用于地鐵車輛的不銹鋼型材拉彎成形缺陷

王勝滿

（1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028；2.長春軌道客車股份有限公司，長春 130061）

不銹鋼車體具有重量輕、安全性好、抗腐蝕性能強、使用壽命高等突出優(yōu)點，已大量應用于地鐵、輕軌等城市軌道車輛的生產(chǎn)制造［1］。

不銹鋼車體制造的關鍵技術之一是結構件的拉彎成形技術。車頂彎梁、端彎梁等多種車頂構件都是用不銹鋼型材采取拉彎工藝成形的。但拉彎工藝技術難度大，影響因素多［2－4］，而不銹鋼又是一種難變形材料，致使拉彎件的成形精度很難控制，成形件極易出現(xiàn)起皺、截面畸變及輪廓精度差等諸多缺陷，嚴重影響了產(chǎn)品的質量［5－7］。

本文以某地鐵車輛不銹鋼車體的車頂彎梁為典型件，采用數(shù)值模擬軟件對構件的拉彎成形工藝進行了模擬研究，對預拉、彎曲拉伸、補拉等主要工藝參數(shù)進行了模擬優(yōu)化，分析研究了主要成形缺陷的成因和控制方法，并加以試驗驗證。

1 車頂彎梁拉彎成形模擬及缺陷

車頂彎梁材料為SUS301L－ST不銹鋼，其截面及外形尺寸如圖1所示。該構件外形尺寸大、彎曲半徑變化大，壁厚?。?.5mm）、截面立邊高（65mm），這種結構特點導致構件成形難度很大，成形中會出現(xiàn)多種缺陷，產(chǎn)品質量精度很難控制。

圖1 車頂彎梁截面形狀及輪廓尺寸Fig.1 Section shape and profile dimensions of roof carline

1.1 有限元模型的建立

1.1.1 材料模型

根據(jù)SUS301L－ST的單向拉伸試驗測得材料的厚向異性指數(shù)r＝1.086＞1，故采用 Hill48正交各向異性屈服準則:

式中:f為屈服函數(shù)；σx、σy為應力分量；F、G、H、N為與材料各向異性參數(shù)有關的系數(shù)，表達式為:

式中:R11＝1；

本文模擬采用等向強化的材料模型；使用Krupkowsky準則描述材料的真實應力－塑性應變行為

式中:σ為真實應力；ε0為初始塑性應變；εp為塑性應變；K＝1501.971MPa；n＝0.3365；ε0＝＝0.0428。

1.1.2 有限元建模

有限元模型如圖2所示，由于結構對稱，為了提高計算效率，取一半進行分析。采用S4R殼單元對型材進行離散化處理，厚向設置5個高斯積分點。約束拉彎胎、擋板和夾鉗為剛體，與型材的罰接觸因子μ＝0.1。夾鉗與型材端面綁定，由夾鉗帶動型材包繞拉彎胎完成拉彎過程。由于加載軌跡長，材料在單方向上尺度大，夾鉗網(wǎng)格節(jié)點的各坐標分量不在同一個數(shù)量級上，為防止夾鉗剛體變形，將其簡化為平面。

圖2 拉彎有限元模型Fig.2 Finite element model of stretch bending simulation

1.2 模擬結果及缺陷分析

車頂彎梁拉彎成形的位移分布模擬結果如圖3所示，可以看出:成形后構件主要有立邊起皺、截面畸變（截面小立邊外翻畸變）以及輪廓精度誤差大等缺陷。

圖3 位移分布模擬結果Fig.3 Simulation result of displacement distribution

（1）立邊起皺。模擬結果表明:在構件半徑為350mm的小弧段區(qū)域，高度為65mm的立邊出現(xiàn)了明顯的起皺現(xiàn)象。這是因為構件的壁厚小，截面立邊高度大，彎曲半徑小，彎曲變形大，而拉彎成形的拉伸量不足，立邊底部很容易因彎曲受壓而發(fā)生失穩(wěn)起皺。

（2）截面畸變。從圖3中的模擬結果可以看出:在構件的小弧段區(qū)域，高度為25mm的小立邊出現(xiàn)了明顯的外翻畸變。拉彎過程中隨著拉伸量的不斷增大，型材被拉長，截面收縮，寬度減小，小于胎具寬度，因而發(fā)生小邊外翻缺陷。

（3）輪廓精度差。模擬結果表明:構件在大弧段中部輪廓精度誤差最大達到9.71mm，小弧段輪廓精度誤差為5.45mm，輪廓精度很差，無法滿足使用要求。輪廓精度誤差大主要是回彈引起的。不銹鋼本身就是一種高強度難變形材料，彎曲后構件會出現(xiàn)很大的形狀彈復；構件的拉彎胎具型面設計不準確，對回彈的補償修正不準確；拉彎工藝參數(shù)不合理，型材彎曲時拉伸不足，塑性變形比例小，回彈大，也降低了構件的輪廓精度。

2 缺陷控制模擬及參數(shù)優(yōu)化

2.1 立邊起皺缺陷的控制

拉彎工藝參數(shù)影響拉彎件的拉伸變形量，通過改變工藝參數(shù)來改變拉伸變形量，能夠減小甚至消除起皺現(xiàn)象。圖4對預拉參數(shù)（Pre）、彎曲拉伸參數(shù)（Wra）、補拉參數(shù)（Pos）等拉彎工藝控制參數(shù)對拉伸變形量的影響進行了模擬分析。結果表明:Pre和Pos對拉伸變形量的影響不大，增加Pre、Pos只能在一定范圍內改變拉伸變形量，而Wra對起皺現(xiàn)象影響很大，隨著Wra的增加，拉伸變形量明顯增大。但是隨著拉伸變形量的增大，型材的延伸率增加，壁厚會減薄，將削弱構件的強度，截面畸變也更加嚴重，過大的拉伸量甚至會導致型材斷裂。因此必須對拉伸量進行優(yōu)化，確定既能消除起皺缺陷又能確保產(chǎn)品質量和截面精度的最佳的拉伸參數(shù)。圖5為工藝參數(shù)優(yōu)化后拉彎成形的模擬結果，可見起皺缺陷已經(jīng)消失。

圖4 工藝參數(shù)對拉伸變形量影響的模擬結果Fig.4 Influence of process parameters on stretch elongation by simulation

圖5 工藝參數(shù)優(yōu)化后的拉彎成形模擬結果Fig.5 Simulation results of stretch bending forming by optimized process parameters

2.2 截面畸變缺陷的控制

為了消除構件截面的小邊外翻畸變的缺陷，對截面收縮量進行了模擬計算，根據(jù)計算結果對截面尺寸進行收縮補償，以確保拉彎后拉彎件截面小邊不與胎具發(fā)生干涉變形。圖6為收縮量的預測結果，最大收縮量為11.41mm，因此型材截面寬度應該由原來的85mm增加到96.41mm。運用補償后的型材截面數(shù)據(jù)進行拉彎成形模擬，結果如圖7所示，可見，截面形狀規(guī)則平整，小邊外翻畸變消失。

圖6 截面寬度收縮量模擬結果Fig.6 Simulation result of profile′s cross section shrinkage

2.3 輪廓精度缺陷的控制

拉彎件輪廓精度差主要是彎曲回彈引起的。Pre、Wra和Pos等拉彎控制參數(shù)是影響彎曲回彈量的主要因素，這些參數(shù)通過改變拉伸位移和彎曲角度來控制變形量，進而影響回彈量和輪廓精度。分別對Pre、Wra、Pos對車頂彎梁拉彎件輪廓精度的影響進行模擬分析，結果如圖8所示。可以看出:增大Pre、Wra和Pos等工藝參數(shù)，可以減小成形件輪廓精度誤差，其中彎曲拉伸量對輪廓精度影響最大，增大彎曲拉伸量能夠明顯減小輪廓誤差，預拉量、補拉量也能在一定程度上減小輪廓誤差。因此需要對拉彎工藝參數(shù)進行模擬優(yōu)化，確定最佳工藝參數(shù)。同時，應根據(jù)回彈量模擬預測結果，對拉彎胎具的型面進行精準的補償修正，以獲得準確的拉彎胎具，減小拉彎件的輪廓誤差，提高成形精度。

圖7 截面收縮補償后拉彎成形模擬結果Fig.7 Simulation results of stretch bending forming after the cross－section shrinkage compensated

圖8 工藝參數(shù)對輪廓精度影響的模擬結果Fig.8 Influence of process parameters on profile precision

3 成形試驗

運用上述模擬結果，確定了車頂彎梁拉彎成形工藝參數(shù)，設計制造了補償修正后的拉彎胎具，在美國Cyril Bath公司進口的V－75數(shù)控拉彎機上進行了成形試驗，結果如圖9所示。結果表明:成形件完全消除了起皺缺陷，而且截面各邊平整，沒有了畸變現(xiàn)象，最大輪廓精度誤差僅有0.4 mm，精度指標完全達到設計要求，實現(xiàn)了高精度成形，也驗證了本文研究成果的正確性和有效性。

圖9 試驗件和原構件精度對比Fig.9 Precision comparison between test part and original part

4 結 論

（1）彎曲拉伸量是影響不銹鋼型材拉彎件的起皺缺陷的主要工藝參數(shù)，增加彎曲拉伸量能夠有效控制起皺缺陷。

（2）車頂彎梁的小邊外翻畸變缺陷是型材截面收縮引起的，對截面寬度收縮量補償后，可以消除截面小邊外翻的畸變缺陷。

（3）預拉量、補拉量等工藝參數(shù)對回彈影響較小，增加預拉量、補拉量能在一定程度上減小輪廓誤差；彎曲拉伸量是影響回彈的重要參數(shù)，增大彎曲拉伸量能夠明顯減小回彈，提高輪廓精度。

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