鄭勇福 王 博 張 洋 柳鐵偉 邴 政 王俊元

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)部，130062，長(zhǎng)春//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

拉彎成形工藝是不銹鋼軌道客車車體鋼結(jié)構(gòu)沖壓件制造中的關(guān)鍵工藝之一，主要用于車頂彎梁和立柱等彎曲半徑比較大的板彎型材的彎曲成形。拉彎成形工藝的優(yōu)勢(shì)在于在板彎型材彎曲成形過程中通過同時(shí)施加軸向拉力和彎矩，改變型材內(nèi)部的應(yīng)力分布，加大材料的塑性變形量，消除彎曲過程中的起皺缺陷，減小回彈，提高成形精度[1]。

拉彎成形過程從表面上看，在專用拉彎設(shè)備的作用下型材產(chǎn)生彎曲變形，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，過程簡(jiǎn)單。實(shí)際上在成形過程中拉伸力和彎矩的共同作用下彎曲和卸載時(shí)，型材斷面內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化比較復(fù)雜。尤其是多段弧組合和直線與弧組合成的拉彎件卸載后,零件成形角度、弧長(zhǎng)、斷面形狀都要發(fā)生變化,導(dǎo)致回彈量較難控制，外形精度難以保證。

本文以典型不銹鋼軌道客車車頂彎梁為例，對(duì)拉彎成形中回彈缺陷的補(bǔ)償問題進(jìn)行分析探討。

1 車頂彎梁拉彎成形回彈缺陷

1.1 拉彎模具常規(guī)設(shè)計(jì)方法和成形缺陷

某不銹鋼軌道客車兩種車頂彎梁分別為3段弧組合類型、3段直線與2段弧組合類型，如圖1和圖2所示。

圖1 3段弧組合車頂彎梁

兩種車頂彎梁按常規(guī)模具設(shè)計(jì)方法是等弧長(zhǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)回彈則通過改變半徑尺寸進(jìn)行角度補(bǔ)償?；貜椦a(bǔ)償數(shù)值取得方式有兩種。

(1) 經(jīng)驗(yàn)值法：根據(jù)車頂彎梁結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和材料性能，依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和以往相似結(jié)構(gòu)件參數(shù)給出拉彎成形回彈值進(jìn)行拉彎模具的設(shè)計(jì)。通過反復(fù)進(jìn)行拉彎試模、修模，最終生產(chǎn)出合格拉彎件。

圖2 直線與弧組合車頂彎梁

(2) 仿真軟件數(shù)值模擬法：使用PS2F專用仿真模擬軟件或其他沖壓成形仿真模擬軟件對(duì)拉彎成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出回彈變形量和模具的數(shù)模曲線，直接生成模具圖，然后進(jìn)行試模調(diào)整。

車頂彎梁拉彎使用的設(shè)備為數(shù)控張臂式拉彎?rùn)C(jī)(見圖3)[2]，該設(shè)備可采用位移控制模式拉彎成形，在拉彎成形過程中通過程序控制拉彎夾鉗運(yùn)行軌跡來(lái)控制材料每一點(diǎn)的延伸量，實(shí)現(xiàn)邊拉伸邊彎曲，逐點(diǎn)逼近和包裹模具，最終實(shí)現(xiàn)車頂彎梁的成形。

圖3 數(shù)控臥式拉彎?rùn)C(jī)工作示意圖

按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的模具最終拉彎成形后產(chǎn)生的回彈缺陷有3種：角度回彈、軸向收縮回彈、滯后回彈。以往僅對(duì)角度回彈研究較多，對(duì)后兩種回彈缺陷往往忽略，以至于在模具設(shè)計(jì)階段對(duì)回彈變形量的計(jì)算和補(bǔ)償均存在誤差。為此，分析研究車頂彎梁拉彎成形軸向收縮回彈、滯后回彈對(duì)提高車頂彎梁拉彎成形精度具有重要意義。

1.2 軸向收縮回彈

車頂彎梁拉彎成形軸向收縮回彈是指車頂彎梁拉彎成形卸載后材料沿型材中心軸線方向產(chǎn)生收縮變形。圖4和圖5為兩種車頂彎梁最終拉彎成形后的樣板檢測(cè)外形狀態(tài)。檢測(cè)時(shí)一側(cè)靠近樣板，另一側(cè)小圓弧處有間隙。產(chǎn)生原因是型材拉彎成形后中間段弧長(zhǎng)變小，兩切點(diǎn)向中心產(chǎn)生偏移。一般情況下實(shí)測(cè)最大間隙在2～4 mm。

圖4 3段弧組合車頂彎梁軸向收縮回彈示意圖

圖5 直線與弧組合車頂彎梁軸向收縮回彈示意圖

1.3 滯后回彈

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)不銹鋼車頂彎梁拉彎成形卸載回彈后，除了產(chǎn)生瞬時(shí)回彈變形外，回彈現(xiàn)象沒有停止，隨著時(shí)間的推移一直繼續(xù)發(fā)生著，既存在滯后回彈現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為車頂彎梁的半徑變大，角度外漲，這種現(xiàn)象據(jù)文獻(xiàn)介紹在其他高強(qiáng)度鋼以及鋁合金成形中普遍存在[3]。滯后回彈現(xiàn)象對(duì)零件的成形精度及后續(xù)的組裝使用中產(chǎn)生很大的影響。

圖6所示為不銹鋼車頂彎梁成形后自由放置24 h后滯后回彈狀態(tài)。滯后回彈后如果間隙超過2 mm，零件將無(wú)法使用，需要進(jìn)行二次調(diào)修。

圖6 車頂彎梁滯后回彈示意圖

2 回彈缺陷產(chǎn)生原因及補(bǔ)償措施

2.1 軸向收縮回彈原因及補(bǔ)償措施

車頂彎梁拉彎成形過程的基本路徑有預(yù)拉伸—拉彎—補(bǔ)拉(選擇性使用)3個(gè)階段。

從圖7中可以看出，在拉彎成形過程中，拉伸應(yīng)力和彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力合并后型材斷面內(nèi)全部處于正應(yīng)力的狀態(tài)，彎曲中性層已經(jīng)移到型材外部。拉彎件卸載后由于內(nèi)外皮部分產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變差，將產(chǎn)生回彈變形，釋放應(yīng)力，使之回到平衡狀態(tài)。其中圖7中三角形部分產(chǎn)生角度回彈，矩形部分產(chǎn)生軸向收縮回彈收縮。

回彈的產(chǎn)生是因?yàn)槭褂玫牟牧蠟榻饘俨牧?屬于彈塑性材料，不管材料變形到何種程度,始終存在著彈性應(yīng)變部分εp和塑性應(yīng)變部分εe(見圖8)，卸載后彈性應(yīng)變部分要回縮。彈性應(yīng)變的大小與實(shí)際變形量有關(guān)。需要進(jìn)行試驗(yàn)或者模擬計(jì)算來(lái)確認(rèn)回彈量。

圖7 車頂彎梁拉彎成形的斷面應(yīng)力分布

圖8 金屬材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

為了證明拉彎成形中的軸向收縮回彈現(xiàn)象和軸向收縮回彈在總應(yīng)變中的占比，對(duì)1 mm和1.5 mm厚SUS301L-ST不銹鋼板和1 mm厚的6005-T4鋁型材板進(jìn)行以下數(shù)值模擬分析試驗(yàn)(見圖9)：采用國(guó)標(biāo)中的單向拉伸試驗(yàn)方法，試樣的平行段長(zhǎng)度為50 m；單向拉伸試驗(yàn)中一端固定，另一端拉伸；按照3.1%(即單向拉伸變形量為1.55 mm)、4.5%(即單向拉伸變形量為2.25 mm)和15%(即單向拉伸變形量為7.50 mm)的變形率進(jìn)行模擬計(jì)算；然后卸載，并計(jì)算回彈后的拉伸變形量。由表1可以看出，回彈值與材料的性能及實(shí)際變形量有關(guān)，與板厚無(wú)關(guān)。

圖9 單向拉伸變形回彈模擬試驗(yàn)顯示界面

表1 單向拉伸變形回彈模擬值

根據(jù)以上計(jì)算方法得到的該種材料回彈率在總應(yīng)變中的占比，并按圖1所示進(jìn)行車頂彎梁軸向回彈收縮量的計(jì)算(彎梁材料為板厚1 mm的SUS301L-ST不銹鋼板)。用PS2F軟件模擬拉彎成形過程的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)(見圖10)，彎梁型材內(nèi)皮部分的平均延伸率為3.1%，切點(diǎn)之間圓弧弧長(zhǎng)l為2 553.13 mm，則收縮量為：

Δl=l×δ=8.68 mm

式中：

δ——回彈率，%。

以上模擬值基本與實(shí)際模具的補(bǔ)償量相近，該件弧長(zhǎng)實(shí)際補(bǔ)償量為9 mm。

圖10 3段弧組合車頂彎梁應(yīng)變曲線模擬界面

圖2所示的車頂彎梁中間直線段部分的拉彎成形總變形量，用PS2F軟件模擬結(jié)果為4.5%(見圖11)。中間直線段長(zhǎng)度L為1 460 mm，直線段軸向收縮回彈收縮量為：

ΔL=L×δ=5.11 mm

以上模擬值基本接近實(shí)際回縮量。

圖11 直線與弧組合車頂彎梁應(yīng)變曲線模擬界面

2.2 滯后回彈原因及補(bǔ)償措施

不銹鋼車頂彎梁拉彎成形后產(chǎn)生滯后回彈，主要表現(xiàn)為隨時(shí)間的推移，角度外漲，是典型的滯后回彈現(xiàn)象。滯后回彈產(chǎn)生的原因目前沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn),通常認(rèn)為滯后回彈產(chǎn)生的原因是成形件卸載后內(nèi)部應(yīng)力不能完全瞬時(shí)釋放，部分殘余應(yīng)力應(yīng)變的釋放有個(gè)過程,導(dǎo)致拉彎成形件在無(wú)外力作用下延時(shí)產(chǎn)生滯后回彈外漲。文獻(xiàn)介紹的對(duì)滯后回彈的分析方法介紹較少，比較典型的是利用金屬材料的黏彈塑性理論通過Abaqus軟件建模進(jìn)行分析模擬計(jì)算[4]。

根據(jù)黏彈塑性理論，材料卸載后產(chǎn)生回彈Δα總包括彈塑性狀態(tài)下的瞬時(shí)回彈Δαs和黏彈性理論下的滯后回彈Δαz兩部分，即

Δα總=Δαs+Δαz

對(duì)不銹鋼車頂彎梁需要求出滯后回彈，關(guān)鍵是要求出滯后回彈在總回彈總中所占的比值。

不銹鋼車頂彎梁滯后回彈主要發(fā)生在中間的大圓弧處，兩端的小圓弧處幾乎不產(chǎn)生滯后回彈變形，所以車頂彎梁的滯后回彈僅需補(bǔ)償中間部分。

對(duì)圖1所示車頂彎梁補(bǔ)償值近似算法是：采用Abaqus軟件數(shù)值模擬計(jì)算出該種材料在單向拉伸狀態(tài)下滯后回彈與總回彈量值，通過模擬計(jì)算的車頂彎梁瞬時(shí)回彈量模擬數(shù)值反算出滯后回彈值。

由圖12可見，1 mm厚SUS301L-ST不銹鋼板在單向拉伸狀態(tài)下，中間弧段在應(yīng)變量為3.1%時(shí)，1 000 s后對(duì)應(yīng)的總回彈量為0.174 3 mm，滯后回彈量為0.000 5 mm,換算結(jié)果為：

Δαz/Δα總=0.002 86

最終,根據(jù)車頂彎梁瞬時(shí)回彈量計(jì)算出滯后回彈值。測(cè)算中選擇1 000 s后的滯后回彈量,其原因是該種材料滯后回彈曲線表明在1 000 s后的滯后回彈趨于穩(wěn)定(見圖12)。

圖12 SUS301L-ST材料滯后回彈曲線

3 結(jié)論

(1) 車頂彎梁拉彎成形過程中,型材在拉伸力和彎矩的作用下,不僅產(chǎn)生角度回彈，還會(huì)產(chǎn)生軸向收縮回彈和滯后回彈，這會(huì)影響拉彎成形件外形精度。

(2) 拉彎成形軸向收縮回彈主要影響多段弧組成的拉彎成形件。這些成形件拉彎成形回彈收縮后弧長(zhǎng)縮短，切點(diǎn)向中心偏移，降低了零件的的外形精度。產(chǎn)生軸向收縮回彈的原因是材料拉彎時(shí)處于正應(yīng)力狀態(tài)，卸載后彈性部分會(huì)產(chǎn)生收縮回彈。因此,在模具設(shè)計(jì)中,需要對(duì)此方向的回彈進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償方案是：對(duì)拉彎成形過程采用PS2F軟件或其他軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，確認(rèn)中間段的實(shí)際變形量，再通過材料單項(xiàng)拉伸試驗(yàn)確定彈性收縮率，得出切點(diǎn)之間變化的回彈收縮值，并通過實(shí)際試模再進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。

(3) 不銹鋼車頂彎梁滯后回彈缺陷是因?yàn)槔瓘澕?nèi)部卸載后留有殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力釋放有時(shí)間過程所導(dǎo)致。滯后回彈與材料性能及變形量等有關(guān)。對(duì)滯后回彈的補(bǔ)償量近似算法是:通過數(shù)值模擬得到拉彎成形中的應(yīng)變量，通過Abaqus軟件的單項(xiàng)拉伸模擬得到滯后回彈量與總回彈量的比值，然后近似計(jì)算得出補(bǔ)償量。