１侧壁补助弯曲工艺的受力分析
侧壁补助弯曲成形是条料在成形过程中，侧壁处条料先逐渐弯曲变形达一定曲率，然后在精整形过程中再逐渐变成平直形状。图１为条料在轧辊作用下弯曲时的受力图。Ｆ、Ｆ１和Ｆ２为上辊作用于条料的集中力，Ｎ为下辊作用于条料的力。辊弯成形时，板料底部圆角和顶部圆角段均为三点受力，因此，底部和顶部的成形为三点弯曲成形；中间侧壁部分由于受底部圆角、顶部圆角段的挤压和下辊径向方向的作用力而发生弯曲，条料弯曲半径与下辊的曲率半径相等。图２为底部圆弧段三点弯曲成型弯矩分布图，板料ｃｄ段包覆在上辊，ａ点和ｄ点与下辊相切，根据力学原理可知，条料从ａ点到ｂ点的弯矩线性增大，ｂｃ段弯矩保持不变，ｃｄ段线性减小。可知，ｂｃ段条料等曲率弯曲。扁管的弯曲成形属宽板弯曲，为三向应力状态和平面应变状态，受切向（θ）、径向（ρ）和宽度方向（Ｂ）的应力。汽车散热器薄壁扁管的变形为小变形，变形区只受切向应力σθ的作用，径向应力和宽度方向的应力很小，可近似为零，因此，条料处于线性全塑性弯曲阶段［６－８］。条料发生塑性变形的条件为：σθ＝σｓ（１）由以上分析可知，条料在轧辊包覆成形作用时弯曲段为等半径的圆弧，条料在轧辊作用下弯曲成顶部、底部和侧壁具有不同半径的圆弧形状。侧壁圆弧段条料与下辊表面完全接触而不与上辊接触，一方面使条料弯曲半径与下辊半径相等，另一方面避免上、下辊由于线速度不同而对条料成形的影响，减少轧辊与条料的摩擦，延长轧辊使用寿命。同时，侧壁补助弯曲时，角部的弯曲成形采用三点弯曲成形，有利于材料的流动，弯曲的侧壁增加了条料边部的横向移动，减小了角部的纵向拉伸。
２侧壁补助成形数值模拟与实验
２．１成形过程模型的建立
运用ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ软件对扁管的成形过程进行有限元模拟，建立全机组三维有限元模型。模拟的铝合金材料为３００３－Ｈ１４，其弹性模量为６９０００ＭＰａ，屈服强度为１４５ＭＰａ。图３为侧壁补助弯曲成形时的辊花图，其中，Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３分别为顶部、侧壁和底部的弯曲半径。由于条料厚度仅为０．３ｍｍ，其远小于宽度和长度方向的尺寸，因此变形主要以弯曲变形为主，所以采用壳单元进行模拟［９］。条料定义为可变形体，轧辊定义为刚性体。将条料和轧辊的运动等效简化为一种相对运动，设轧辊不动，进行全约束，条料前进，并且向轧辊方向移动，约束类型为ＸＳＹＭＭ（Ｕ１＝ＵＲ２＝ＵＲ３＝０）。条料与轧辊是否接触是通过在动力分析过程中自动检测运动部件表面是否接触来实现的，并通过接触罚函数进行约束［１０］。轧辊的弯曲圆角处和条料的底角、顶角处的网格需细化，而侧壁处则可稍大一些，该处理既可保证模拟精度又能提高计算速度。
２．２成形过程模拟
图４ａ为条料第１道次平整和第２道次咬入过程，条料平整过程无应力作用，不发生塑性变形，条料在第２道次咬入前开始受力，随着条料进入轧辊，应力逐渐增大，在轧辊处达到最大。条料前端在轧辊作用下，逐渐弯曲变形并带动条料两侧弯曲。图４ｂ为第３道次成形过程，可知，当条料运动到第３道次时，在第２道次和第３道次共同作用下进入轧辊孔中，条料进一步弯曲变形。图４ｃ为条料第４道次成形图，可知，经过４道次轧制后，条料发生底角翘曲变形，是因为上辊在条料底角和顶角部位施加过大的力，使得条料既发生纵向拉伸，又发生横向拉伸，从而产生剪切变形，而过大的剪切变形导致角部翘曲变形。除了成形方法对条料成形质量影响外，成形道次数也是影响产品质量的重要因素，过少的道次数，使产品成形过程中受到较大的应力，从而发生翘曲变形；而过多的道次数，则会增加生产成本。因此合理的成形道次数和成形工艺是保证成形质量良好的关键因素。为解决轧制过程中的翘曲变形问题，增加成形道次数，优化各圆弧段弯曲半径如表３所示。图５为改进工艺后的模拟过程，可见，在初始工艺的第３道次和第４道次间增加一对成形轧辊，减少了每道次间弯曲角度的增量，避免了道次间过大的横向拉伸和纵向拉伸的产生（见图５ａ）。图５ｂ为第６道次条料成形图，条料开始进入封闭的轧辊孔型中成形。图５ｃ为第７道次条料成形图，可知，条料在封闭的轧辊孔型中成形成扁管，条料没有翘曲、褶皱等缺陷。可见，改进工艺后，条料整体所受应力降低，应力分布更加均匀。效应变增加速度基本一致，侧壁处等效应变增加速度较慢。图７为底角处条料内外层等效应变随时间变化的曲线，由图可知，等效应变随时间的增加而不断增加，外层金属应变增加速度大于内层的金属，因此，外层金属因拉伸产生的应变大于内层金属因压缩产生的应变。表４为各道次间顶角处等效应变增量占总应变的百分比，可知，条料在第５、６道次时等效应变增量最大，而在第２、３、４、７道次时等效应变增量相对较小，满足辊弯成形时各道次参数分配的一般规律［１１］。
２．３实验结果与分析
为验证上述模拟结果的正确性，在开发的轧辊模具及相应生产线上进行了大量成形实验。实验结果表明：对于壁薄且长宽比值较大的扁管，采用侧壁补助弯曲的成形方法是可行的，可以避免侧壁凹陷、角部褶皱等缺陷的产生，扁管表面平整光滑，表面粗糙度为Ｒａ＝０．２μｍ。顶角和底角处采用三点弯曲的方法是可行的，可提高成形质量，且简化了成形工艺，成形速度可达１６０ｍ·ｍｉｎ－１，尺寸精度仍较好，且焊缝平直，可保证焊接质量。
３结论
辊弯成形过程中，条料的弯曲方式是影响条料塑性成形性能的重要因素之一。采用“直接成方”和侧壁补助弯曲相结合的成形工艺可实现汽车散热器扁管及其他薄壁、长宽比值较大的扁管的辊弯成形，且成形件的表面质量和产品精度均较好。
作者：钱应平 单位：湖北工业大学
