型材拉彎成形過程的參數(shù)化有限元建模方法

張學(xué)廣

（中車長春軌道客車股份有限公司工程規(guī)劃發(fā)展部，130062，長春∥工程師）

近年來，型材因其具備重量輕、強(qiáng)度高及成形性好的優(yōu)勢，在軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)件中得到了廣泛使用［1］。拉彎工藝是型材的主要成形方式，成形效果與拉彎過程中的加載參數(shù)密切相關(guān)。受材料、工藝及設(shè)備等眾多因素的影響，成形后型材常出現(xiàn)截面畸變、扭曲及精度不足等缺陷［2-4］。在實(shí)際生產(chǎn)中，工件試制之前一般多通過數(shù)值仿真方式進(jìn)行工件成形模擬，以達(dá)到先期預(yù)測工件成形缺陷的目的，并針對性地調(diào)整工件拉彎成形工藝參數(shù)［5］。因此，拉彎成形過程的有限元模型的準(zhǔn)確性與適用性，對于分析工件的成形效果具有決定性作用。

1　型材拉彎成形

型材實(shí)際生產(chǎn)中多選用張壁式拉彎機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包括工作臺、機(jī)架、雙側(cè)轉(zhuǎn)臂、拉伸缸、夾鉗等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。張壁式拉彎機(jī)原理是將拉彎胎固定在工作臺上，依靠拉彎機(jī)兩側(cè)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)帶動型材繞模具轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)工件成形。在進(jìn)行拉彎時(shí)，首先將型材放在臺面上，兩端由夾鉗夾緊，啟動拉伸缸，型材開始進(jìn)行預(yù)拉伸，達(dá)到屈服極限；隨后進(jìn)行包覆拉伸，轉(zhuǎn)臂在油壓缸拉桿作用下繞臺面開始旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)邊拉伸邊彎曲；最后機(jī)床上的液壓缸停止運(yùn)作，型材只在拉伸缸的作用下進(jìn)行補(bǔ)拉。

圖1　張壁式拉彎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2　型材拉彎建模方法

在型材成形過程的有限元模擬中，多采用預(yù)拉-彎曲-補(bǔ)拉（P-M-P）方式將工件的成形過程分解為3個(gè)獨(dú)立的階段，通過調(diào)控夾鉗的軌跡實(shí)現(xiàn)型材拉彎成形［6］。在整個(gè)成形過程的仿真中，只需要根據(jù)工件目標(biāo)形狀、預(yù)拉量、補(bǔ)拉量3個(gè)參數(shù)即可計(jì)算出每個(gè)階段結(jié)束時(shí)夾鉗的空間坐標(biāo)，并結(jié)合夾鉗的拉伸速度和轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)整個(gè)成形過程中夾鉗軌跡的跟蹤［7-8］。

這種方式的優(yōu)勢是可適用于不同目標(biāo)形狀和尺寸的型材成形，只需通過幾何尺寸計(jì)算即可獲取加載軌跡，建模過程簡便。然而，此方式和型材的實(shí)際生產(chǎn)加工方式存在一定差別。首先，在P-M-P方式分析中，型材彎曲階段只發(fā)生純彎曲，忽略了彎曲貼模過程中夾鉗的拉伸作用，而實(shí)際生產(chǎn)中夾鉗對型材作用為邊彎曲邊拉伸；其次，P-M-P方式分析一般假定夾鉗的拉伸和旋轉(zhuǎn)中均為勻速加載，而實(shí)際生產(chǎn)中，型材在彎曲貼模階段，為減小卸載回彈量，多根據(jù)工件的圓弧半徑設(shè)定非均勻的拉伸量和旋轉(zhuǎn)量，這種工況會導(dǎo)致P-M-P方式分析中夾鉗軌跡計(jì)算及其復(fù)雜［9-10］。

由于P-M-P方式分析中夾鉗的運(yùn)動軌跡和實(shí)際生產(chǎn)中夾鉗的運(yùn)動軌跡存在一定差異，導(dǎo)致有限元模擬的精度難以保證。因此，建立一種便捷、精確的參數(shù)化有限元模型，對于型材拉彎成形效果的分析和預(yù)測具有重要意義。

3　拉彎成形參數(shù)化模型

以軌道交通車輛車頂彎梁作為研究對象，采用有限元模擬方式預(yù)測工件拉彎后成形缺陷，并優(yōu)化主要工藝參數(shù)。工件的目標(biāo)形狀和截面形狀如圖2所示。由圖2可以看出，工件為對稱結(jié)構(gòu)，由兩段曲率半徑不同的圓弧和延長段組成。工件材質(zhì)為SUS301LN不銹鋼。如圖3所示，工件主要成形缺陷為拉彎后型材截面縮口和帽檐翹曲，這些缺陷給后續(xù)的車體骨架組配工作帶來較大困難。生產(chǎn)中主要依賴調(diào)控拉彎過程中的型材變形量，以降低工件的回彈，并減小截面畸變。

本文采用有限元分析軟件Abaqus建立了型材拉彎的有限元模型，如圖4所示。模型中采用了梁單元簡化拉彎機(jī)的轉(zhuǎn)臂，梁一端鉸接，為了避免模擬中梁單元的變形，在材料屬性賦予時(shí)設(shè)置一個(gè)較大的彈性模量。模型中將夾鉗簡化為剛體殼，夾鉗中心點(diǎn)和梁共線。在夾鉗中心點(diǎn)和梁另一端建立轉(zhuǎn)換器連接。使用轉(zhuǎn)換器連接單元的主要優(yōu)勢是可以保證在整個(gè)成形過程中夾鉗的運(yùn)動始終沿轉(zhuǎn)臂方向，不受轉(zhuǎn)臂運(yùn)動的影響，從而可以實(shí)現(xiàn)貼模過程中型材的邊拉邊彎。

圖2　車頂彎梁工件的目標(biāo)形狀

圖3　車頂彎梁工件的主要成形缺陷

圖4　車頂彎梁工件的拉彎成形有限元模型

在有限元仿真中，使用梁的旋轉(zhuǎn)等效拉彎機(jī)轉(zhuǎn)臂的運(yùn)動，使用連接器單元的運(yùn)動等效夾鉗的運(yùn)動。則有限元模型中，只需設(shè)置梁的轉(zhuǎn)角和連接器的位移兩個(gè)參數(shù)，無需計(jì)算夾鉗在整個(gè)成形過程中的空間坐標(biāo)。

4　模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文建立的型材拉彎成形過程參數(shù)化有限元仿真模型的適用性和準(zhǔn)確性，選用P-M-P方式分析的仿真結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)化有限元模型仿真結(jié)果進(jìn)行對比。在有限元模擬中設(shè)置了不同的拉彎工藝參數(shù)，并對比了工件成形后的成形缺陷。

由于實(shí)際生產(chǎn)中主要依賴調(diào)控拉彎過程中的拉伸量抑制產(chǎn)品的工藝缺陷，因此在有限元模擬中，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置了4組不同的拉伸量。并以成形后工件的回彈量、縮口量和翹曲量作為量化指標(biāo)。不同拉伸量下的工件成形后的工藝缺陷如表1所示。

由表1可以看出，隨著拉伸量的增加，工件成形后的塑性變形量增加，工件成形后的回彈量呈現(xiàn)降低趨勢，同時(shí)，工件的縮口量和翹曲量均增加。有限元模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)一定的差異。文中定義了偏差比δi，用于衡量仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性：

表1　不同工藝參數(shù)下車頂彎梁工件拉彎工藝缺陷

式中：

si——工藝參數(shù)為i的仿真結(jié)果；

ei——工藝參數(shù)為i的試驗(yàn)結(jié)果。

對上述偏差比進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)可知，P-M-P方式的仿真結(jié)果平均偏差比為28.9%，參數(shù)化模型的平均偏差比為10.8%。結(jié)果表明：相比于采用P-M-P模型進(jìn)行型材拉彎成形仿真，采用本文中提出的參數(shù)化模型可以降低仿真偏差，模擬結(jié)果更接近試驗(yàn)結(jié)果。

5　結(jié)語

提出了一種基于連接器單元的型材拉彎成形模擬方法，通過定義型材拉彎過程中的伸長量，實(shí)現(xiàn)了拉彎過程中的邊拉邊彎有限元模式。相較于傳統(tǒng)的P-M-P模型，該模型可以避免有限元建模過程中夾鉗軌跡的計(jì)算，簡化了有限元仿真模型的建立過程。以軌道車輛車頂彎梁為例，采用該模型驗(yàn)證了不同工藝參數(shù)下工件的成形效果，仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)貼合。本項(xiàng)研究成果在結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］金朝海，周賢賓，刁可山，等.鋁合金型材拉彎成形回彈的有限元模擬［J］.材料科學(xué)與工藝，2004，12（4）：394.

［2］CLAUSERN A H，HOPPERSTAD O S，LANGSETH M.Stretch bendingofaluminumextrusions：Effectofgeometryandalloy［J］.JournalofEngineeringMechanics，1999，125（4）：392.

［3］王勝滿.用于地鐵車輛的不銹鋼型材拉彎成形缺陷［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013（6）：1546.

［4］谷諍巍，劉化民，劉玉梅，等.不銹鋼型材拉彎成形工藝模擬研究［J］.模具工業(yè)，2006，32（8）：42.

［5］劉志軍，金朝海，李東升，等.基于PSBPD的T型材拉彎夾鉗加載軌跡設(shè)計(jì)及有限元模擬［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2012，19（6）：109.

［6］李小強(qiáng)，周賢賓，金朝海，等.基于有限元模擬的三維型材拉彎軌跡設(shè)計(jì)［J］.航空學(xué)報(bào)，2009，30（3）：544.

［7］李小強(qiáng)，周賢賓，金朝海，等.型材拉彎數(shù)值模擬夾鉗邊界條件的一種等效模型［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16（1）：64.

［8］劉天驕，王永軍，夏曉嬌，等.型材拉彎數(shù)值模擬軌跡建模方法［J］.鍛壓技術(shù)，2014，39（7）：132.

［9］HOPPERSTAD O S，LEIRA B J，REMSET H S，et al.Reliability-based analysis of a stretch-bending process for alumini-m extrusions［J］.Computers&Structures，1999，71（1）：63.

［10］金朝海，周賢賓，谷諍巍，等.基于位移控制的型材2D張臂式拉彎加載軌跡設(shè)計(jì)及數(shù)控代碼生成［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16（2）：66.