鋁型材拉彎工藝過程研究

何飛

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇南京 210039）

鋁型材拉彎工藝過程研究

何飛

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇南京 210039）

隨著地鐵車輛和汽車整車設計制造水平的不斷發展，越來越多的鋁制合金型材取代了原有的鋼制產品被廣泛應用。復雜截面型材的彎曲成形是制造業的一項技術難題，型材在彎曲時存在彎曲回彈、起皺、截面畸變等問題。本文通過對一種典型復雜截面型材的拉彎成型參數進行試驗與研究，總結并分析出型材拉彎過程的影響因素，從而在工藝上解決大型復雜截面型材彎曲成形的技術難題。

鋁型材；塑性；型材拉彎；工藝因素

目前在眾多行業中需要用到各式各樣的鋁制型材產品，為了使產品更加美觀和流暢，往往需要把型材進行彎曲加工。這些彎曲的型材從截面上看形狀各異、各式各樣，但從產品的質量上看，這些型材成型后的要求很高，特別是對輪廓和表明質量的要求相對較高［1］。型材典型的彎曲成型方法主要有壓彎成型、滾彎成型、繞彎成型和拉彎成型。拉彎成型的工藝特點在于：零件拉彎時處于塑性變形狀態，拉彎后的回彈量較小，彎曲殘余應力也較小，生產效率高［2］。可用于復雜截面形狀的型材彎曲，適用于各種彎曲半徑，彎曲的最大彎曲角一般小于180°。

1 拉彎基本原理

拉伸彎曲的原理是在型材彎曲變形的同時在型材兩端施加切向拉力，以改變型材剖面內的應力分布狀況，使之趨于均勻一致，從而達到減小回彈，提高零件成型精度的目的，拉彎加工的原理如圖1所示。

對于彎曲半徑很大，回彈不宜消除的零件，采用拉彎工藝使彎曲的型材從內表面到外表面都處于拉應力的作用下，成型時型材回彈的變形方向保持一致，卸料時可以大大減少回彈。但由于拉彎時，型材的塑性變形會導致型材的壁厚變薄，從而對零件的強度產生一定影響［3］。

圖1 拉彎加工原理圖

2 減少拉彎回彈的措施

由于彎曲回彈是不可避免的，而且影響回彈的因素眾多，所以要完全消除回彈是不可能的。因此，只有型材材料選擇、型材狀態選擇、型材結構設計、拉彎工藝制定及彎曲模具結構設計方面采取適當的措施才能有效減小回彈［4］。

2.1 選用合適的彎曲材料

在滿足彎曲件使用要求的條件下，盡可能選用彈性模量（E）大、屈服極限（σb）小、加工硬化指數（n）小、機械性能比較的材料，以減少彎曲時的回彈。

2.2 改進彎曲件的結構設計

在型材結構設計上改進某些結構，加強型材的剛度以減小回彈。例如，在工件的彎曲變形區上壓制加強筋，或利用成形折邊。此外，彎曲件相對彎曲半徑r/t=1～2時，回彈量最小，所以彎曲件上應盡可能采用小的彎曲圓角半徑［5］。

2.3 改進彎曲工藝

對于相對彎曲半徑很大的彎曲件，由于變形區大部分處于彈性變形狀態，彎曲回彈量很大，這時可采用拉彎工藝。其工藝實質是使板料在拉應力下產生彎曲變形，從而改變橫截面內的應力狀態，使應力中性層兩側均為切向拉應力，卸載后內外層回彈方向取得一致，達到減小回彈的目的。

一般大型彎曲件拉彎時，彎曲變形與拉伸的先后次序對回彈量有一定影響。先彎后拉比先拉后彎好。但先彎后拉的不足之處是已彎坯料與模具摩擦加大，拉力難以有效地傳遞到各部分，因此實際生產中常采用“拉+彎+拉”的復合工藝方法［6］。

2.4 改進模具結構

根據彎曲件回彈的趨勢和回彈值修正凸模、凹模工作部分的尺寸和幾何形狀，以相反方向的回彈來補償工件的回彈量。

3 拉彎工藝參數分析與研究

3.1 典型型材加工案例

本案例為一種地鐵乘客門系統的門框架型材，型材的截面為非對稱異形型材，材料為6063，型材的彎曲半徑（R）為10 000mm，型材弦長長度為2 256mm，具體如圖2所示。

圖2 型材彎曲零件圖

要求此型材彎曲成型后，通過簡單的整形工作，外形線輪廓度≤0.8mm，型材的扭擰度≤0.8mm，型材飛邊的直線度≤1.5mm，型材表面允許最大凹陷≤0.2mm。

3.2 工藝加工方法的選擇

由于此型材的彎曲半徑很大且為整體圓弧，采用壓彎和繞彎的工藝加工方式都是不合適的，滾彎的方式雖然可以采用，但由于型材的截面較大，而且型材為非對稱截面，滾彎后型材容易產生側彎和扭曲，并且由于型材截面較大，對滾彎的設備噸位也有一定的要求，所以決定采用拉彎的方式加工此型材。

3.3 型材材質的選擇

由于拉彎的原理是將型材兩端夾緊，然后在施加一定拉力的情況下，將型材處于塑性變形狀態使其成型。因此，型材的屈服強度直接關系到拉彎力的大小。材料屈服強度計算公式為σb=F/A。其中，σb為屈服強度，F為拉力，A為截面積。

牌號6063型材的截面積A=980.21mm2，型材的供貨狀態有T4、T5、T6狀態（常用T5、T6狀態），則根據不同狀態下的材料屈服強度，計算T5、T6狀態的拉力為：FT5= 108×980.21=238 191.84N≈10.6×103kg=10.6t，FT6=177× 980.21=390 369.96N≈17.3×103kg=17.3t。

拉彎機的油缸作用面積A0=10 367.26 mm2承受的壓強分別為：PT5=10.6×103/10 367.26≈10.2MPa，PT5=17.3× 103/103 67.26≈16.7MPa。

拉彎機的最大拉力為：Fmax=15×103×10 367.26≈15.6t。

通過以上的數據計算可以得知，T5狀態下型材屈服的變形力為10.6t，T6狀態下變形力更大。由于現有的拉彎設備最大拉力為15.6t，所以T6狀態型材無法在此設備進行試驗。因此，分別選取F狀態（自由加工狀態）和T5狀態的型材進行拉彎試驗。

3.4 模具的設計

為了使處于塑性變形狀態的型材，形成所需的形狀，還需要相應的拉彎成型模具來保證。在試驗前期，模具設計較為簡單，只是在拉彎設備上增加一個靠模板，拉彎時將型材直接與靠模板接觸，形成圓弧，具體形式見圖3。

圖3 拉彎成型模具

該模具彎曲時，將型材包覆，對防止型材截面的畸變有很大作用。同時，拉彎時減少了仿形輔具的裝配，減少了人為因素對彎曲圓弧的影響。型材的圓弧直接由模具來保證，增加了型材弧度彎曲精度。

3.5 拉彎力的確定

因為F狀態的型材為自由狀態型材，在型材擠壓淬火后，沒有進行相應的人工時效。所以，每批型材的機械性能都有所不同。在進行型材拉彎力計算時，無法直接獲得材料的屈服強度來計算。因此，通過對同一批次的型材進行拉彎試驗，來摸索出本批型材的屈服強度。通過試驗數據發現以下規律和經驗：①型材在4.5MPa時拉彎后的回彈量較大，但拉彎力大于5MPa時型材的回彈量明顯降低；②本批型材在超過5MPa的拉力后，通過試驗不同的保壓時間，型材拉彎后的回彈量變化不明顯；本批型材在超過5MPa的拉力后，保壓時間增長，其型材的延展也越長。

4 工藝方案的總結與歸納

通過對型材拉彎成型過程的研究，主要總結了以下幾點工藝方法。一是拉彎型材材質的要求。拉彎型材一般選擇F狀態（非時效狀態型材）為最佳，韋氏硬度范圍一般確定為3～6HW。二是拉彎力的大小因根據型材的截面尺寸及F狀態的屈服強度來確定，試驗得出試驗批次型材的F狀態的型材屈服強度53MPa；由于型材的材質不均勻性，拉彎力的確定還需要通過型材的試拉彎確定。三是拉彎模具的設計要求。拉彎模具對型材彎曲成型起著重要的作用，模具的好壞直接關系到拉彎后型材成型的狀況。模具應注意仿形型材截面的表面質量，同時保證模具的平面度、扭擰度和圓弧度。四是拉彎過程中應注意型材夾緊時位置及夾緊情況，夾緊力中心應盡量與型材的形心在同一軸線上，型材的空腔應采用填充物填充，這樣對抑制型材彎曲內壁起皺有很大的作用。五是拉彎后型材的力學性能如需要提高，需對拉彎的型材進行人工時效處理。

5 型材拉彎展望

在型材的拉彎塑性變形過程中，型材的成型還受著其他方面因素的影響，還有很多內容比如型材的延展性與拉彎力的關系、型材的回彈量與拉彎力的關系、型材的表面凹陷如何進一步減輕等，這些問題都值得研究和探討。型材的拉彎過程實際上就是材料的變形過程，只有對材料的變形過程進行研究，才能使材料的變形朝著所需的方向去發展。

6 結語

根據彎曲半徑和型材截面尺寸，合理選用合適的塑性成型加工工藝，對彎曲零件的成型有著至關的重要性。本文通過對具體案例的分析，總結出大圓弧半徑、復雜截面尺寸的鋁合金型材拉彎成型的方法，并在實際的拉彎過程中對成型有重要影響的參數進行了設定，這些方法和經驗對類似產品的生產加工有著一定的指導和參考作用。

［1］羅啟金.簡易模具設計與制造［M］.廣州：廣東科技出版社，2004.

［2］刁可山，周賢賓，金朝海.鋁合金型材拉彎成形研究進展［J］.塑性工程學報，2003（6）：38-42.

［3］胡世光.板料壓制塑性變形原理［M］.北京：國防工業出版社，1965.

［4］陳毓勛.板材與型材彎曲回彈控制原理與方法.［M］.北京：國防工業出版社，1990.

［5］賈俐俐，高錦張.汽車門框空腹鋁型材彎曲工藝［J］.精密成形工程，2000（6）：34-35.

［6］錢志平，呂玫，高才良.中導軌拉彎成形截面畸變控制及模具設計［J］.鍛壓技術，2001（3）：47-48.

Study on the Bending Process of Aluminum Profile

He Fei
（Nanjing Kangni Mechanical&Electrical Co.,Ltd，Nanjing Jiangsu 210039）

With the development of the design and manufacture level of metro vehicles and vehicles,more and more aluminum alloy profiles have been replaced by the original steel products.The bending forming of the profile with complex section is a technical problem in the manufacturing industry,and there are some problems such as bending springback,wrinkling,distortion and so on.Based on a typical complex profile bending forming parameters of test and research,this paper summarized and analyzed the factors which affect the process of profile bending,so as to solve the technical problems of large and complex cross section bending forming process.

aluminum profile；plasticity；profile stretch bending；technological factors

TG356

A

1003-5168（2017）04-0070-03

2017-03-19

何飛（1981-），男，碩士，工程師，研究方向：機械設計、工藝研究。