軌道車輛不銹鋼拉彎件模具及夾頭設計研究

劉強+++梁紅波++陳積翠++李政

摘 要：輕量化設計的不銹鋼軌道車輛車體結構件大量采用拉彎成形工藝制造。由于型材拉彎后存在彈性變形，卸載后不可避免地會產生回彈現象，拉彎件的彎曲輪廓精度與回彈的控制密不可分。拉彎胎模的工作面也就是外形輪廓設計直接影響拉彎件的輪廓精度，是拉彎胎模設計的關鍵。本文以先進的位移控制模式下的數控拉彎機為基礎，結合型材拉彎工藝設計軟件PSBPD和有限元分析，對拉彎模模具輪廓進行考慮回彈量的精準設計。此外，拉彎夾頭的咬合力及工作狀態的穩定性也是制約拉彎機正常工作獲得合格產品的關鍵之一。結合拉彎現場試驗及工藝參數進一步調整優化，得到了滿足要求的高精度的拉彎產品。

關鍵詞：拉彎成形；模具設計；回彈；參數優化

中圖分類號：TG385 文獻標識碼：A

0.引言

軌道車輛車體結構中如車頂彎梁、空調連接梁等均采用拉彎工藝制造。其拉彎成形結構件具有結構尺寸大、材料薄和表面質量要求高等特點，因此對拉彎模具及夾頭的設計和制造提出了相當高的要求。經過分析和試驗證明：通過仿真軟件合理預測拉彎變形回彈量，對拉彎胎膜的輪廓進行考慮回彈量的補償精準設計。同時拉彎夾頭的咬合力及工作狀態下的穩定性也直接影響拉彎成形效果。

本文以某不銹鋼地鐵車頂彎梁的研制為例，基于PSBPD軟件對拉彎過程進行工藝設計，優化夾鉗加載軌跡，數控代碼由PSBPD軟件離線編程；通過有限元仿真計算回彈量，并對模具型面進行相應的補償。結合拉彎現場試驗及工藝參數進一步調整優化，批量獲得了滿足設計要求的高精度的產品。

1.車頂彎梁零件簡介

某不銹鋼地鐵拉彎件：車頂彎梁，其輪廓曲線和截面形狀如圖1所示。為控制板材折彎件的精度，采用數控激光下料、數控折彎成形，控制截面精度在±0.2mm以內，保證折彎件的一致性。并制定如下工藝路線：供料-調平-數控激光下料-調直-覆膜數控折彎-調整-拉彎-手工調-切頭-鉆孔。

2.拉彎模具設計

拉彎模具的設計要滿足材料成本低、模具重量輕、易加工、加工費用低、易安裝拆卸、方便再次修模的技術要求。拉彎模具設計的關鍵包括拉彎模的輪廓線設計、剖面形狀設計、拉彎模的長度、結構和強度設計、定位孔的位置等。

（1）輪廓線設計

工藝仿真的結果提供了型材拉彎成形回彈后的輪廓曲線數據，通過特定程序，可以將這一系列的點用光滑的曲線擬合起來，這樣就為模具設計提供了參考依據。PSBPD軟件輸出輪廓線的GDO文件，再用特定程序輸出連續的模具輪廓線，再根據模具的輪廓曲線可以設計出模具整體結構，如圖2所示。

（2）拉彎模的長度設計

模具的有效長度應較零件切割長度每邊增加10mm；兩端圓角半徑r不宜小于20mm；工作中機床的夾頭應能自由進入模具的后方，以便保證正確的軸向拉力作用方向，并減少毛料兩端的工藝余量，必要時模具兩端開出缺口形狀。

（3）結構和材料設計

傳統的拉彎胎膜結構由數層合并而成，并用螺栓連接。底板應有足夠的強度，需按照所拉彎型材的壁厚大小來決定。對于模具受力特別大的部分，需要鑲鋼板局部加強。此外模具的剖面形狀應符合于型材剖面的特點，間隙σ一般取0.2mm～0.5mm。如圖3所示為根據車頂彎梁的截面形狀和輪廓曲線設計的拉彎胎膜的剖面特征圖。

（4）定位孔的位置要求

定位孔的位置應滿足兩個要求：模具的外形應與在兩旁鉗口內準備拉彎的型材相切；模具的中心線與機床軸線重合。

3.夾頭設計

拉彎夾頭的穩定性是保證數控拉彎機的關鍵之一；位移模式下設計的設備數控代碼實質上是對夾頭軌跡的控制，要實現對夾頭的精準控制，進而獲得高精度的拉彎產品，拉彎夾頭必須對工件有足夠的垂向咬合力以及軸向拉力。因此對拉彎夾頭設計和制造精度提出了很高的要求。

（1）夾鉗總體設計。為了實現經濟性和通用行，采用通用鑲塊結構，如圖4所示，夾頭內的夾塊必須按型材的截面形狀進行更換，由于型材在拉彎過程中受到很大的軸向拉伸力，夾塊的齒面應保持可靠地咬住型材的毛料，均勻傳遞拉力。為了防止將整個拉力集中在型材的某一剖面，齒面前端應帶有平緩的過渡區，所有夾塊應與型材表面均勻接觸，并使拉力的合力近似地通過型材剖面的型心。如果夾頭在型材剖面的合力作用點不通過型材剖面的型心，將產生一個額外的彎矩，使彎曲零件產生翹曲。根據PSBPD軟件可以精確計算出型材截面的型心坐標，以此作為設計夾鉗型心的依據。

（2）夾鉗分塊設計。為了實現夾具的通用性，需根據夾持工件形狀進行分塊，同時為了避免夾塊扭轉，每一分塊至少需包含一個螺紋用于螺栓固定鉗口分塊和一個便于安裝法蘭盤將分塊的鉗口安裝入鉗口時固定。根據不同形式的截面，夾鉗分塊也不同。圖4所示為根據車頂彎梁的截面設計的夾鉗分塊。

（3）夾頭夾塊設計。由于夾頭直接與工件接觸，工況條件比較惡劣；為節約夾頭的制造成本，夾頭設計成可更換的夾塊。為了保證夾頭工作狀態下地穩定性及可互換性，夾塊的設計必須滿足如下要求：① 夾頭內的夾塊必須按型材的剖面更換。② 夾塊的齒面應保持可靠的咬住型材毛料，均勻傳遞拉力。③ 齒面前端應帶有平緩的過渡區，所有夾塊應與型材表面均勻接觸，并使拉力的合力近似地通過型材剖面的形心。（4）咬合齒面硬度及公差設計 。要保證夾頭的咬合力，就必須保證夾頭鑲塊齒面有足夠的硬度和楔入工件的深度；因此夾塊的齒面熱處理硬度值：HRC50～HRC55；夾塊的縱向尺寸公差要求取正。

如果鑲塊齒面硬度達不到要求或者鑲塊的尺寸精度和安裝精度達不到設計要求，都會造成夾頭工作不穩定，甚至出現如圖5所示的打滑現象；大量實踐證明，該牙形適合板厚大于2mm的型鋼拉彎的夾緊方式，用于1mm厚的型材拉彎夾緊則暴露了其缺點和不足。對于板料厚度為 1mm的空調連接梁，需要設計適用于薄板型材拉彎的夾緊牙形結構。優化設計需要考慮鑲塊既要有凸凹部分的相互嚙合，又要解決零件在受力過程中的應力集中、切斷零件的問題。

4.拉彎試驗效果

根據PSBPD仿真軟件設計的回彈預測結果加工了拉彎模具， 并生成了拉彎機數控程序，并進行了拉彎試驗。經過兩次地工藝參數優化，試驗獲得了批量合格的高精度的產品，如圖6所示。

結論

拉彎工藝是一種重要的彎曲工藝，是公司在輕合金軌道車輛車體制造上必須掌握的關鍵技術；而拉彎工藝設計的關鍵就是合理掌握拉彎模具及夾頭的設計方法和制造要點。而拉彎工藝數字化系統可以為拉彎工藝方案提供科學的指導，提升生產效率和產品質量，縮短產品開發周期，降低生產成本。如PSBPD軟件可以設計初始優化的加載軌跡，進行數控代碼離線編程及拉彎機構運動仿真；有限元模擬可以進行拉彎過程的變形規律分析，對拉彎工藝參數進一步優化，減小或者避免拉彎缺陷，預測回彈，為拉彎胎膜設計提供參考輪廓面，對于減少修模次數、降低模具費用、提高材料利用率有著十分重要的指導性意義。

參考文獻

[1]金朝海.鋁合金型材拉彎成形有限元仿真建模及成形過程的數值模擬[R].北京：北京航空航天大學博士后出站報告，2004.

[2]金朝海，谷諍巍，趙亞夫，等.基于位移控制的型材2D張臂式拉彎加載軌跡設計及數控代碼生成[J].塑性工程學報，2009，16（2）：66-71.

[3]劉志軍，金朝海，李東升.基于PSBPD的T型材拉彎夾鉗加載軌跡設計及有限元模擬[J].塑性工程學報，2012，19（6）：109-113.

[4] 李奇涵.沖壓成形工藝與模具設計[M].北京：科學出版社，2012.endprint