不同屈服强度及工艺参数对金属材料高压成形回弹的影响

陈智勇，周亚飞

（1.上海宝钢国际经济贸易有限公司，上海 201900；
2.上海宝钢高新技术零部件有限公司，上海 201900）

为了可以提高金属材料强度降低厚度，采用封闭截面来提升金属零件的结构强度，在不改变金属材料强度的情况下，实现结构性能的提升，提升轻量化效果，本文以金属材料成形零件为研究对象，采用低压液压成形工艺，对金属材料屈服强度、低压成形压力、高压成形压力与回弹的关系进行研究，并进行试验验证。

1.1 产品几何分析

金属材料长宽高分别为2052mm、463mm、204mm，壁厚1.8mm，如图1所示。管径根据截面线长变化来确定，通过Autoform软件对其中心轴线上的截面线长进行分析，确定最大等效直径为60.9mm，最小等效直径为60.2mm，考虑设计和成形特征，管径选择靠近中间位置的60.3mm，保证正负截面变化率都较小。

图1 典型截面

1.2 试验材料

研究用金属板材材质为超高强钢，含有质量分数为0.09% 的 C，0.52% 的 Si，2.74% 的 Mn，0.008% 的 P，0.002%的S，屈服强度为684.1MPa，抗拉强度为1110.1 MPa，断裂延伸率为8.7%，应变强化系数为1568.1MPa，加工硬化指数为0.09。模拟中，采用Ludwik模型：

式中σ为应力；
ε为应变；
K为应变强化系数；
n为加工强化指数。

1.3 有限元模型建立

金属材料的主要成形工艺为弯管、预成形、低压内高压成形，如图2所示。成形过程的数值模拟软件采用Autoform，水平缸轴向进给为8mm，最大合模力3000吨，成形压力值根据分析要求进行调整设定。

图2 成形工艺

仿真分析有限元模型如图3所示，采用库仑摩擦模型，摩擦系数为0.12。

图3 有限元模型

回弹量的测量方式，以A零件中间位置固定，测量端部区域的最大值，如图4所示。

图4 回弹测量区域

2.1 不同材料屈服强度对回弹的影响

金属材料屈服强度分别设定为616.1MPa、684.1Mpa、745.0MPa、839.3MPa，同时将成形工艺设定为一致，低压压力为10MPa，高压胀形压力为120MPa。

通过分析，回弹量随着屈服强度上升而增加，分别为4.5mm、7.3mm、8.9mm、9.8mm，回弹量和屈服强度呈正相关，如图5所示。

图5 不同屈服强度对回弹的影响

2.2 不同低压压力对回弹的影响

分析低压压力对回弹的影响时，金属材料屈服强度设定为684.1MPa，高压压力设定为120MPa，低压压力值分别设定为10MPa、15MPa、20MPa、25MPa。通过分析，随着低压压力值的增加，回弹量逐渐增加，分别为7.3mm、7.5mm、7.6mm、7.8mm，回弹量和低压压力值呈正相关，如图6所示。

图6 不同低压压力对回弹的影响

2.3 不同高压压力对回弹的影响

分析高压压力对回弹的影响时，金属材料屈服强度设定为684.1MPa，低压压力设定为10MPa，高压压力值分别设定为120MPa、150MPa、180MPa、200MPa。通过分析，随着高压压力值的增加，回弹量逐渐减小，分别为7.3mm、7.0mm、6.7mm、6.4mm，回弹量和高压压力值负正相关，如图7所示。

图7 不同高压压力对回弹的影响

3.1 不同屈服强度样件的回弹量

选取样件的金属材料屈服强度分别为616.1MPa、684.1Mpa、745.0MPa、839.3MPa，四种金属材料的成形工艺设定保持一致，低压压力和高压压力均为10MPa和120MPa。通过样件试制和测量，回弹量与屈服强度呈正相关，分别为4.9mm、8.0mm、9.2mm、10.8mm，与仿真分析趋势一致，如图8所示。

图8 实测回弹量与屈服强度关系

3.2 不同低压压力样件的回弹量

金属材料屈服强度选择684.1MPa，高压压力为120MPa条件下，分别设定低压压力为10MPa、15MPa、20MPa和25MPa。通过样件试制和测量，回弹量随低压压力的增加而增加，分别为8.0mm、8.1mm、8.5mm、8.6mm，与仿真分析趋势一致，如图9所示。

图9 实测回弹量与低压压力关系

3.3 不同高压压力样件的回弹量

金属材料屈服强度选择684.1MPa、低压压力10MPa条件下，分别设定高压压力为120MPa、150MPa、180MPa和200MPa。通过样件试制和测量，回弹量随高压压力的增加而减小，分别为8.0mm、7.9mm、7.4mm、6.8mm，与仿真分析趋势一致，如图10所示。

图10 实测回弹量与高压压力关系

通过对金属材料高压成形的仿真分析和试验样件验证，确定了金属材料屈服强度、低压压力、高压压力对零件回弹的影响，同时仿真分析和实际样件的回弹影响趋势一致。金属材料屈服强度与回弹量呈正相关。低压压力值与回弹量呈正相关。高压压力值与回弹量呈负相关。