郭 龍，張夢(mèng)鴿，劉東海，李彥波，徐 鋒，武春虎，張 政，劉利剛，*

(1.凌云工業(yè)股份有限公司，河北 保定 071000；2.河北省汽車安全件工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000；3.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著汽車輕量化的發(fā)展，吉帕級(jí)超高強(qiáng)鋼在車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用日益廣泛。特別是汽車加強(qiáng)件、門檻及防撞梁等安全結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到1 500 MPa。鋼材強(qiáng)度的提高會(huì)嚴(yán)重影響到其自身的彎曲回彈性能，加大了冷彎成型、冷沖壓等成型工藝難度[1-5]，原有1 000 MPa以下級(jí)別材料的回彈控制工藝也無法適用。因此，針對(duì)1 500 MPa超高強(qiáng)度鋼彎曲回彈性能的研究，可為冷彎成型、冷沖壓等成型工藝提供有效的數(shù)據(jù)參考。根據(jù)彎曲回彈性能進(jìn)行成型工藝設(shè)計(jì)，可以有效地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)整個(gè)超高強(qiáng)鋼的成型工藝研究都十分有價(jià)值。

紀(jì)登鵬等[6]先后進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn)、成型極限試驗(yàn)以及擴(kuò)孔試驗(yàn)研究了寶鋼1 500 MPa超高強(qiáng)鋼的成形特性，證明該材料具有優(yōu)異的整體成型性能。朱曉東等[7]以1 500 MPa級(jí)別的冷軋馬氏體鋼為研究對(duì)象,測(cè)試了其90°彎曲性能和在不同溫度的韌性及斷裂方式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)彎曲半徑/板厚達(dá)到2.5時(shí)，1 500 MPa的馬氏體鋼板可以滿足90°彎曲成形要求，并且在-40 ℃以上有穩(wěn)定的沖擊韌性值。侯登義等[8]從淬火溫度、保溫時(shí)間、化學(xué)成分、冷卻速度等角度改善了1 500 MPa級(jí)超高強(qiáng)度耐磨鋼板淬透性不足的問題。盡管上述學(xué)者們針對(duì)1 500 MPa超高強(qiáng)鋼材料已經(jīng)進(jìn)行了一些性能檢測(cè)，但是對(duì)于1 500 MPa冷軋馬氏體鋼在冷彎成型、沖壓領(lǐng)域常用的彎曲回彈性能還沒進(jìn)行系統(tǒng)性研究，對(duì)影響其彎曲回彈性能的相關(guān)因素還需進(jìn)一步研究。

韓非等[9-10]基于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了1 180 MPa級(jí)別的超高強(qiáng)馬氏體鋼的彎曲性能，以最小彎曲半徑表征材料的彎曲成型性能，發(fā)現(xiàn)隨著強(qiáng)度升高，斷后伸長率接近性下降；相對(duì)彎曲半徑值增大，彎曲性能下降，但并無良好的線性關(guān)系。葛德龍等[11]人對(duì)1 000 MPa級(jí)別超高強(qiáng)度馬氏體鋼板進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)彎曲半徑與彎曲角度成正比，與經(jīng)典塑性理論不同，彎曲角度與材料延伸率無關(guān)。S.K.Panthi[12]研究了材料參數(shù)對(duì)回彈的影響，指出隨著材料屈服強(qiáng)度的增大，回彈量增加；隨著彈性模量的增大，回彈量減小。國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)1 300 MPa級(jí)別以下超高強(qiáng)鋼進(jìn)行了彎曲回彈性能的相關(guān)研究，但是隨著1 500 MPa馬氏體鋼材料在冷彎成型工藝中的應(yīng)用日益增加，有關(guān)1 500 MPa級(jí)馬氏體鋼材料的彎曲回彈性能研究已經(jīng)非常必要。

為研究其彎曲回彈性能，本文將基于1 300 MPa級(jí)以下的彎曲回彈性能研究方法，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，從影響傳統(tǒng)材料彎曲性能的壓下速度、相對(duì)彎曲半徑、材料板厚、彎曲半徑4個(gè)主要因素對(duì)1 500 MPa超高強(qiáng)鋼進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

本文基于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究1 500 MPa超高強(qiáng)鋼的彎曲回彈性能。通過改變沖頭壓下速度、厚度、彎曲半徑等參數(shù)，測(cè)量并記錄樣件的彎曲角度和回彈角度。試驗(yàn)在SHT4605微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，支撐輥輥間距計(jì)算公式為

D輥心距=D輥輪+2R沖頭+3d料厚。

試驗(yàn)材料選用1 500 MPa冷軋酸洗裸板。由電火花切割為60 mm×50 mm的薄片試樣(沿寬度方向60 mm，沿軋制方向50 mm)，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)沖頭可更換，安裝在凸模固定座上固定于試驗(yàn)機(jī)頂部，截面方向根據(jù)定位銷定位，軋制方向根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)記定位。

圖1 料片放置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test sheet placement

1.2 角度的測(cè)量

彎曲角度的測(cè)量是三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的難點(diǎn)，在線測(cè)量彎曲角度過程繁復(fù)，誤差較大，無法獲得準(zhǔn)確的彎曲角度數(shù)據(jù)。有限元仿真軟件可以模擬三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的彎曲和回彈全部過程，為了排除有限元法對(duì)回彈計(jì)算的誤差，本文使用MSC.Marc軟件模擬三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的彎曲過程，應(yīng)用幾何原理在軟件中測(cè)量一定參數(shù)下的彎曲角度，采用量角器測(cè)量試驗(yàn)后的樣件得到回彈后角度。其中，為與輥壓設(shè)計(jì)中角度保持一致，定義彎曲角、回彈后角度如圖2所示，用θ1表示彎曲角度，θ2表示回彈后角度?；貜椊嵌扰c實(shí)際工況、材料性能密切相關(guān)，試驗(yàn)時(shí)材料彎曲到指定狀態(tài)后卸載外力，量角器測(cè)量實(shí)際回彈后角度。

圖2 彎曲回彈角度定義Fig.2 Definition of bending rebound angle

2 結(jié)果與討論

2.1 回彈影響因素分析

2.1.1沖頭壓下速度對(duì)彎曲回彈性能的影響

通過改變沖頭壓下速度，觀察材料回彈角度變化趨勢(shì)。試驗(yàn)鋼為1 500 MPa馬氏體鋼，板厚為1.0 mm，彎曲半徑為R5，壓下行程為15 mm，速度分別為5 mm/min、10 mm/min、15 mm/min、20 mm/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1數(shù)據(jù)表明，行程為15 mm，隨著壓下速度的改變，回彈角度稍有變化，但整體變化在2°之內(nèi)，彎曲角度為113°不變。但是，當(dāng)沖頭壓下速度在20 mm/min時(shí)回彈角度沒有波動(dòng)，最穩(wěn)定。本文其他影響因素的試驗(yàn)速度都采用20 mm/min。

表1 不同壓下速度彎曲回彈角度對(duì)比Tab.1 Comparison of bending rebound angles with different reduction speeds

2.1.2 相對(duì)彎曲半徑對(duì)回彈角度的影響

研究者對(duì)比折彎成型和輥彎成型的角度，發(fā)現(xiàn)輥彎成型回彈角度明顯小于折彎的回彈角度。Biswas[13]基于彎折理論及其試驗(yàn)，加入對(duì)材料特性參數(shù)的考慮，在前人的基礎(chǔ)上提出了Biswas回彈計(jì)算公式。本節(jié)將在彎曲半徑分別為R5、R6、R8，厚度分別為1.0 mm、1.2 mm、1.6 mm，相對(duì)彎曲半徑為5的工況下進(jìn)行三組試驗(yàn)。

對(duì)Biswas回彈計(jì)算公式進(jìn)行簡化[14-15]得到

(1)

式中，ri1為彎曲半徑，ri2為回彈后半徑，t為板材厚度，θ1為彎曲角度，Δθ為回彈角度，A、B、C、D為材料楊氏模量、板料厚度和屈服應(yīng)力經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)所得系數(shù)。由式(1)可以看出回彈角度只與相對(duì)彎曲半徑相關(guān)。等相對(duì)彎曲半徑狀態(tài)下，回彈角度應(yīng)相等。

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，由于每種材料的彎曲回彈性能不同，試驗(yàn)中彎曲角度、回彈角度難以控制。為使不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)有對(duì)比性，具有相同的因變量，試驗(yàn)中以沖頭下壓行程為因變量，收集同一行程下材料的回彈量。然后將離散有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析，采用一種能表征該區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，以獲取描述整體變化趨勢(shì)的相關(guān)公式，便于對(duì)比分析。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合程度，最終選用了擬合程度高且便于計(jì)算的三次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型。

圖3為等相對(duì)彎曲半徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線，R8/1.6、R5/1.0和R6/1.2三條擬合曲線對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)算得分別為99.75%、99.74%和99.32%，均在99%以上，表明三次多項(xiàng)式曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好。由圖可知，[0,50]區(qū)間，R6/1.2與R5/1.0曲線基本重合，R8/1.6曲線位于兩條曲線上方回彈最小；[50,100]區(qū)間，R6/1.2曲線處于中間位置，但走勢(shì)變換明顯；在[100,160]區(qū)間內(nèi)，R6/1.2曲線位于最上方，但與R8/1.6曲線延長線基本重合。三條曲線未見重合且整體變化無明顯規(guī)律。

圖3 等相對(duì)彎曲半徑彎曲回彈曲線Fig.3 Bending rebound curve with equal relative bending radius

從上述曲線可以看出，當(dāng)相對(duì)彎曲半徑相同的情況下，相同的彎曲角度對(duì)應(yīng)的回彈角度并不相同。故該Biswas回彈計(jì)算公式無法用來準(zhǔn)確計(jì)算1 500 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼彎曲回彈量。因此，本文提出1 500 MPa級(jí)別的超高強(qiáng)鋼回彈角度的計(jì)算，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析的方法擬合計(jì)算公式進(jìn)行彎曲回彈性能的表征。

2.1.3 厚度對(duì)彎曲回彈性能的影響

本文選用1 500 MPa馬氏體鋼進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得三種厚度板材力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示，表中數(shù)據(jù)說明不同厚度的材料其力學(xué)性能大致相同。本節(jié)在材料力學(xué)性能一致的基礎(chǔ)上對(duì)不同板厚的彎曲回彈性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

表2 不同厚度材料力學(xué)性能對(duì)比Tab.2 Comparison of mechanical properties of materials with different thickness

在相同工況下對(duì)不同厚度的材料進(jìn)行試驗(yàn)，彎曲半徑為R5，壓下行程為3～21 mm，間隔2 mm，板厚分別為1.0 mm、1.2 mm和1.6 mm。表3為部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用線性回歸原理擬合得到對(duì)應(yīng)的彎曲回彈曲線如圖4所示，板厚1.0 mm、1.2 mm和1.6 mm三條擬合曲線對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)算得分別為99.84%、99.82%和99.89%，三條擬合曲線相關(guān)系數(shù)均達(dá)到99.8%，表明三次多項(xiàng)式曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好，可以采用該三次多項(xiàng)式計(jì)算彎曲和回彈角度。

表3 不同厚度彎曲回彈角度對(duì)比Tab.3 Comparison of bending rebound angles of different thicknesses

圖4 不同厚度鋼材彎曲回彈曲線Fig.4 Bending rebound curve of steel with different thickness

觀察曲線[0,50]區(qū)間，1.2 mm曲線與1.0 mm曲線基本重合，1.6 mm曲線位于兩條曲線上方回彈最小；[50,140]區(qū)間，1.2 mm曲線處于中間位置，同 樣的彎曲角度下，1.6 mm厚材料回彈后角度最大，1.0 mm材料回彈后角度最小；[140,180]區(qū)間1.2 mm與1.6 mm曲線基本重合，1.0 mm曲線位于最下方回彈最大。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過三次多項(xiàng)式擬合得到不同板厚下的彎曲回彈角度計(jì)算公式。

厚度1.0 mm材料的彎曲回彈公式為

(2)

厚度1.2 mm材料的彎曲回彈公式為

(3)

厚度1.6 mm材料的彎曲回彈公式為

(4)

式中，θ1為彎曲角度，θ2為回彈后角度。

在冷彎成型工藝和冷沖壓工藝中90°是比較常用的彎曲角度，將彎曲角度θ1=90°分別代入式(2)～(4)中，計(jì)算回彈角度如表4所示。彎曲角度為90°，當(dāng)厚度由1.0 mm增加到1.6 mm時(shí)，同樣彎曲90°，材料回彈由38°減小到20°，回彈減少了18°。同樣的彎曲角度下，隨著板厚的增加，回彈后角度增大，回彈減小。

表4 不同厚度計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of calculation results of different thicknesses

2.1.4 彎曲半徑對(duì)回彈角度的影響

在相同工況下改變彎曲半徑，對(duì)比鋼材的彎曲回彈性能，板厚為1.0 mm，壓下行程為3～21 mm間隔2 mm，支撐輥輥間距分別為43 mm、49 mm和53 mm，彎曲半徑為R5、R8和R10，三種不同彎曲半徑下的彎曲回彈曲線如圖5所示，R5、R8和R10三條擬合曲線相關(guān)系數(shù)分別為99.84%、99.65和99.73%，均在99.6%以上，擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)重合性良好，可以采用該三次多項(xiàng)式計(jì)算彎曲和回彈角度。觀察可得，三條曲線距離較近，彎曲半徑改變對(duì)回彈角度的影響不明顯。在[0，50]與[140，180]區(qū)間內(nèi)，三條曲線基本重合；[50，140]區(qū)間內(nèi)，R5曲線位于最上方，R10位于最下方，此時(shí)R5回彈最小，R10回彈最大。

圖5 不同彎曲半徑鋼材彎曲回彈曲線Fig.5 Bending rebound curve of steel with different bending radius

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過三次多項(xiàng)式擬合得到不同彎曲半徑下的彎曲回彈角度計(jì)算公式如下：

材料在R5彎曲半徑下的彎曲回彈公式為

(5)

材料在R8彎曲半徑下的彎曲回彈公式為

(6)

材料在R10彎曲半徑下的彎曲回彈公式為

(7)

將θ1=90°代入式(5)～(7)中，得出對(duì)應(yīng)的回彈角度，如表5所示。彎曲角度為90°，彎曲半徑由R5增加到R8，材料回彈由31°增加到38°，回彈增加了7°。同樣的彎曲角度下，彎曲半徑增大，回彈后角度減小，回彈增加。

表5 不同彎曲半徑計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of calculation results of different bending radius

2.2 各影響因素對(duì)彎曲回彈性能的對(duì)比分析

2.1節(jié)中分析了各因素對(duì)板材回彈的影響，壓下速度和相對(duì)彎曲半徑對(duì)1 500 MPa馬氏體鋼的彎曲回彈性能無明顯影響。但是，厚度、彎曲半徑對(duì)材料的彎曲回彈性能有明顯的作用規(guī)律，當(dāng)彎曲半徑為R5時(shí)板厚影響回彈數(shù)據(jù)對(duì)比如表6所示，當(dāng)板厚為1.0 mm時(shí)彎曲半徑影響數(shù)據(jù)對(duì)比如表7所示。彎曲角度為90°，材料增厚，回彈變化大于8°；彎曲半徑增加，回彈變化在4°以內(nèi)。分別計(jì)算回彈相對(duì)于板厚和彎曲半徑變化的百分比，如表8所示?？傻茫簭澢嵌葹?0°，板厚改變20%，回彈角度改變了19%；板厚改變40%，回彈角度改變了33%；板厚改變60%，回彈角度改變了46%。彎曲半徑改變25%，回彈角度改變12%；彎曲半徑改變60%，回彈角度改變10%；彎曲半徑改變100%，回彈角度改變23%。經(jīng)對(duì)比，在影響彎曲回彈的影響因素中，板厚與彎曲半徑同樣變化60%的前提下，材料的彎曲回彈改變比例相差36%。因此，對(duì)于1 500 MPa馬氏體超高強(qiáng)鋼材料而言，材板厚度是影響其彎曲回彈性能的最關(guān)鍵因素，工藝設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮。

表6 板厚影響回彈數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.6 Comparison of material thickness influence springback data

表7 彎曲半徑影響回彈數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.7 Comparison of bending radius influence springback data

表8 影響因素比重分析Tab.8 Analysis of the proportion of influencing factors

3 結(jié)論

本文通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)量1 500 MPa超高強(qiáng)鋼在壓下速度、材料板厚、彎曲半徑、相對(duì)彎曲半徑等影響因素下的彎曲回彈性能，得到的結(jié)論如下：

1)當(dāng)壓下速度在5～20 mm/min變化時(shí)，隨著壓下速度的改變，回彈角度稍有變化，但整體變化在2°之內(nèi)。但是，當(dāng)沖頭壓下速度在20 mm/min時(shí)回彈后角度沒有波動(dòng)，最穩(wěn)定。

2)對(duì)于1 500 MPa超高強(qiáng)馬氏體鋼而言，相對(duì)彎曲半徑相等的情況下，回彈性能并不一致，且等相對(duì)彎曲半徑下回彈角度無規(guī)律性變化。同樣的彎曲角度下，隨著材料的增厚，回彈減小。同樣的彎曲角度下，彎曲半徑增大，回彈增加。

3)材料板厚和彎曲半徑對(duì)材料的彎曲回彈性能影響顯著，其余因素?zé)o明顯影響。板厚與彎曲半徑同樣變化60%的前提下，材料的彎曲回彈改變比例相差36%。因此，對(duì)于1 500 MPa馬氏體超高強(qiáng)鋼材料而言，材料板厚是影響其彎曲回彈性能的最關(guān)鍵因素，在冷彎成型設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮材料板厚。