基于Simufact的多维弯杆折弯工艺仿真

2016年增刊1冷加工基于Simufact的多维弯杆折弯工艺仿真株洲时代新材料科技股份有限公司（湖南株洲 412007）黄小青卜继玲王小臣王京雁贺哲丰【摘要】本文运用金属成形工艺仿真软件Simufact计算多维弯杆折弯工艺，计算结果与试制结果高度吻合，验证了模型的准确性。

通过仿真计算分析杆端偏转原因并提出相关改进方案，运用仿真分析验证方案的可行性。

计算结果表明，新方案可有效解决多维弯杆杆端偏转问题。

关键词：折弯工艺；数值模拟；偏转1. 概述空气弹簧的应用大大改善了火车车辆的垂向振动性能，但降低了车体的侧滚角刚度。

为提高车辆的抗侧滚性能，抗侧滚扭杆装置被广泛应用。

抗侧滚扭杆分为直扭杆和弯扭杆两种形式，分别如图1a、图1b所示。

其中弯扭杆结构简单，安装简便，因此，越来越多的直扭杆结构将会被弯扭杆结构代替。

连续多次折弯成形。

多维弯杆的成形工艺难度较大，产品试制合格率较低，具体表现在以下几个方面：①两次折弯过程是连续进行的，中间没有再加热过程，而实际中加热炉的加热长度是有限的，加热位置偏差可能会导致弯曲部位温度过低，增加设备负荷，甚至导致杆件直接报废。

②成形后弯杆的残余应力以及回弹对弯杆的性能产生较大的影响，实际生产中需要多次调整工艺参数，避免杆件产生过大的残余应力以及回弹变形。

③连续两次折弯过程，产品的成形精度控制难度较大。

如图3所示，株洲时代新材料科技股份有限公司（以下简称随着转向架结构越来越复杂，抗侧滚扭杆的安装空间限制也越来越多。

为避免干涉，多维弯杆结构被提出，如图2所示，该类型弯杆可完美适配对装配空间具有特殊要求的转向架结构。

多维弯杆弯曲形状通过折弯工艺实现：将金属直杆待弯曲部位加热至一定温度后，通过专用设备图2 某型多维弯杆结构模型图3 多维弯杆折弯工艺杆端偏转现象图1 扭杆示意图（a）（b）2016年 增刊119冷加工TMT ）在某型多维弯杆试制过程中连续出现了杆端偏转现象，多次调整工艺参数仍无法解决问题。

随着计算机技术以及C A E 仿真分析技术的发展，仿真分析手段被广泛引入到产品工艺设计流程中以提高产品的试制成功率，为工艺参数优化提供参考等。

目前国内外学者对于折弯工艺的仿真研究主要集中于薄壁钢管、钣金件等产品。

这类产品通常采用冷弯工艺实现，不需要考虑温度变化对计算结果的影响，仿真分析难度相对较低。

而对于弯扭杆这种大直径金属件，其折弯工艺利用了金属的高温塑性，仿真分析需要考虑温度场与结构场之间的耦合作用，同时材料性能以及传热参数也与温度密切相关，仿真分析难度相对较大，学术界对这一类产品的折弯工艺仿真技术研究鲜有涉及。

本文将对弯杆的折弯工艺仿真分析展开研究，分析图3中所示多维弯杆杆端偏转的原因并提出相关解决方案。

2. 折弯工艺有限元理论及模型（1）折弯工艺有限元计算理论 折弯工艺属于大变形问题，考虑与变形历史有关大变形问题采用增量方法：首先离散时间成某个时间序列，然后求解各个时间点上的数值解。

这些数值解的计算方法，依照参考构形的区别可分为总体拉格朗日法（T.L.法）和更新拉格朗日法（U.L.法）。

从理论上讲，T.L.法和U.L.法均可用于金属塑性成形过程的有限元模拟。

但是后者忽略了高阶非线性大位移刚度矩阵，相对于前者更容易引入非线性的本构关系；同时计算各载荷步使用欧拉应力，因此采用U.L.法计算折弯工艺成形过程中的力学参数更为合适。

考虑阻尼的影响，本文选用隐式算法直接迭代求解，稳定性更好。

（2）折弯工艺有限元模型 TMT 弯扭杆折弯工艺过程如下：通过高频感应加热炉加热弯杆弯曲部位至特定温度，运用双头弯管机完成折弯成形。

具体成形过程如下：通过一组模具固定坯料一端，并固定圆模具，对主动模具施如图4所示的匀速圆周运动，推动随动模具做旋转运动，二者之间通过导轨连接，可自由滑动。

坯料在圆模具以及随动模具的挤压下，完成折弯成形。

折弯工艺示意如图4所示。

本文采用金属成形工艺仿真专用软件Simufact 完成折弯工艺有限元模型建立与求解。

某型多维弯杆的成形工艺包括以下几个工步：加热→第一次折弯（45°）→旋转工件并加紧→第二次折弯（90°）→冷却至室温，有限元模型如图5所示。

Simufact 软件具备工艺链仿真分析能力，可以考虑前面工步的结果（温度、残余应力、应变等）对后续工步的影响。

（a ）加热（b ）第一次折弯（c ）夹紧（d ）第二次折弯图5 某型多维弯杆折弯工艺有限元模型3. 结果验证及分析（1）有限元仿真结果验证 仿真分析结果与实际对比如图6所示，计算结果与实际结果杆端偏转趋势一致。

为进一步对比计算结果，将折弯成形冷却后的弯杆计算结果导入到三维软件中测量，如图6 计算结果与实际对比图4 折弯工艺示意固定模具随动模具主动模具圆模具v2016年 增刊1 20冷加工图7所示，偏转角度为10.1°，与实测值11°较为接近。

计算结果与实际结果的高度吻合，一定程度上说明有限元模型的准确性与可靠性，为后续的分析及仿真验证奠定了基础。

端固定，抑制杆端偏转。

多维弯杆的结构决定了折弯过程中模具与坯料之间接触的不均匀性，依靠模具设计消除这种不均匀接触难度较大。

本文采用方案2，设计一种简易机构，将杆端头部与模具固定，限制弯杆头部偏转，具体几何模型及对应的有限元模型如图10所示。

为验证该方案的可行性，通过仿真分析计算该方案下杆端偏转角度，计算结果如图11所示。

该方案完全消除了多维弯杆杆端偏转现象，产品形状满足要求。

图7 杆端偏转角度测量示意（2）偏转原因分析 通过仿真分析可以实时观测第二次折弯时弯杆头部偏转情况。

测量不同折弯角度下杆端的偏转角度，得到图8所示曲线。

由图可知，杆端偏转从折弯角度为43°时开始，之后逐渐增大，到成形终止时，偏转角度最大，最大值为10.1°。

图8 偏转角度-折弯角度曲线通过仿真计算可以分析不同折弯角度下随动模具与弯杆之间的接触应力变化趋势，图9中a-d 分别为45°、60°、75°、90°四种折弯角度下的模具接触应力云图。

由图可知，接触应力沿图中所示中心线分布不均匀，随着折弯角度的增大，这种不均匀趋势愈加明显。

这种接触应力的变化趋势与图7中弯杆杆端偏转角度变化趋势一致，不均匀分布的接触力在成形过程中对弯杆头部产生扭矩，造成如图中所示的杆端偏转现象。

（3）工艺改进方案 前面分析了多维弯杆杆端偏转的原因为弯杆与模具之间的不均匀接触。

为解决杆端偏转问题，有两种解决方案可供选择：①通过改进模具结构，改善模具与坯料之间的不均匀接触，降低杆端偏转程度。

②通过特殊工装将弯杆杆图9 不同折弯角度下随动模具接触应力云图（a ）（a ）（a ）（a ）图11 杆端固定方案弯杆计算结果图10 杆端固定方案几何模型及有限元模型模具（40Cr ）螺栓（35CrMo ）垫片（Q235）该方案的关键在于工装强度设计是否满足要求，如果强度不足，产品试制现场发生螺栓断裂，可能造成安全事故，危害操作人员及现场观测人员的安全。

为评估该方案可行性，运用有限元计算工2016年 增刊121冷加工装各组件的应力分布，评估结构强度。

工装各主要部件的等效应力分布如图12所示。

模具最大应力位于与弯杆弯曲部位接触区域，如图12中A 所示，最大值为512.34M P a ，其中与螺栓接触区域最大应力为121.64M P a ，低于材料屈服强度785MPa ；螺栓最大应力位于与模具连接区域，如图12中B 所示，最大值为240.14MPa ，远低于材料屈服强度900MPa ；垫片最大应力位于内孔边缘，最大值为198.99M P a ，低于材料屈服强度235MPa 。

计算结果表明，改进方案工装结构强度满足强度要求，仿真计算结果验证了该方案的可行性。

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（2）通过分析折弯过程中模具与弯杆的接触应力变化趋势，得到弯杆与模具之间的不均匀接触是导致杆端偏转的原因。

（3）为解决杆端偏转问题，设计一种固定工装，限制弯杆头部偏转，并运用仿真分析验证了该方案的可行性。

实际中可采用其他形式的工装结构抑制杆端偏转，并通过仿真计算分析工装强度，提高产品试制的成功率。

图12 杆端固定方案工装应力分布ABC。