先进高强度钢汽车保险杠冷弯辊成形工艺模具设计
J.J. Sheu, C.H. Yu and J.K. Wang
摘要：采用冷弯成型工艺，可有效地制造复杂截面的孔道和管材，并将焊接和热处理设备集成在一起以达到缩短生产周期的目的。先进高强度钢是一种采用常规成形方法制成的硬质材料。热冲压工艺是降低高强度钢冲压成形载荷的有效途径。热冲压工艺的加热和冷却过程复杂，难以控制。冷轧辊成形工艺是在室温条件下利用一系列轧辊对高强度钢进行成形的替代方法。本文提出了一种具有两个非对称密闭室截面的汽车保险杠结构的CRF工艺和模具设计，它采用了具有抗拉强度的高级高强度钢，其强度可达1400 MPa。至于辊花纹的设计，用有限元法对成形辊进行了评价。该成型辊的纹路可控制材料的局部变形，防止折叠和起皱的缺陷出现。模拟结果表明，由于辊的单侧接触，分离室在关闭过程中出现了边缘折叠缺陷。只有前辊模接触到由于几何约束没有底部支持的上坯成形区域。采用孔型设计，制作箱顶边缘的预制件。仿真结果表明，该设计能够有效地防止折叠缺陷，并获得了良好的效果。
关键词：冷弯成型；成型辊纹路设计；辊套设计；CAE
1 引言
低碳排放和高安全性要求是轻量化、高强度车身设计和制造的强大驱动力。汽车车身冲压采用先进的高强度钢(AHSS)，以满足市场需求1。AHSS的微观和宏观力学性能给生产方法和应用设计带来了新的技术挑战2。
许多成形工艺适用于AHSS产品的制造，如热冲压工艺、液压成形工艺、冷轧辊成形工艺等。热冲压法可以像传统的冷冲压法那样产生复杂的几何形状，但要提高钢的强度，需要采用额外的热处理和淬火工艺。冷辊成形工艺更适合于制造汽车的窗框、保险杠等长通道型产品。根据成形工艺(辊花)设计了一系列轧辊，并逐步采用该方法成型钢板。由于二十多辊的生产线非常长的特点，它导致了板料的扭转、打保龄球、摆动、起皱和回弹等缺陷以及在冷轧辊成形过程中的拉拔。辊花花型的设计和各机架的辊型设计是制作声冷辊成形产品的关键，但由于辊数和辊数的影响和板料毛坯模具所需的尺寸，这使得成形过程的模拟非常困难。
Mynors等人[3]提出了冷弯成型工艺设计和辊套设计活动的检验和质量评价方法。通过对不同产品型材的辊花设计和辊套设计进行比较，便能得到高质量、高效率的设计方案。杜比纳等[ 4 ]应用分岔临界负荷侵蚀（ECBL）的方法并通过非线性有限元模拟来评价几何缺陷和屈曲。kasaeia等人[ 5 ]提出了带钢宽度和排辊成形的ERW管设计。采用有限元软件MARC对不同带材宽度的成形过程进行模拟。带材宽度越大，毛边纵向应变越大，并会导致产生起皱缺陷。Senanayake等人[6]提出了U形产品的弯曲角增量设计。采用有限元软件MARC进行成形模拟，采用四节点壳单元模型可得到厚度分布。Sheikh et.al[7]采用SHAPE-RF有限元软件对复杂通道的冷轧辊成形过程进行了数值模拟。以工业状况为例，对有限元仿真工具的坚固性进行评估。机架间距对纵向应变和变形区的控制至关重要。Kiuchi等人[8]提出了预测ERW(电阻焊)管的产品几何形状、驱动力矩要求和电阻焊变形面积上界的方法。
2 产品和工艺设计
2.1 双腔异型材的产品设计
拟议的双腔通道产品的几何形状和主要尺寸如图1（a）所示。金属片的厚度为1.8mm。在25 mm的距离内，有两个不同高度的封闭矩形室和两个加强肋，起到增加顶板的刚度和防碰撞的作用。焊接线的位置选择不仅影响焊接工艺的质量，而且影响到辊花的设计。在型材顶部中心位置的选择更便于焊接操作和焊接方法的选择。
2.2 辊花设计
冷弯成型工艺设计通常称为辊花设计。辊花的开闭现象与CRF工艺的发展设计(辊花打开)和GRF成型过程（辊花闭合）相似。演示产品的剖面图分为两个主要部分，中心肋板和分离室，它们用于弯曲角度的控制。中心肋几何形状是滚动形成的，6个成形辊之间的角度增量恒定(两两之间15度)，如图所示。1(b)。同时形成四个弯曲半径，以减少成型辊的数量。在成形过程中，由于型材的不可达区域，分离室区域更难形成。上角的90°被分为弯曲角为恒定增量(每个辊子增18度)的5步(7~11步)。下角落的90°形成带有混合常数和余弦弯曲角增量的9步(12~20步)。7~20步的辊花在图2中被展示。
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图1.(a)双通道产品的外形；(b)在两腔之间的中间加强肋板。
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图2在上角形成的腔区及在下角形成的腔区
2.3 辊套设计
采用上一节提出的滚花设计，得到了冷辊成型模具(辊套)的设计。上下辊的辊径为188.2 mm，侧辊的辊径为100 mm。带有2°起伏角的辊花的上、下辊的轮廓可减少一些不必要的接触。第十八步和第十九步的上辊在板形中心设置了翅片区，这样可控制毛坯边缘的材质，防止腔形出现缺陷。
3 有限元模拟
采用COPRA软件进行CRF仿真。毛坯采用德国DIN 6935标准开发，计算带材宽度为456.29 mm。使用在2.2和2.3节中所建议的设计生成了辊花和辊套。采用有限元模拟方法，对每一步辊花的角度增量进行预测，并预测毛坯边缘的最大纵向应变。采用0.2%应变和Eq中给出的弹性极限准则计算起皱成形的极限应变。sigma;y为屈服强度，E为杨氏模量。
3.1冷弯成形过程仿真模型
在以下假设下，模拟了冷轧辊成形过程：(1)假定毛坯和辊套的摩擦系数为零，适用于轧制接触模拟；(2)辊架间距为400 mm；(3)成形速度为10 mm/s。毛坯采用单层(厚度1.8mm)实体单元，在纵向和宽度方向分别采用基本尺寸为5.19 mm和3.60 mm的实体单元进行网格划分。生成的工具和毛坯的有限元模型如图3。横截面上的毛坯网格被划分为不同的部分，并根据产品的弯曲段使用更细的网格尺寸，如图3右上。
3.2材料模型
冷轧辊成形工具被认为是刚性的。AHSS材料的屈服应力为1344 MPa，拉伸强度为1413 MPa。
图3 变形毛坯的有限元网格模型及描述模型
4 结果与讨论
4.1 边缘纵向应变评定
冷轧辊成形过程中带材边缘的最大纵向应变是缺陷预测的关键。如果带钢边缘的最大纵向应变过大，就会出现波浪状或起皱的缺陷。第15、16、17和18级成型辊左侧间隔的最大纵向应变水平要大于应变极限的0.84%。过大的纵向应变导致产品截面变形。
4.2轧辊成型产品的几何验证
在出口后20毫米处的辊型产品的截面(第20个)如图4所示，它展示出在回弹后产品的轮廓。设计CAD的最大轮廓偏差为1.52mm，测量结果的最大偏差为1.62 mm，在最右侧和最左侧分别为1.52mm和1.62 mm。在最后阶段，还显示了1.34mm边缘折叠的轮廓。造成这种重叠的原因是带材宽度设计较大和型材偏差。为了避免这种重叠，需要一个校准装置。
4.3 轧辊成型产品的几何标定
可以使用校准装置校正截面轮廓偏差，以扩大室的塌陷。最后一步室的接触力显示在图4(B)的右边。左侧(13，571 N)和右侧(16，285 N)两侧的大量内接触力导致了轮廓偏差。图4(B)中左边的轮廓校正设计是为了减少剖面偏差而提出的。两个插头被放入校准装置的室内，并产生了向外的力，如图4(B)所示它能补偿先前成型步骤时产生的倒塌。
4.4应力分布与产品剖面标定
在三个最重要的阶段(步骤6、11和20)的有效应力分布如图5所示.。第6步的应力分布图6(5A)表明肋板弯曲半径的最大应力在1900 MPa附近，这足以防止回弹。第11步的应力分布如图1（5b)表明左上弯角处的最大应力接近1900 MPa，右上弯角仅接近1357 MPa，这说明回弹可能发生在产品的右上角。第20步的应力分布如图2（5C)表明，在所有腔角处的最大应力均在1900 MPa附近，这意味着最终的几何形状应该是良好的，而不存在严重的回弹缺陷。由于在第15至第18步引起的较大纵向应变，大分离室边缘的几何形状呈波浪状。校准步骤后对产品轮廓与设计剖面进行比较，如图5（D)所示。它对该轮廓的偏差进行了完全校准。
图4.(A)轧辊成型产品与设计型材的比较；(B)校准架上的校准辊设计(左侧)和相应的接触正应力(右侧)。
5 总结
- 这篇论文建立了AHSS冷轧辊成形工艺及模具设计方法。CAE模拟结果能够说明可能出现的成形缺陷及其原因。
- 接触力显示轮廓偏差和校正轮廓偏差所需的校准力。校准架的塞式设计能够校正产品的几何形状。
- 在15~18成型辊之间，较大分离室的最大纵向应变大于限值的话在最后一步辊压会引起波浪卷曲。校准装置应在之后回复其截面形状。
图5 有效应力分布和修正截面(A)步骤6；(B)步骤11；(C)步骤20；(D)设计和校准的剖面图。
6 参考文献
- O. Kwon, K. Y. Lee, G. S. Kim, K. G. Chin, New Trends in Advanced High Strength Steel Developments for Automotive Application, Mat. Sci,For.,638-642 (2010) 136-141.
- World Auto Steel, Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guidelines (Version 4.1), online at www.worldautosteel.org.
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D.J. Mynors, M. English, M. Castellucci, 2005, Controlli
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