弯曲回弹（精选3篇）
弯曲回弹 篇1
摘要：回弹问题是金属成型研究的重点与难点, 其原因在于金属大变形是一个复杂的非线性过程, 且影响回弹的因素众多。本文主要针对立式钢筋弯曲成型的回弹角度影响因素进行分析, 基于弹塑性有限元理论, 运用ANSYS/LS-DYNA软件建立系统模型并提取回弹角度, 最后运用正交试验的方法分析了回弹角度影响因素的显著性, 并在此基础上对回弹角度公式进行了修正。本文的分析方法对同类钢筋弯曲机的设计具有一定的借鉴意义。
关键词：钢筋弯曲,回弹角度,影响因素,正交试验
钢筋弯曲成型过程是一个同时包括几何、材料和边界条件等问题的复杂非线性的弹塑性变形过程。钢筋弯曲成形件质量的高低不仅影响钢筋成形后能否符合设计尺寸, 而且还直接影响到钢筋的绑扎、构件的定位尺寸、甚至构件的受力性能。目前各厂家设计的立式钢筋弯曲机的弯曲加工速度范围、弯曲模具的形状和尺寸存在差别, 导致了钢筋弯曲成形产品质量存在差异, 因此深入研究钢筋弯曲的回弹问题, 有很大的理论与工程意义。
1 立式钢筋弯曲系统有限元分析
如图1所示, 钢筋弯曲的实现过程为:靠模固定不动, 钢筋左端足够远处为固定端, 弯曲轴绕着O点做逆时针运动, 推动钢筋实现绕靠模弯曲;弯曲成型后, 撤去弯曲轴, 钢筋在残余应力的作用下发生一定的回弹。根据上述钢筋弯曲原理, 运用ANSYS/LS-DYNA软件通过APDL参数化设计语言建立的立式钢筋弯曲系统有限元模型如图2所示。本文将钢筋视为弹性体, 弯曲轴和弯曲模具视为刚性体。在模型中, 显式计算采用SOLID 164单元定义钢筋、弯曲轴和弯曲模具的材料属性, 在隐式中SOLID 164单元的变形状态、应力等参数传递给相应的隐式SOLID185单元, 只要给钢筋给定边界条件, 便能够执行钢筋的回弹隐式模拟, 得到钢筋弯曲的回弹角度, 回弹效果图如图3所示。
2 正交试验分析
2.1 试验方案
在立式钢筋弯曲成型中钢筋弯曲回弹角度主要与弯曲模具尺寸、弯曲速度和卡紧长度有关。本文主要研究弯曲模具尺寸和弯曲速度与立式钢筋弯曲回弹角度的关系, 其中模具尺寸包括靠模长度和靠模间距。在对钢筋弯曲回弹角度的推导过程中假设钢筋弯曲过程中性层不改变, 而弯芯直径的改变会使钢筋在弯曲成型过程中性层产生滑移, 所以将弯芯直径作为备选研究因素。
通过以上分析正交试验的因素确定为:A靠模间隙, B靠模长度, C弯曲速度, D弯芯直径。仿真正交试验条件为:选用直径为10mm的HPB235钢筋;弯曲角度为90°;弯曲半径为110mm;钢筋弯曲件形状如图4所示, L1为1 000mm, L2为250mm;正交试验因素水平表如表1所示。
2.2 试验结果
根据表1选择四因素三水平L9 (34) 正交试验表进行9组正交试验, 试验组合及回弹角度结果见表2。根据回弹角度结果得出因素A、B、C、D对回弹角度的均值与极差见表3。
2.3 试验结果分析
在正交试验变化的水平范围内, 极差T越大, 与之对应的那一列因素对试验的结果影响越大。由表3回弹角度的均值与极差结果可以得到T3>T1>T2>T4, 说明弯曲速度对结果造成的影响最大, 其次依次为靠模间隙、靠模长度, 弯芯直径对结果造成的影响最小, 所以在一定的弯曲加工条件下, 影响回弹角度因素显著性由强到弱依次为:弯曲速度、靠模间隙、靠模长度、弯芯直径。
3 回弹角度的修正
钢筋弯曲90°且处于卸载前时, 最大应力发生在弯曲钢筋紧贴上模处。在弯曲卸载时, 弯曲段钢筋弯曲力臂和靠模上下模间直段钢筋产生的弹性回复会影响回弹角度。在弯曲模具参数一定的条件下, 需根据弯曲速度大小对回弹角度进行补偿。根据正交试验分析结果, 建立仿真试验:靠模间距2mm;靠模长度50mm;弯芯直径50mm;弯曲半径110mm;弯曲角度分别为60°、90°、120°;弯曲速度分别为0.5rad/s、0.7rad/s、0.9rad/s、1.1rad/s、1.3rad/s、1.5rad/s, 其它条件与2.1中相同。参考文献[1], 把文献中用回弹公式计算的回弹角度作为理论值, 把文献中试验测量得到回弹角度作为试验值。在弯曲角为60°、90°、120°时, 理论回弹角度值分别为2.721°、2.014°、1.321°;试验值分别为6.12°、5.75°、4.10°;参考文献[2]允许偏差分别为+8°、+6°、+8°;不同弯曲速度下的仿真回弹角度值如表4所示。
可以看出, 本模型的回弹角度符合行业标准YB/T 4162-2007的规定, 与实际试验情况基本吻合。在弯曲角为60°、90°、120°时, 本模型的数据取平均值, 对比试验值的误差为15.8%、17.8%、2.0%, 分别小于理论值对比试验值的误差55.5%、65.0%、67.8%。证明本模型的回弹角度比理论弯曲回弹角度更接近实际。为了进一步研究弯曲速度与回弹角度的关系, 根据仿真值与理论值计算出回弹角度差值, 即回弹角度修正值, 计算结果见表5。
根据表5中数据在Matlab可拟合出不同的弯曲速度、不同的弯曲角度的回弹修正值的拟合曲面函数, 如图5所示。
图5中x为弯曲速度, y为弯曲角度, p为回弹角度修正值。将x、y、p分别替换为, 可以得到回弹角度修正值的方程式为
其中, 为回弹角度修正值;为弯曲速度;为弯曲角度。可根据上式对弯曲速度所产生的回弹角度偏差进行修正。
4 结论
1) 通过对立式钢筋弯曲系统建立有限元模型, 对钢筋弯曲回弹进行了仿真分析, 得到了钢筋弯曲回弹角度。经过验证, 与实际试验情况基本吻合。
2) 分析证明在弯曲速度为0.5~1.5rad/s, 靠模间隙为2~4mm时, 靠模长度为30~50mm, 弯芯直径为50~70mm时, 影响钢筋弯曲回弹因素显著性由强到弱依次为:弯曲速度、靠模间隙、靠模长度、弯芯直径。弯曲速度对回弹角度的影响最大, 弯曲条件相同时, 减小弯曲速度, 可以减小回弹角, 提高弯曲质量。
3) 为了进一步研究弯曲速度与回弹角度的关系, 本文选择0.5~1.5rad/s不同的弯曲速度, 对回弹角度进行了修正, 得到了修正公式, 该回弹角度修正计算公式比理论回弹角度公式更为准确, 更接近实际, 为同类型立式钢筋弯曲机的研究提供了参考。
参考文献
[1]阎淑丽, 杜世渊.钢筋弯曲回弹试验及其数学模型校正[J].机械管理开发, 2010, 25 (6) :68-69.
[2]YB/T 4162-2007, 钢筋混凝土用加工成型钢筋[S].
弯曲回弹 篇2
U型冲压件的回弹量是变形区回弹和非变形区回弹的总量, 回弹量的大小受零件受模具结构以及弯曲方式的直接影响, 其与其它部件不同, 很难用数学公式对其明确表达。在实际的工作中, 模具在设计时, 通常根据表格来查找经验值来确定回弹值, 也可以通过计算得出回弹值, 然后通过模具进行调试以不断修正最终得出回弹值。
1 U型冲压件再弯曲的规律
金属板材在进行U型冲压弯曲变形时, 必然会存在着一定的回弹, 因此, 普遍需要对已经弯曲变形的U型冲压件进行修正。此时板材已经被冲压弯折成U型舰, 所以其余同样材质和厚度的平板板材相较而言, 回弹角已经显著减小, 凸模的圆角半径正大。经过对实践材料和数据的总结分析发现, 凸模圆角半径增加的幅度, 与板材材料、相对弯曲半径以及校正力的大小有直接的关系。一般来说, 回弹角的大小与材料本身的屈服点σs成正比例关系, 而与弹性模数E成反比例关系。也就是说, 屈服点越大, 弹性模数越小, 回弹角就越大。以r表示弓箭长度方向的弯曲半径, 以t表示U型冲压件的高度, r/t即为相对弯曲半径, 远郊区变形与相对弯曲半径成反比例关系, 也就是说r/t的值越小, 圆角曲变形越大。在同等条件下, r/t的值增加, 回弹角随之增加。另外从实践中看, 校正力越大, 回弹角会随之减小。
2 U型冲压件再弯曲的回弹经验公式
在将金属板材进行U型冲压的过程中, 板材不仅发生塑性弯曲变形同时也存在弹性变形, 所以当工件弯曲完成后冲压载荷卸除以后, 板材就会有弹复产生。回弹不仅表现在工件的角度变化, 在弯曲半径上也会发生变化。解决钢板回弹的方法一般是根据回弹经验公式来进行弯曲凸模的设计, 并利用此模具来修正冲压件, 基本可达到图纸的设计要求。需要注意的是, 如果是对U型冲压件进行再弯曲, 凸模半径的计算设计需要重新计算, 否则冲压制作出来的零部件不会符合标准要求。从试验和实践总结中发现, 如果对成形后的U型冲压件进行再次弯曲修正时, 必须对弯曲凸模半径计算公式的t参数进行重新定义。也就是说只有参数t与U型冲压件高度相等的情况下计算出的弯曲凸模才能制造出符合图纸标准要求的工件。以h表示U型冲压件的高度, 则U型冲压件再弯曲的回弹计算公式为:
3 控制或消除U型冲压件弯曲回弹的措施
3.1 选择合适的材料, 合理设计工件形状
在材料的选择方面, 在满足工件对材料性能要求的基本条件下, 尽量选择屈服点小而弹性模量E大的材料, 这样可最大程度的减少甚至消除弯曲回弹值, 制造出高质量、高精度的弯曲工件。同时弯曲回弹与材料的厚度公差、平面度和板材表面质量的好坏都有直接的关系。对于精度要求高的工件的制作, 更要选择表面质量良好的板材进行制作。
板材中弯曲变形的过程中, 相对弯曲半径r/t不同, 变形的程度也会不同。已经弯曲成形的薄板而言, 具有一定的弹性弯曲变形量, 当变形程度发生变化时, 弯曲变形总量中弹性弯曲变形量所占的比例会随之发生变化, 随着弯曲变形程度的不断增加, 比例会随之减小。由此可见, 当r/t减小时, 回弹量相应的随之减少。如下图1所示为20钢U形弯曲的回弹值变化图:
工件形状复杂, 相互关联多, 回弹困难, V形回弹量比U型回弹量要小。因此在设计工件形状的过程中, 可以在弯曲区域内压制出适宜的加强筋, 改变变形区的应力分布状况, 既起到提高零件强度的作用同时有可以有效的降低弯曲回弹量, 达到控制回弹的目的。
3.2 采用热处理的方法降低回弹值
热处理的方法可以使弯曲件的硬度和屈服强度降低, 在进行弯曲工艺操作之前对工件进行退火热处理, 在降低工件弯曲力的同时可有效的降低回弹值。需要注意的是, 采用热处理的方法必须是在弯曲件允许的情况下。另外, 热处理一般是在试模以后进行, 对于难以对回弹值进行计算和估计得板料, 中弯曲模的制造阶段, 可先不进行淬火凸模或者凹模, 带最后休整凹凸模的尺寸确定以后再进行淬火。
3.3 采用校正弯曲的方法
校正弯曲回弹角明显小于自由弯曲, 且随着校正力的增加, 回弹值会减小。这是因为校正弯曲力将使冲压力集中在弯曲变形区, 使得金属内层金属受挤压, 则板材被校正后, 内外层纤维都被伸长, 卸载后都要缩短。由于内外层的回弹趋势相反, 回弹量将减小, 从而达到减少或者消除回弹的目的。另外, 也可采用“试错法”对回弹变形加以补偿但是此种方法对操作者的技术和经验要求较高, 并且成功率不高。
参考文献
[1]蔡学瑜.U形件板料自由弯曲回弹角计算数学模型的研究[J].机电工程技术, 2013.
[2]李文平, 聂绍珉, 李金淼.板料U形弯曲回弹数值预测与补偿研究[M].2012.
弯曲回弹 篇3
回弹是板料弯曲成形工艺中对零件尺寸精度以及形状精度影响最大的因素，如何控制回弹一直是弯曲成形工艺研究的重点之一。随着汽车轻量化的发展，高强钢板日益受到关注，但是关于高强度钢板的研究较少，其中高强度中厚板弯曲工艺的研究更是少有。因为高强钢板的性能特点，造成其弯曲工艺伴随着大回弹、开裂等问题，所以开展高强钢板，尤其是高强度中厚钢板弯曲工艺的研究具有十分重要的意义。
现有对高强度板，尤其是高强度中厚板的研究，国外主要注重理论与试验相结合，关注点在预测回弹大小、控制回弹量等问题上[1]，主要研究内容就是回弹；不同的是，国内对于高强板的研究是随着汽车业的发展而发展起来的，重点集中在厚度减薄、中性层内移、回弹几个方面[2,3]，相对研究较广泛，但专门研究凸模圆角半径对高强度薄板和中厚板影响的较少。因为薄板和厚板的轧制工艺不同，很难找到同牌号且厚度不同的薄板和中厚板，本文选择两种强度较相近且厚度不同的板材来开展研究，能够在一定程度上反映高强度中厚板与薄板在弯曲回弹上的异同点。
1 凸模圆角半径对高强度钢板回弹的影响研究
1.1 凸模圆角半径对高强度中厚钢板回弹的影响
本文以5mm厚的FB780钢板90°V弯为例，采用ABAQUS软件来分析凸模圆角半径对高强度中厚板回弹的影响规律。在ABAQUS模型中，将凸模和凹模建成离散刚体，凹模底部有小槽，与试验模具相同。因板料厚度较大，故板料采用实体单元，厚度方向划分为5个单元，并采用六面体网格单元。考虑到弯曲部分变形大，要求计算精度高，因此对于凸模圆角接触部分的板料进行了网格细分。弯曲变形过程采用动态显式分析步，回弹过程采用静态隐式分析步，最终建立的ABAQUS有限元模型如图1所示。有限元分析中用到的FB780材料的弹性模量为165GPa，屈服极限为670MPa，抗拉强度为776 MPa，断裂延伸率为8.5%。
为了验证有限元模型的准确性，在自行开发的BTM-200弯曲试验机上对5mm厚的FB780进行弯曲试验，凸模圆角半径为R12.5mm。试验控制方式采用位移控制，当弯曲结束后凸模立即返回，避免引入厚向校正力的影响。试验后测量弯曲件两个直臂段的夹角，其与90°的差值就是回弹角。将测量得到的回弹角与有限元分析结果进行对比，结果如表1所示。
从表1可以看出，基于已有材料模型以及弯曲工艺建立的有限元回弹预测模型能够较准确地反映弯曲后回弹角的大小，用该模型进行有限元仿真来研究凸模圆角半径的影响具有一定的准确性。
利用验证后的有限元模型，进行了凸模圆角半径分别为R5、R12.5、R20、R40共4组仿真，并导出长度方向截面曲线坐标，输入到二维画图软件中进行拟合并测量两直线段之间的夹角，以此来计算回弹角。
1.2 凸模圆角半径对高强度薄钢板回弹的影响
以1mm厚的DP780材料为例，进行90°V弯来研究凸模圆角半径对高强度薄板回弹的影响。凸模圆角半径对高强度薄钢板弯曲回弹影响的有限元模型在中厚板模型的基础上进行了如下修改：将材料模型改为DP780,DP780材料的弹性模量为189GPa，屈服极限为550MPa，抗拉强度为874 MPa，断裂延伸率为12.0%；因为板料比较薄，因此将板料单元类型改为壳单元。
为了验证DP780有限元模型的准确性，同样对1mm厚的DP780做了弯曲试验，凸模圆角半径为R5mm。试验控制方式和试验条件都与FB780相同。将测得的回弹角与有限元分析结果进行对比，结果如表2所示。
从表2可以看出，仿真值和试验值存在一定的误差，且经过对多个试验参数的修改，都无法获得较理想的仿真结果，其原因是与材料模型、接触条件以及动态效应等多种因素有关。因此，为了准确地研究DP780的回弹，在进行有限元仿真的同时，进行1 mm厚DP780的弯曲试验，来更准确地研究凸模圆角半径对高强度薄钢板弯曲回弹的影响。
DP780的试验研究同样在BTM-200弯曲试验机上进行，凸模半径分别为R3mm、R5mm、R7mm。试验控制方式采用位移控制，当弯曲结束后凸模立即返回，避免引入厚向校正力的影响。试验后测量弯曲件两个直臂段的夹角，其与90°的差值就是回弹角。同时，利用有限元软件进行相同凸模圆角半径的1mm厚DP780的弯曲回弹分析。最终，结合试验和仿真结果来说明影响规律。
2 结果分析
2.1 FB780仿真结果
对5mm厚的FB780钢板进行90°V弯有限元模拟，不同凸模圆角半径下回弹角的有限元仿真结果如表3所示。凸模圆角半径对FB780 90°V弯回弹角的影响规律如图2所示。
由图2可以看出，随着凸模圆角半径的增大，其弯曲回弹角增大，且当凸模圆角半径为R5时，出现了反回弹，即回弹后角度小于回弹前的角度。
值得注意的是，凸模圆角半径为R12.5时，FB780的90°V弯试验弯曲变形后其断面出现了开裂，如图3所示，并且表面有明显的与模具摩擦过的痕迹，如何避免其弯曲开裂问题以及表面摩擦问题，是中厚钢板弯曲研究需要继续深入的地方。
2.2 DP780仿真和试验结果
针对1mm厚的DP780，在不同的凸模圆角半径下分别进行了有限元仿真和试验研究，得到的弯曲回弹角如表4所示。凸模圆角半径对DP780钢板90°V弯回弹角的影响规律如图4所示。
由图4可以看出，虽然仿真值与试验值之间有误差，但是无论是有限元结果还是试验结果都反映出相同的趋势，即对于1mm的DP780高强钢板，其回弹角随着凸模圆角半径的增大而增大，当凸模圆角小到一定程度时，板料同样出现了反回弹。
但是与FB780不同的是，在弯曲后，DP780的薄板并没有出现开裂现象，表面和断面质量较好。
2.3 分析
由图2和图4可以看出，无论是高强度中厚钢板还是高强度薄钢板，在相同材料规格和模具弯曲角的情况下，其回弹角都随着凸模圆角半径的增加而增加。其原因是凸模圆角越大，则相对弯曲半径越大，虽然变形程度减小，但材料断面中心部分会出现很大的弹性区，这部分弹性区的变形就是引起回弹的主要原因，所以导致了回弹角越大。
由FB780和DP780两种材料研究结果中可以看到，从两者强度类似角度考虑，同一凸模圆角半径下，因为薄板与中厚板厚度的差异，可能造成完全相反的回弹，因此，对于中厚板的研究，不能完全参考薄板的结论，需要重点考虑厚度对高强度中厚钢板弯曲工艺的影响。
3 结论
通过对FB780和DP780的有限元分析和试验研究，可以得到如下结论：(1)高强钢板包括薄板和中厚板，在材料规格和模具弯曲角相同的情况下，其回弹角随着凸模圆角半径增大而增大，当凸模圆角足够小时会发生反回弹；(2)高强度中厚钢板弯曲过程中，伴随着断面开裂现象，但高强度薄钢板弯曲过程中并没有开裂产生；(3)高强度中厚钢板回弹大，且弯曲过程中由于弯曲力大造成了与模具的摩擦力较大，造成表面质量较差；(4)凸模圆角半径对高强度中厚钢板与薄板弯曲回弹的影响趋势一致，但是无论是回弹大小还是回弹方向都存在差异。
摘要：重点研究了凸模圆角半径对高强钢板回弹的影响。通过对厚度为5 mm的FB780和厚度为1 mm的DP780两种强度相似的材料进行V弯的有限元分析和试验研究,分析不同凸模圆角半径对高强度薄钢板以及高强度中厚钢板弯曲回弹的影响规律。研究结果表明:高强度中厚钢板和薄钢板一样,其弯曲回弹角随着凸模圆角半径的增大而增大,但是回弹角大小和方向不同;1mm厚的DP780的试验值和有限元分析值在回弹规律上取得了很好的吻合;对于5mm厚的FB780来说,其90°V弯试验后断面伴随着开裂,而1mm的DP780并没有开裂。
关键词：高强板,高强度中厚钢板,凸模圆角,弯曲回弹
参考文献
[1]Dilipak,Hakan,Ozdemir,et al.Effects of material properties and punch tip radius on spring-forward in 90°V bending processes[J].Journal of Iron&Steel Research International,2013,20(10):64-69.
[2]吴薇薇.低合金高强钢中厚板V形弯曲工艺研究及有限元分析[D].长沙:中南大学,2013:19-28.
[3]李志杰.中厚高强度钢板弯曲应变中性层研究[D].合肥:合肥工业大学,2012:17-32.