摘要：采用實驗和數值仿真相結合的方法研究了材料熱處理狀態(tài)和工藝順序對6063鋁型材彎曲回彈的影響規(guī)律和機理.結果表明：型材繞彎變形區(qū)內外層材料分別為壓應力和拉應力起主導作用，中性層附近材料為明顯的拉壓兩向應力集中區(qū).外力卸載后，中性層存在很大的殘余拉應力;擠壓態(tài)型材經人工時效處理后繞彎成形回彈角將會變大.且隨著人工時效時間的延長，內外側材料最大拉壓應力差變大，回彈角逐漸增大;彎曲型材后續(xù)經人工時效或電泳烤漆處理，產生二次回彈. 且彎曲角度越大，熱處理后回彈角會增大.進一步延長人工時效時間，彎曲型材的回彈角基本不變;彎曲型材的三種成形工藝順序方案中，擠壓態(tài)型材先經冷彎成形再緊接著進行人工時效和電泳烤漆處理總的回彈角最小.

　　關鍵詞：中國期刊論文網,鋁型材,彎曲回彈,熱處理狀態(tài),工藝順序, 數值仿真

　　汽車輕量化始終是汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向之一，車身減重在汽車輕量化進程中占有非常重要地位[1].鋁合金具有比強度、比剛度高、碰撞吸能性好等一系列優(yōu)點，是汽車輕量化理想的材料[2].為了降低車身重量的同時保證汽車的安全性能，目前一種新的車身結構形式――鋁合金框架式車身，正日益受到汽車生產廠商的關注.而制造鋁合金框架式車身的關鍵技術在于如何實現型材的高精度彎曲成形[3].繞彎是車身用鋁型材彎曲成形的重要方法，但與其他冷彎工藝一樣也存在回彈、壁厚減薄和截面變形等問題.彎曲回彈是整個成形過程的累積效應，與模具幾何形狀、材料熱處理狀態(tài)、摩擦和加載方式等眾多因素密切相關，對其有效預測與控制是提高彎曲零件成形精度的關鍵[4].車身用鋁合金型材作為安全結構件，在汽車發(fā)生碰撞時其抗撞性在車身安全保護中起著至關重要的作用，需滿足一定的剛度和強度.因此為保證汽車具有良好的被動安全性能，彎曲型材須采用人工時效處理.為了保護型材表面并使其具有裝飾美觀效果，彎曲型材后續(xù)還需進行電泳烤漆處理.

　　因此，車身用鋁合金彎曲型材一般需經過擠壓、人工時效、彎曲和電泳烤漆四道工序制備而成. 成形過程中影響彎曲回彈的因素眾多，國內外大量學者的研究工作主要集中在單一彎曲工序段的工藝參數優(yōu)化，如芯軸參數、填充物、摩擦和模具型面補償等影響因素[5-8].但不同材料熱處理狀態(tài)和變形歷史對彎曲型材的回彈影響則未見相關文獻報道.本文采用數值仿真和實驗相結合的方法對車身用6063復雜鋁合金彎曲型材在不同材料熱處理狀態(tài)和工藝順序下的回彈變化規(guī)律和機理進行了系統研究，結果將為彎曲型材實際生產過程中工藝順序的選取提供理論指導，從而減少型材彎曲回彈，提高產品質量，縮短開發(fā)周期.

　　1彎曲型材成形工藝順序實驗方案

　　實驗選用6063鋁合金擠壓型材，截面為車身結構中常用的薄壁、中空且?guī)Ъ訌娊畹哪孔中涡螤睿�其尺寸如圖1所示.擠壓實驗在XJ800T臥式擠壓機上進行，擠壓鑄錠溫度為480 ℃，擠壓速度為2.5 mm/s，擠壓出模口溫度保持在520～540 ℃，淬火方式采用強風淬.型材繞彎成形實驗在型號為“CWA100”的繞彎機上進行，如圖2所示.成形時，夾塊先夾緊型材頭部，使型材繞彎曲模中心轉動到設定的彎曲角度.使型材與彎曲模貼合達到所需要的彎曲半徑，然后夾塊和壓塊松開，取出型材，使彎曲模和夾塊復位，完成一次彎曲動作.彎曲型材的三種成形工藝順序實驗方案見表1所示，彎曲角度分別為30°～120°，如圖3所示.為研究人工時效處理對型材繞彎回彈的影響，將擠壓態(tài)型材或擠壓態(tài)型材彎曲后分別進行180 ℃/2～8 h時效處理.為考察電泳涂裝中的烘干工藝對彎曲型材回彈的影響，在干燥箱中模擬烤漆處理，其工藝為180 ℃/30 min.在實驗過程中為了避免自然時效對不同工藝順序方案的影響，型材擠壓后進行人工時效或繞彎成形等工序都在12 h內完成.通過CTRACK 780便攜式三坐標測量儀來提取各工序段彎曲型材弧線的IGS數據格式，再由逆向工程對比分析可快速確定彎曲型材的回彈角.

　　2鋁型材彎曲回彈仿真模型的建立

　　繞彎是一個包含幾何、材料和接觸等多重非線性耦合作用的復雜成形過程[9].回彈的解析解很難準確計算，必須建立在一個精確應力場的基礎上.仿真過程首先使用LSDYNA動態(tài)顯式模塊模擬繞彎成形過程，然后輸出成形最終時刻的應力應變值和變形網格重新進行前處理，定義材料屬性和施加約束，再對回彈過程進行隱式分析求解.

　　2.1仿真模型及工藝、邊界條件

　　圖4為鋁型材繞彎成形的回彈有限元模型.型材與工模具等網格類型均采用四節(jié)點殼單元.型材殼單元采用16號單元公式[10]，沿厚度的積分點為7個;工模具殼單元采用2號單元公式，沿厚度的積分點為2個;沙漏控制算法采用公式8，沙漏因子為0.05;為節(jié)約計算機時，提高仿真精度，采用自適應網格技術對管材彎曲變形量大的區(qū)域網格數量進行局部細劃分.

　　繞彎成形基本工藝參數如表2所示.采用罰函數法計算接觸力，罰函數剛度因子slsfac參數為0.01.對于接觸類型的選擇，使用LSDYNA軟件中專門的成型接觸算法“FORMINGONEWAY”;選取經典庫侖摩擦模型來描述型材和工模具之間的接觸情況.根據文獻[11]獲得的摩擦穩(wěn)定條件，定義型材與彎曲模的摩擦因子為0.125，與壓塊的摩擦因子為0.25，與防皺板的摩擦因子為0.1.由于鑲塊、夾塊對型材起夾緊作用，摩擦因子設置為1.

　　2.2材料本構模型及力學性能

　　仿真材料本構模型選擇為MAT_24多線性彈塑性模型，通過直接輸入材料的有效應力應變曲線，彈性模量取值為68.9 GPa.工模具則采用剛體材料進行仿真.鋁型材材料力學性能通過單向拉伸試驗獲得，從不同材料狀態(tài)下的型材沿擠壓方向切取拉伸試樣，取樣位置為沿“目”字型材中空處的豎直面.室溫拉伸實驗按照GB/T 228-2002標準在Instron 8032萬能電子拉伸實驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min.6063鋁合金在不同材料狀態(tài)下的工程應力應變曲線和力學性能指標結果分別如圖5和表3所示. 　　由型材截面受力分析可知，彎曲變形區(qū)截面上應力分布極不均勻，內外層材料分別為壓應力和拉應力起主導作用，中性層為明顯的拉壓應力集中區(qū).因此，型材彎曲變形區(qū)的這種兩向應力狀態(tài)卸載后由于彈復方向一致，造成回彈過大.材料的屈服強度越高，其內外側受的拉壓應力差越大，回彈更大.型材彎曲成形卸載后，內外側材料殘余應力很小，但中性層存在很大的殘余拉應力.圖15為型材彎曲角為90°時卸載前和卸載后的等效應力分布云圖.由圖可以看出，型材彎曲外力卸載后應力釋放十分明顯，導致發(fā)生回彈，使型材的彎曲半徑變大和彎曲角度變小.型材繞彎成形卸載前的應力集中在彎曲大變形區(qū)，且最大等效應力為194.4 MPa，位于拉伸變形區(qū);卸載后彎曲型材的殘余應力整體上已得到較大釋放，但仍存在高應力區(qū)域并轉移到型材的中性層位置，其最大殘余應力為150.2 MPa.因此，彎曲型材卸載后，當進行人工時效和電泳烤漆處理時，其殘余應力將進一步得到釋放，產生二次回彈.

　　4結論

　　1) 型材彎曲變形區(qū)內外層材料分別受壓應力和拉應力主導作用，中性層為明顯的拉壓兩向應力集中區(qū).外力卸載后，中性層存在很大的殘余拉應力.

　　2) 擠壓態(tài)型材經人工時效處理后繞彎成形回彈角將會增大.且隨著人工時效時間的延長，內外側材料最大拉壓應力差越大，回彈角越大.

　　3) 彎曲型材后續(xù)經人工時效或電泳烤漆處理，產生二次回彈.同時，彎曲角越大，卸載后彎曲變形區(qū)的殘余拉壓應力差呈增大趨勢，經熱處理后回彈角相應越大;人工時效時間再增大，但是彎曲型材的回彈角基本保持不變.

　　4) 彎曲型材的三種成形工藝順序，其中擠壓態(tài)型材先經冷彎成形再緊接著進行人工時效和電泳烤漆處理總的回彈角最小.

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