高强度钢管新弯曲方法“PRB”的发展

高强度钢管新弯曲方法“PRB”的发展高强度钢管新弯曲方法“PRB”的发展高强度钢管新弯曲方法“PRB”的发展O.Sonobe1，Hashimoto1，K.Suzuki1，A.Sato1Y.Ueno2 M.Okada31 钢材研究实验室。日本 JFE 钢铁公司2 Chassis 产品化，丰田汽车公司，日本3 TAIYO 公司,日本摘要:JFE 钢铁工程控股公司，丰田发动机公司和太阳公司为薄壁高强度钢管研究出了一种新方法(PRB:通过压紧模推挤和压弯模回转使直径微缩的方法)。我们采用高强度电阻焊钢管的弯曲试验和有限元模拟来研究 PRB 的弯曲性能。在 PRB 方法中，通过沿周向施加压应力来使钢管弯曲，这就能够使小直径或者多重直径的高强度钢管和(或)薄壁钢管弯曲，而不使用传统旋转拉弯方法中必需的心轴或脱模钳。传统旋转式拉弯方法中心轴和脱模钳需要很长的调整时间并且最终会磨损，这种新方法取消了心轴和脱模钳，能够高效的弯曲薄壁高强度钢管，并且它能弯曲不规则形状的钢管，如两端带有突沿的钢管。PRB 的应用能生产出采用 590MPa 级电阻焊钢管的纵臂和采用 780MPa 级电阻焊钢管的下臂。关键词:新弯曲法、心轴、脱模钳、效率、传统弯曲、PRB。1.引言最近，在汽车结构零件制造领域减轻质量和增加强度越来越重要，能同时满足两个要求的一种方法是把电阻焊钢管用于封闭截面的汽车零件 12。当采用高强度钢管制造汽车零件，如副车架，下臂等时，钢管液压成形或其他成形之前通常需要弯曲操作，因此改善材料的可成型性和弯曲过程的生产效率是十分重要的3。JFE 钢铁工程控股公司，丰田发动机公司和太阳公司为薄壁高强度钢管研究出了一种新方法。在 PRB 方法中，通过沿周向施加压应力来使钢管弯曲，这就能够使小直径或者多重直径的高强度钢管和(或)薄壁钢管弯曲，而不使用传统旋转拉弯方法必需的心轴或脱模钳。因为 PRB 机器不需要使用心轴或者是脱模钳，这就能够减少技巧性的维护工作，比如模具调整就需要很多培训。本论文指出了成熟的 PRB 方法的特征和应用。2.最新成熟的弯曲方法的技术特征2.1 旋转拉伸弯曲的技术特征和问题图 1 是传统旋转式拉弯方法的原理图。旋转拉伸弯曲通常称为数控弯曲，它利用心轴和脱模钳，能改善材料可成形性，并能防止小半径弯曲时截面变形4。比如，一个标准强度钢管，其厚度与外径比值(t/D)大于 4%，不使用心轴和脱模钳时，弯曲内侧起皱并且横截面变形，弯曲半径对外径(R/D)的极限弯曲比值大约为4.5。通过升压泵对钢管轴向施加压应力来减少弯曲外侧变薄4。鉴于以上原因，旋转式拉伸弯曲方法可认为是一种高精度的弯曲方法，它用于液力传动零件和结构配件。然而，当旋转式拉弯应用于小半径时，这些技术要点要注意:1.钢管需要高延展性。对于高强度的钢管，它的延展性不可避免的降低，弯曲变形性能也会恶化。2.薄壁钢管必须使用心轴和脱模钳。因而，这种方法不适合两端带有突沿的钢管或者锥形钢管。3.为了防止弯管的内侧起皱和横截面变形，就必须使用心轴和脱模钳。但是，心轴和脱模钳最终会磨损，也需要很长的调整时间，因而增加了维护费用并且需要娴熟的维护人员。图 1 传统旋转式拉弯方法的原理图2.2 PRB 方法的技术特征和弯曲机我们假定，钢管处于复杂应力状态时进行弯曲，这种方法能有效提高钢管弯曲时的可成形性。旋转式拉弯的支撑升压泵沿着管的轴向施加压应力，由于受到钢管和压紧模之类的接触限制，这就很难使升压泵充分发挥作用。结构配件设计时可能允许截面变形，这些情形就可以使用高强度钢管。按照这个观点，在弯曲时施加周向力来弯曲周长减少的钢管是合理的，这样就能弥补高强度钢管的较差的延展性。图 2 是 PRB 机器的原理图。图 3 是 PRB 方法的原理图解。首先，在弯曲前通过压紧模对钢管施加一个压力，这个压力等级不会使钢管压缩，如图 3 所示。压紧模沿着周向对管施加压力。接着，使钢管弯曲，弯曲部分的周长变小。随着弯曲角度的增大，周长减少量也增加，弯曲钢管的横截面形状变得扁平。10-20 度的弯曲角度时，周长减少量达到饱和值 3-7%，横截面压扁约 10%。图 2 PRB 机器的原理图图 3 PRB 原理图解在 PRB 的情况下，有必要通过压紧模对钢管施加更大的压力。如图 2 所示，圆柱体 A 安装在通过弯曲模具的旋转轴线上，并且和弯曲前的钢管轴线垂直。我们采用一个压力控制系统来给压紧模最适宜的力。此外，圆柱体B 沿着管的轴线方向。采用这些技术特征，薄壁管旋转式拉弯中的心轴和脱模钳可以取消。如图 1 所示，在旋转式拉弯中，垂直于管轴线方向的紧压模的支撑位置固定于弯曲的背侧，这样能够有效地提供弯曲反作用力。考虑到这点，可以想到旋转式拉弯在弯曲过程中不会有意变细钢管。2.3 PRB 的变形特性为了研究 PRB 的变形特性，我们用一些实验检验和有限元模拟。钢管的材料属性和有限元模拟情况分别见于表 1 和表 2。该实验中采用 780MPa 级和 490MPa 级的电阻焊钢管。图 4 表示弯曲的钢管周向和纵向的坐标系。图 5 展示了 PRB 弯曲和不带心轴和脱模钳的旋转式拉弯方法下，780MPa 级电阻焊钢管的弯曲外形对比。图 6显示出 PRB 弯曲和带有心轴及脱模钳的旋转式拉弯的弯管的厚度分布。在旋转式拉弯情形中，如果没有心轴和脱模钳，弯曲过程中内侧出现褶皱，带有心轴和脱模钳时，外部外侧变薄。采用 PRB 方法，不使用心轴和脱模钳，褶皱和变薄都不会发生。我们认为变形的原因是成形方法的使用过程中，弯管的周长同时减少。表 1 试验中电阻焊钢管的机械特性和有限元模拟表 2 试验和有限元模拟条件图 4 弯管纵向和周向的坐标系图 5(780MPa 级的电阻焊钢管)PRB 弯曲和不带心轴及脱模钳的旋转式拉弯的外观对比图 6 实验和有限元模拟的弯管厚度分布对比(780MPa 级的电阻焊钢管)图 6 中叠加有有限元模拟的结果。因为有限元模拟的结果和实验结果吻合良好，可以用有限元模拟的方法有效检验变形机理。图 7 阐述了 490MPa 级电阻焊钢管进行旋转式拉弯和沿图 4 中?=67.5?的周向PRB 弯曲，其周向应力分布的有限元模拟结果。PRB 弯曲中的周向应力小于旋转式拉弯方法，钢管从弯曲外侧到弯曲内侧沿着周向被压扁。据推测这是由于压紧模使管周长减少而产生的影响。另一方面，PRB 弯曲和采用心轴及脱模钳的旋转式拉弯周向应力差不多，要比不带心轴和脱模钳的旋转式拉弯弯曲一侧的应力大。图 7(有限元模拟结果:490MPa 级电阻焊钢管)?=67.5?时沿着周向的应力分布 有限元模拟弯曲过程中的应力轨迹在弯曲内侧?=67.5?的同一水平位置。图 8中显示了 490MPa 级电阻焊钢有限元模拟的应力轨迹结果和屈服点轨迹。当达到屈服曲线时，PEB 弯曲中的应力状态类似于带有心轴及脱模钳的旋转式拉弯中的应力状态。相反，不带心轴及脱模钳的旋转式拉弯，周向抗压应力大于其他两种情形。因此，在 PRB 中，管材有沿着周向流动的趋势，这是因为在弯曲一侧要释放周向压应力。即便在 PRB 中没有使用心轴和脱模钳也能防止褶皱。图 9 是 PRB 弯曲和带有心轴及脱模钳的旋转式拉弯中，横截面压扁率量值的比较。PRB 中最大的压扁率达到了 10%，带有心轴和脱模钳的旋转式拉弯约为 2%。因为 PRB 方法不带有心轴和脱模钳，通过减少 3%-7%的钢管来防止弯曲内侧的褶皱，这就很难防止横截面的压扁。因此，PRB 的弯曲特性适合于结构配件的弯曲，这些不需要横截面圆度，也适合于液力成形前预弯曲和其他横截面要重塑的处理过程。图 8(有限元模拟结果:490MPa 级电阻焊钢管)?=67.5?时弯曲内侧的应力轨迹图 9 带有心轴及脱模钳的旋转式拉弯与 PRB 的压扁比较2.4 新钢管弯曲技术的发展PRB 应用于实际结构配件的发展，结果如下:一次弯曲操作能实现多重半径弯曲包括直线部分，这是因为垂直于钢管轴线的压紧模位置并不固定。通过增加钢管输送和在轴向和绕轴向方向分别增加旋转系统，可以实现准三维的弯曲。由于取消了心轴和脱模钳，两端带有突沿的钢管的弯曲和椎管的弯曲都是可能的。有意缩减钢管，可能使横截面压扁，或者是控制钢管弯曲部分周长，在某些情形有利于取消冲压成型过程。因为没有心轴和脱模钳，也就不需要消耗时间在替换和技巧性维护上，这就使周期缩短，成本下降。3.采用 PRB 的悬架臂制造一直认为把钢管应用于悬架臂很难，因为这些零件是薄壁的，需要复杂弯曲并且纵向的横截面形状在渐变6。但是，为了得到轻质量，高硬度和高强度，就值得应用高强度钢管。3.1 采用 590MP 高强度钢管的后纵臂纵臂的制造需要复杂的弯曲，可以采用准三维的 PRB 技术。图 10 是一个采用590MPa 级高强度钢管的纵臂成品外观。3.2 采用 780MPa 高强度钢管的前下臂采用 PRB 制成了一个 780MPa 高强度钢管的前下臂。图 11 是前下臂的外观。表3 是成熟零件的效果。如表 3 所示，成熟的下臂有很多值得注意的优点，特别是减少生产步骤。图 10 采用 PRB 和 590MPa 级电阻焊钢管的成熟纵臂的照片图 11 采用 PRB 和 780MPa 级电阻焊钢管的成熟前下臂的照片表 3 成熟零件的效果(前下臂:780MPa 钢管)4.结论研究一种称为 PRB 的新钢管弯曲技术，采用封闭的截面结构是为了实现生产轻质量和高刚度的汽车零件。在这种方法中，钢管弯曲时缩减。此外，还开发了多重半径和准三维的 PRB 技术，590MPa 和 780MPa 级高强度钢管成功用于复杂形状的汽车悬架臂。PRB 能够高效的弯曲薄壁高强度钢管，也可以弯曲不规则形状的钢管，比如两端带有突沿的钢管和锥形管。PRB 在很多情形能替代传统的旋转式拉弯方法，并且在构配件制造技术领域提高生产效率和降低成本上很有优势，该领域允许横截面变形或是后续的液力成形或其他成形方法要对零件重塑。参考文献1 Kim,S.,Kim,Y.:解析研究管材液压成形技术材料加工,2002,128,232-239.2 Fuchizawa,S.:近年来管件液压成形技术在日本的发展,TubeHydrofom-ing Technology Proceedings of TUBEHYDRO2007,2007,1-10.3 Gao,L.,Strano,M.:有限元分析 pre-bending 和液压管材料加工技术，2004,151,294-297.4 Yang,H.L.,Zhan,M.,Gu,R.J.:交互作用起皱或其他瑕疵在薄壁数控弯管过程,J 材料加工技术,2007,187-188,502-507.5 Lee,H.,Van Tyne,C.J.,Field,D.:有限元素分析使用旋转椭圆管折弯成形的应用,J 材料加工技术,2007,168,327-335.6 Takeuchi,M.,Nihashi,I.,管成型技术并应用到汽车零件，JSTP,1998,39-453,1008-1012.(在日本)