用铝、镁等轻质合金或高强钢等。铝合金的密度大约为钢的1/3,具有比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能优良等优点,吸收碰撞能大约是钢的2倍。研究表明,用铝合金替代钢材,每千克铝合金在汽车的行驶寿命中总共可以减少13 ~ 20 kg温室气体的排放,因此以铝代钢是汽车轻量化技术的一个重要发展趋势[1 -4]。但铝合金的缺点也比较明显,如室温下成形性能差、回弹现象严重。针对铝合金板材成形的回弹问题,国内外的学者做了许多研究,但大多集中在板材的几何参数、温度和热处理等,侯英玮等通过V型弯曲实验发现板料的相对弯曲半径越小,保压时间越长,回弹越小[5]; Ho K C等指出板材越厚,经过蠕变时效成形后其蠕变明显区域与不明显区域的比值越大,回弹越小[6];刘志文等通过研究发现6063铝合金挤压型材冷弯成形后进行人工时效比先进行人工时效再冷弯的回弹值更小[7];黎俊初等通过研究发现电场固溶处理可以减小2A12铝合金时效成形后的回弹率[8];王巍等通过2024铝合金的拉深实验和模拟发现,压边力越大拉深件的回弹越小[9]。关于模具温度对铝合金弯曲回弹的研究则相对较少, Moon Y H等研究了高温凹模对1050铝合金板回弹的影响,指出加热凹模可以有效地减小回弹[10]。考虑到弯曲时凸模直接与变形区域接触,其温度对于板坯的成形也会产生重要的影响。因此本文从凸模和凹模不同的温度组合出发,设计出一组非等温模具弯曲实验,研究模具温度对于铝合金板材回弹和残余应力的影响。1 差温V型弯曲实验实验材料为2024铝合金轧制板材,尺寸为80 mm ×40 mm ×2 mm。实验模具结构如图1所示。该模具采用电阻加热棒加热凸、凹模,加热棒与温控单元相连,因此可分别控制凸模和凹模温度。根据弯曲方式的不同,使用该套模具进行了两组弯曲实验。第1组实验为差温弯曲,即将凸模与凹模分别加热到25 (即室温), 200, 300和400 ℃进行交叉组合(共16组组合温度),板坯则以室温为初始状态进行弯曲。第2组实验为等温弯曲,即控制凸模和凹模具温度均为200 ℃,板坯通过电阻炉加热到200 ℃后进行弯曲。两组实验中的凸模速度均为10 mm· s-1,板坯弯曲角为120°,相对弯曲半径为4。图1 弯曲模具结构示意图Fig． 1 Schematic diagram of bending dies2 实验结果及分析2． 1 差温弯曲时模具温度对回弹角的影响图2所示为差温弯曲时在不同凸凹模温度下板坯的回弹角。可以看到,板坯的回弹与凸模、凹模的温度成负相关,即提高凸模或凹模的温度均可以减小回弹。这主要是受到差温弯曲时模具与板坯间的热传导的影响。在差温弯曲时,板坯的初始温度为室温,当对模具进行加热时,由于板坯厚度只有2 mm,热量可以很快从模具传到板坯,使板坯在较短的时间内被加热到较高的温度,而弯曲回弹角α与材料的屈服强度ReL成正比,板坯温度越高,屈服强度也越低,因此回弹也越小。当板坯在室温下弯曲时(凸、凹模温度均为25 ℃),回弹角α最大为10． 1°;在凸、凹模均为400 ℃时,回弹角α最小为4． 2°。对成形过程中的板料使用红外热成像仪测温发现,在差温弯曲时,板坯在弯曲后回弹前最高可以被加热到284 ℃左右(凸、凹模均为400 ℃时)。图2 差温弯曲时在不同凸凹模温度下板坯的弯曲回弹角Fig． 2 Springback angles at different combined temperatures ofpunch and die for non-isothermal bending2． 2 弯曲方式对回弹角的影响由于在等温弯曲实验中板坯的温度为200 ℃,为了得到弯曲方式对回弹角的影响,对差温弯曲实验中板坯在弯曲后回弹前温度为200 ℃附近时的弯曲回弹结果与等温弯曲实验的回弹角进行对比。利用有限元分析软件MSC． Marc对弯曲过程和热传导过程进行了模拟分析,得到了差温弯曲实验中板坯在弯曲后回弹前的温度。从模拟结果中可以得到,在初始阶段板料温度匀速上升;板料贴模后,由于与模具整体接触,板料外表面会有7 ~18 ℃的温度升高;当凸模温度为300 ℃、凹模温度分别为200,300和400 ℃时,外表面温度在贴模时分别提高了7, 12和18 ℃,使得板坯弯曲中心线外表面的温度最终可以达到186, 213和235 ℃。图3对比了不同弯曲方式下板坯的回弹角。可以看出,差温弯曲时随着板坯温度的升高,回弹角随之减小。而在板坯温度接近的情况下,差温弯曲的回弹角能够接近等温弯曲的回弹角甚至更小。39第9期夏良俊等:非等温模具对2024铝合金弯曲回弹和残余应力的影响 图3 不同弯曲方式下板坯的回弹角Fig． 3 Springback angles with different bending methods对差温弯曲的回弹结果进行插值计算得到:若差温弯曲时板料温度最终达到200 ℃时,其回弹α大约为6． 39°,低于等温弯曲回弹角6． 92°。差温弯曲过程中,由于凸、凹模温度不同,板料的内外表面会产生一定的温度梯度,即内表面温度高,外表面温度低。图4为凸模300 ℃、凹模200 ℃时变形区域温度分布,可以看出,由于内表面的屈服强度低,使内侧更多的区域发生压缩变形,应变中性层外移,造成回弹角比等温弯曲时的回弹角减小。图4 凸模300 ℃、凹模200 ℃时变形区域温度分布Fig． 4 Temperature distribution of deformation zone with punch300 ℃ and die 200 ℃2． 3 弯曲方式及坯料温度对残余应力的影响为了分析弯曲方式对材料力学性能的影响,对成形后的零件测量内外表面的残余应力并求其差值,差值越大则零件内部的残余应力梯度越大,越容易造成铝合金的形状变化,对后续的加工装配均会造成较大的影响。图5对比了不同弯曲方式下板坯内外表面的残余应力值及残余应力差值。可以看出,差温弯曲时随着板坯温度的升高,其内外表面的残余应力绝对图5 不同弯曲方式下板坯的内外表面的残余应力及残余应力差值(a)内表面残余应力 (b)外表面残余应力(c)内外表面残余应力差值Fig． 5 Residual stress of inner and outer layers and theirdifference under different bending methods(a) Residual stress of inner layer (b) Residual stress of outer layer(c) Difference of residual stress between inner and outer layers值及残余应力差值也随着减小。而在板坯温度接近的情况下,差温弯曲内外表面的残余应力绝对值及残余应力差值与等温弯曲的值接近甚至更小。凸模300 ℃、凹模400 ℃时的差温弯曲与200 ℃的等温弯曲相比,内表面残余应力从73 MPa减少到54 MPa,共减少了26%,外表面残余应力绝对值从49锻 压 技 术 第41卷40 MPa减少到18 MPa,共减少了55%,内外表面的残余应力差值从113 MPa减少到72 MPa,共减少了36%。3 结论(1)提高凸模、凹模的温度均可以减小零件的回弹角,差温弯曲时凸、凹模温度越高,回弹角越小。(2)差温弯曲时由于受到成形过程中温度梯度和贴模后温升的影响,弯曲件的回弹角和内外表面残余应力值及其差值能够达到与等温热弯曲相近或更小的效果。(3)通过合理控制凸、凹模温度能够使室温板料获得与高温等温成形一样较小的回弹和残余应力。参考文献:[1] 马鸣图,易红亮,路洪洲,等.论汽车轻量化[J].中国工程科学, 2009, 11 (9): 20 -27.Ma M T, Yi H L, Lu H Z, et al. 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