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轨道交通和汽车用铝合金型材的弯曲成形制造技术-铝制品表面处理

2019/10/6 6:48:50

    摘要:结构轻量化可以减少能源消耗,使日益严峻的能源危机得以缓解,因此,近年来轨道交通和汽车结构轻量化设计越来越被人们关注。在轻量化结构设计中,挤压型材的使用越来越广泛。不同于普通民用建材,由于汽车结构设计必须考虑到结构、空气动力学和美观等方面的因素,挤压型材一般在弯曲状态下使用。在型材弯曲,特别是薄壁空心型材的弯曲过程中会出现截面变形、160160工业铝型材回弹等各种缺陷,已成为其大规模应用的障碍。文章先容了几种传统的弯曲工艺,如常用的拉弯、压弯、绕弯、滚弯并详细分析了各种工艺的优缺点;同时叙述了型材弯曲过程中容易出现的各种缺陷以及减小和避免这些缺陷所造成影响的适当方法。

    关键词:铝型材;弯曲、回弹、模拟

    一、引言

    高速、重载、轻量化、节能、安全、美观舒适、减轻污染是交通运输业发展的大趋势,而轨道车辆和汽车车辆的轻量化,特别是高速列车、地铁列车和双层客车的轻量化是铁道运输现代化的中心课题[1-3]。经过大量的对比研究和反复实践证明,大量采用铝合金材料是提高车辆轻量化的最有效的途径。过去的铝结构列车车辆,大多是以中小型材作骨架,外壳蒙以铝板的板一型结构,这种结构虽然能减轻车体重量,但铝型材品种多,焊接工作量和加工工作量大,维修困难,成本较高、而且整体强度较差,安全性相对低[4-6]。随着工农业生产的发展和科学技术的进步,铝合金型材在大型化、薄壁化、整体化和高精化方面获得了突破性进展,特别是近二十年来,由于挤压技术的进步[7]。

    社会能源问题日益严重,轨道交通和汽车轻量化设计越来越受到人们的关注。在轻量化结构设计中,除了采用镁合金和铝合金等轻量化材料以降低车身重量,还采用了一种新的车身结构形式 框架式结构[8-10]。铝合金框架式车身包含多种封闭截面形状的型材弯曲件,具有重量轻和安全性能高的优点,能够实现轨道交通和汽车的轻量化,达到节能降耗的目的,受到汽车生产商的重视。与传统的覆盖件车身相比,框架式结构车身具有重量轻,抗震动及碰撞性能好等特点[11-12]。这种轻量化的框架结构,其框架结构的主体部分需要用挤压件来构建。考虑到空气动力学、结构力学和美观等方面的要求,车用挤压型材一般都需要弯曲成一定的曲率。现有的型材弯曲加工工艺都受到各自缺点的限制,很难达到车用型材高效、低成本加工的要求,因而挤压件的弯曲工艺成为当今材料加工领域的研究热点之一。

    弯曲和拉弯是铝型材成形的主要方法,而弯曲回弹和截面畸变是影响铝型材成形精度的主要因素。铝型材成形过程中,材料应力状态复杂,受材料性能参数、摩擦因素等条件的影响,弯曲回弹和截面畸变很难预测。为了降低实验成本,缩短试验周期,采用实验与有限元相结合的方法研究铝型材的弯曲和拉弯成形规律。

    1铝合金型材弯曲产品在交通领域的应用

    (a)大巴车(b)汽车(c)高铁

    二、交通用铝合金型材弯曲分类

    型材弯曲工艺按照弯形设备和弯形工艺原理的不同可分为:

    拉弯成形(两维、三维)、辊弯成形、压弯成形、绕弯成形。按照工件形状的不同又可分为:二维弯形工件(见2(a))、空间三维弯形工件(见2(b))。

    2弯形工件

    (a)汽车二维弯形工件(b)轨道车辆骨架三维弯形工件

    按照弯形设备和弯形工艺原理对弯形工艺进行归类总结。

    2.1、拉弯成形工艺

    1)拉弯成形工作原理

    (二维)拉弯过程基本分为3个步骤:第一步,设备拉伸缸钳口夹住材料并给型材施加预拉伸力,达到材料屈服强度。第二步,160160工业铝型材拉弯机回转缸加载弯曲回转,拉伸缸按照程序设定轴向拉力,使型材围绕拉弯模具做贴合运动而使材料成形。第三步,根据材料变形回弹情况增加补拉伸(拉弯设备结构示意见3)。

    3拉弯设备结构示意

    拉弯成形过程中,工件在弯曲的同时,拉伸缸始终给工件施加轴向拉力,材料长度伸长部分始终被拉伸缸牵引补偿,这就避免了材料的起皱趋向,能够得到良好的弧度效果。

    2)拉弯成形工艺特点

    工艺优点:

    ①能够拉弯成形结构复杂的型材断面。

    ②可实现多弧段变曲率的型材拉弯成形。

    ③弯弧精度高,材料回弹稳定,工件尺寸的一致性好。

    ④可有效消除材料内部的残余应力,产品尺寸稳定性好。

    ⑤由于金属材料的冷作硬化,材料经拉弯后,可改善材料的力学性能。

    工艺缺点:

    ①拉弯产品断面尺寸大小受设备吨位及钳口尺寸的局限。

    ②拉弯模具投入成本大,模具通用性差。

    ③对于不对称的型材截面,拉弯件截面变形控制难度大。

    3)拉弯成形工艺关键技术

    拉弯工件的弧度设计原则以不超过材料的伸长率为限度,拉弯成形中将出现型材壁厚变薄断裂、起皱、截面畸变等成形缺陷,这些成形缺陷与型材的力学性能、截面形状及拉弯工艺参数等因素密切相关。

    拉弯过程中材料变形区各部分的应力状态不同,中性层以外材料受拉应力作用,中性区以内材料(与拉弯模具贴合)受压应力作用,为使材料不至于受压应力产生起皱现象,预拉伸力要足够,使材料产生屈服拉伸,相应的中性层以外的金属将受到更大的拉力作用,出现壁厚减薄,并有断裂倾向。所以如何平衡材料不产生起皱并且中性层外侧金属不出现断裂,避免型材截面尺寸变形过大,是确定拉弯工艺参数的两个关键考虑因素。

    4)拉弯型材成形力的计算

    在进行项目的技术能力评审中,需要考虑3个因素:设备的钳口距离是否满足材料的拉伸长度、钳口尺寸是否满足断面尺寸夹持要求,另外,拉弯成形最关键的一点要计算材料所需的最大拉伸力大小。拉弯工件的成形能力计算F拉=1.25S截面σs

    式中F拉 拉弯机拉伸缸所需拉力(N);

    S截面 拉弯材料的截面面积(mm2);

    σs 材料的屈服强度(MPa)。

    材料屈服强度值取1.25倍的安全系数,确保设备不在最大拉力负荷下工作,设备最大拉伸力大于公式计算出的材料所需拉力值,说明设备拉伸能力满足材料拉弯力要求。

    5)三维拉弯设备结构及设备工作原理:

    三维拉弯关键技术主要是模具设计,三维拉弯机不会给出理想的三维拉弯程序,工艺设计人员需要根据材料的性能及弯曲成形进行系统的分析或CAE有限元分析,并通过不断的工件试制,使三维拉弯模具及三维拉弯程序达到最佳匹配,并达到工件的技术要求,需要工艺技术人员具有较高的产品研发能力。

    空间三维工件在高速列车车头结构件及飞机制造业上有较多应用,产品技术含量高,模具投入成本大,研发周期长,产品的附加值较高。5、6为拉弯工艺成形工件的典型实例。

    5地铁车顶顶盖弯梁6高速列车风挡连接框

    2.2.辊弯成形工艺

    1)辊弯成形工作原理

    辊弯机一般分为立式辊弯机和卧式辊弯机。立式辊弯机上料操作方便,对于长大工件则宜采用卧式。160160工业铝型材辊弯机各轴工艺位置均由伺服电动机精确控制,液压马达系统驱动各轴的联动,通过可编程序控制器(PLC)控制伺服电动机进行动作。在设备辊轮轴对工件进行辊弯的同时,设备上的编码器实时监测工件辊弯的弧长并将数据进行反馈系统,设备根据设定程序进行多次往复辊弯或多弧度辊弯的轨迹运动。辊弯机及产品如7所示,辊弯成形工作原理见8。

    7辊弯机及产品

    8辊弯成形工作原理

    2)辊弯成形工艺特点

    辊弯机一般多数用来单圆弧工件的制作,模具制作周期短,投入成本低,操作简单。对于多圆弧工件,数控辊弯机可以实现工件的多弧度弯形要求,但由于铝型材本身材料硬度的差异,加之工件多弧度每个弧段变形程度不同,反弹不均,生产时工件形状一致性不好,需要后期人工校形。辊弯工艺适合大批量单一弧度工件或小批量多弧段工件的生产。

    3)辊弯成形工艺关键技术

    辊弯工艺难易程度取决于弯形材料的截面形状,辊轮模具设计是工件成形技术的关键,一般模具材料选用45调质钢或模具钢经车床车削而成,通过热处理及表面镀铬等工艺获得模具硬度和表面粗糙度要求。尤其不规则不对称的型材截面,辊轮很容易将铝型材表面划伤。也可在钢模具与铝型材间加尼龙轮,既保证了模具的强度,又不使铝型材与钢模具直接接触,避免材料表面的划伤。典型辊弯工件示例,如9、10所示。

    4)辊弯成形能力的计算

    辊弯设备是否满足辊弯工件的工艺要求,需满足以下几个条件:

    ①辊轴长度是否满足材料的宽度尺寸。

    ②设备辊弯最小弯弧半径是否大于工件的最小弧度。

    ③设备压力是否大于材料辊弯成形力。

    辊弯成形力计算是样工艺评审过程中,验证辊弯设备辊弯能力的理论依据。辊弯工件的成形力计算:

    P辊=48FEJ/L3

    式中P辊 型材弯弧的作用力(N);

    F 挠度,即材料变形的弦高(cm);

    E 弹性模量(105N/cm2);

    J 惯性矩(cm4);

    L 材料辊轮拖放支点跨距(cm)。

    9物流导轨单弧度辊弯工件10高铁边梁多弧段辊弯工件

    2.3.压弯成形工艺

    1)压弯成形工作原理

    压弯成形是利用液压压力机对材料施加压力,通过压弯模具对材料产生弯矩,使材料发生弯曲形成一定的角度和曲率(见11)。

    11压弯示意

    12轨道车辆司机室角立柱压弯工件示意

    2)压弯成形工艺特点及关键技术

    铝合金型材折弯件L形及S形均可以采用压弯工艺,由于型材断面及形状各异,各种压弯件压弯模具反弹量设计不一而同,需要经过不断的压弯工艺试验摸索反弹量并经几次修模得到合理的模具压弯形面。

    压弯工艺几个关键技术要点:

    ①压弯模具的设计要充分考虑材料的变形趋势和反弹量。

    ②由于铝合金型材具有型腔空心结构,合理的填料选用是压弯成形的关键。

    ③对于断面形状不对称型材,压弯时要充分考虑防止侧弯的有效措施。

    2.4.绕弯成形工艺

    绕弯工艺分两种工作模式:

    ①模式1:如13所示,外辊轮4绕内辊轮8做回转运动,并且在内外辊轮的径向辊压力作用下,材料被碾压成形,称为 行星轮式 。

    ②模式2:如14所示,材料1被U形夹3固定在弯模2上,弯模2做圆周运动并带动材料1在压紧模5及导向模4作用下完成弯弧。

    两种模式的区别在于:模式1材料纵向不动,而模式2材料在纵向随弯模运动,模式2在进行薄壁型材的弯弧中可以加入芯块,防止材料截面变形。绕弯成形在型材的弯弧工艺中被广泛应用,两种绕弯模式的有机结合可以进行复杂多弧度工件的实现,如15中所示S形工件的绕弯。

    13 行星轮式 绕弯成形工作原理

    1.连接轴2.上连接板3.下连接板4.外辊轮5.顶丝6.轴套7.外辊轴8.内辊轮9.内辊轴

    14 自缠绕式 绕弯成形工作原理

    1.型材2.弯模3.U形夹4.导向模5.压紧模

    15S形工件绕弯实例

    三、弯曲过程易产生的缺陷和问题

    弯曲过程中会发生回弹,同时产生一些外观上的缺陷,也影响着型材的弯曲成形。这些缺陷的产生与型材的弯曲能力有关。弯曲能力是指型材被加工成没有缺陷、一定曲率和弯曲半径弯曲件的难易程度,它是由型材的几何尺寸、弯曲程度和材料性能所决定的。但型材,特别是空心和半空心型材,在弯曲过程中存在很多易产生的缺陷,严重制约了产品的应用,如何有效解决这些问题是完善弯曲工艺的一个重要方面。这些缺陷表现主要在起皱、扭转、横截面的变形、弯曲后型材外层和内层的壁厚不一致、外层破裂和内层塌陷等,具体形式如16所示。

    16型材弯曲成形工艺中易出行的缺陷

    3.1型材的回弹

    回弹是影响铝型材拉弯成型精度的主要因素,回弹受型材截面形状、壁厚和

    预拉力与补拉力的影响,它们规律相当复杂。所以回弹是型材拉弯成形研究的重

    点和难点。本文采用型材弯曲回弹前后弯曲角度变化α来定义回弹量,如17

    所示。

    17回弹角定义

    同板料弯曲一样,挤压件弯曲过程中的回弹是弯曲成形中常见的现象,也是影响成形精度最重要的因素,很难通过现有的工艺来完全避免,其主要表现为整体卸载回弹、切边回弹和局部卸载回弹,产生的原因主要有两个方面:

    第一,当型材内外缘表层金属进入塑性状态而型材中心仍处弹性状态,或内外缘表层均处在拉(压)应力状态下而应力大小不一致时,卸载后型材会产生回弹;

    第二,金属塑性成形总是伴有弹性变形,所以型材弯曲时,即使内外层金属全部进入塑性状态,卸载之后,总变形中的那部分弹性变形部分马上恢复,也会出现回弹。

    回弹的结果表现在弯曲曲率和角度的变化,这种变化使型材弯曲后的实际形状和尺寸与设计要求的形状和尺寸间产生了误差,有时这种误差还比较大,所以在设计模具时,就必须考虑弯曲后型材回弹所造成的影响。影响回弹的因素很多,很难从理论上精确计算出弯曲的回弹量,因而在实际弯曲加工过程中,为了减小回弹对弯曲精度的影响,通常在模具设计时预留修磨量,160160工业铝型材再采用反复试模、修模及成形后人工矫正的方法,使生产出来的型材达到所需要的精度。当回弹量超过允许容差后,就成为成形缺陷。因此,回弹一直是影响、制约模具设计和产品质量的重要因素。

    铝型材弯曲成形回弹前后的应力状态有很大的变化,18为矩形截面铝型材回弹前后的等效应力对比。从中可以看出:回弹后型材的等效应力比回弹前明显减小。回弹前最大应力没有集中在型材弯曲部分的中间部位,而是集中在距对称面一段距离的区域,等效应力从中间到两边逐步减小;回弹后的应力分布比较均匀,除了弯曲部分面局部区域有较大残余应力以外,其它区域的残余应力都比较小。这样的应力分布与理论分析是一致的,由此,矩形铝型材的有限元模型是比较合理的,可以用来模拟型材弯曲的过程。

    18回弹前后等效应力对比

    (1)型材弯曲成形截面上应力分布不均勻,内外层材料分别受压、拉应力作用,位于型材中性层上部和下部的拉应应力数值相等,这两种应力状态下的弹性部分要回复,从而造成回弹。型材卸载后整个塑形变形区的中性层存在很大的残余拉应力,经过热处理后残余应力释放,使型材尺寸发生变化。

    (2)弯曲角度增大,型材的回弹角越大,弯曲角度和回弹角在一定范围内成近似线性关系。弯曲角度越大,型材的塑形变形区越大,卸载后参与回弹的能量越大。

    (3)挤压态型材经人工时效处理后进行绕弯成形回弹角将会增大,且随着时效时间的增大,其回弹角也将越来越大。型材经人工时效处理后其材料的屈服强度越来越大,变形后总的弹性应变能越大,导致回弹增大。

    3.2铝型材截面畸变

    型材弯曲后,发生弯曲变形的位置会产生明显的截面畸变,如19所示。

    型材上面塌陷、型材下面上凹、型材侧面外凸

    19铝型材截面畸变

    在实验过程中可以看到,随着下压量的增加,型材上面塌陷,下面上凹,侧面外凸逐渐增加,当下压量达很大时,型材弯曲部位会发生局部失稳现象。铝型材在弯曲过程中会发生截面畸变,截面畸变量一般用型材的上面塌陷量△1、下面上凹量△2、侧面外凸量△3来衡量,如20所示。定义上面塌陷率ε△1=△1/H,下表上凹率ε△2=△2/H,侧面外凸率ε△3=△3/B,下压率ε0=h/(Lb/2),其中H为型材高度,B为型材宽度,h为下压量,Lb为弯曲跨距。

    20型材截面畸变参数

    以ABAQUS有限元App为平台,基于铝合金型材力学性能参数,对铝合金型材进行数值模拟,并分析了不同截面高度、截面宽度、型材壁厚、弯辊半径、弯曲跨距对铝型材截面畸变的影响规律。然后根据最小二乘法原理,给出了回归的表达式,并验证了表达式的准确性,得出如下结论:

    (1)铝型材上面塌陷率、下面上凹率几乎不受铝型材高度的影响,侧面外凸率

    随型材截面高度的增大而增大。

    (2)铝型材截面宽度越大,上面塌陷率、下面上凹率、侧面外凸率越大。

    (3)铝型材壁厚越大,上面塌陷率、下面上凹率、侧面外凸率越小。

    (4)铝型材上面塌陷率、下面上凹率受弯辊半径影响很小,侧面外凸率随弯辊

    半径的增大而减小。

    (5)随着弯曲跨距的增大,铝型材面塌陷率、下面上凹率、侧面外凸越小。

    这些缺陷的程度可以通过有效的工艺控制方法来减弱,甚至可以避免缺陷本身的产生。为了尽可能的减小空心和半空心型材弯曲时易出现的起皱、塌陷和截面变形的程度,工业上现在大多采用的方法是在弯曲过程中,用截面与型材空部分相似的芯杆在型材里面来支撑型材的变形部分;或者是在空心型材内充满填充物后弯曲。一般采用的填充物有沙子、石蜡、低熔点金属或合金及其他有机材料。除上述缺陷外,弯曲后的型材还有其他一些不足,如弯曲部分的外层会受到残余拉应力,内层会受到残余压应力,这些残余应力的存在会对弯曲型材的使用和后续加工产生不良影响。比如在焊接过程中,由于热的影响,型材的弯曲精度会因为残余应力的释放而发生变化。所以,对弯曲加工,希翼通过一定的工艺,尽量避免上述缺陷和不足,以减少弯曲型材在使用过程中的问题和不良影响。

    四、结语

    以上先容的四种弯弧工艺是目前铝合金型材弯弧最常用的方法,在实际工艺开发中,具体采用哪种工艺需要根据弯弧工件的设计和理论计算进行全面分析,还需结合各种类似的工件进行经验比对,在模具或工装的设计前期将弯弧件预计会出现的问题进行罗列,结合各工艺方法进行分析,在进行工装设计时有相应的措施来应对弯形中出现的问题。型材弯弧是一项综合的技术,各种弯弧原理需要吃透,且工艺设计人员在工作中需长期不断地总结经验,不断积累,才能针对各种各样的弯弧工件采取有效合理的弯弧生产方案。

    研究发展方向和展望

    尽管型材拉弯成形的研究取得了一定的成果,但目前许多基础性研究工作还很薄弱,亟待解决的问题主要有:

    1)铝合金型材材料本构关系的确定

    研究弹塑性状态下材料的本构关系是金属塑性成形理论分析和数值模拟研究的基础,初始屈服条件、塑性流动规律和塑性强化规律是构成材料本构方程的主要内容。现有的针对板材建立的屈服准则、流动规律和3种强化模型是否适用于铝合金型材尚需要试验验证,建立铝合金型材材料的本构方程仍然需要进一步的研究。

    2)型材成形极限

    型材拉弯成形,预拉力使型材切向伸长、径向变薄,在弯曲过程中,应变中性层以上部分变薄加剧,尤其是补拉力的施加,会造成型材顶部的过度变薄或者拉裂。目前尚缺少型材成形极限有效判据,而型材拉弯不能简单地沿用板材的成形极限判据,因此提供型材破裂的有效判据势在必行。

    3)弯曲回弹的准确计算

    型材弯曲产生的回弹,可以通过工艺方法和模具补偿法进行控制。前提条件是能够准确计算弯曲回弹量,为工艺方法的选择和模具合理形状的设计提供依据。因此,回弹是目前型材拉弯成形研究的难点,如何提高数值模拟计算精度,是急需解决的基础性问题之一。

    今后,随着一些基础性问题的解决,型材拉弯成形研究工作需集中在以下几个方面:

    1)加载方式和加载过程的确定。

    针对某种形状的型材,确定加载方式和加载过程,对于引导工业生产具有重要的实际意义。

    2)成形缺陷的预测和消除。

    预测可能出现的成形缺陷并采用适当的工艺措施予以消除也影响着加载方式和加载过程的确定。

    3)创建拉弯成形工艺设计专家系统。

    影响型材拉弯成形缺陷的参数众多、作用复杂,必须综合考虑各种影响因素,找到最佳成形质量的参数组合。人工神经网络技术的成熟和发展,可以应用于型材拉弯成形研究,形成工艺参数专家系统,为工艺参数的选择提供准确便捷的手段,更好的引导生产。

    4)编写定位于型材拉弯的数值模拟App系统。

    目前,直接定位于型材拉弯的App相当缺乏。法国ACB企业于2000年推出了型材拉弯数值模拟App,而计算精度尚未得知。PAM-STAMP、MARC、ABAQUS等数值模拟App应用于非圆弧形模具型材拉弯成形时,夹钳钳口加载轨迹的确定相当困难,加载方式难以实现,另外需要做大量工作来适应复杂型材截面、铝合金材料等的特殊性。

    5)设计制造自动化程度更高的型材弯曲机床。

    为适应轨道交通和汽车工业大批量生产的需求,保证质量的稳定性,需要设计和制造先进的数控型材弯曲机床,并发展CAD/CAE/CAM集成及在线测控系统。今后,型材拉弯成形研究工作将呈现出一些新的特点。除扩大铝合金的应用范围外,铝锂合金、钛合金挤压型材应用将日益增加;复杂非对称截面型材、空间变曲率的型材弯曲零件将大量增加,尺寸精度及成形质量要求更高;随着数值模拟技术的进步,特别是回弹计算精度的提高,数值模拟技术将成为型材拉弯成形研究的必备手段。

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