轉(zhuǎn)向架蓋板輥彎成型工藝研究與應(yīng)用

趙亞夫，李正光，鄭萌，楊鑫華

(1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 工程技術(shù)部，吉林 長(zhǎng)春 130062； 2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 3.大連市軌道交通裝備焊接結(jié)構(gòu)與智能制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028)*

0 引言

轉(zhuǎn)向架是軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)中最為重要的部件之一，在車(chē)輛運(yùn)行中起到支撐與減震的作用.下蓋板是轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)組成中的關(guān)鍵部分，是由碳鋼厚板通過(guò)模具壓彎或繞彎、輥彎等工藝成型.其中，模具壓彎對(duì)模具精度要求極高，未解決成型工件回彈大的問(wèn)題，往往需要多次模具修正才能滿足工件質(zhì)量要求.輥彎成型無(wú)需制作專用模具，生產(chǎn)成本相對(duì)其他板材成型工藝，生產(chǎn)成本較低，可以通過(guò)編制不同數(shù)控程序即可實(shí)現(xiàn)多種制件生產(chǎn)，節(jié)約模具制造費(fèi)用；生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，只需調(diào)試好程序即可投入正式生產(chǎn)，大幅縮短準(zhǔn)備周期[1- 2].特別適合多品種、小批量、周期短制件生產(chǎn)[3- 4].轉(zhuǎn)向架蓋板具有為典型的大尺寸、超厚度工件，通用式輥彎?rùn)C(jī)或滾板機(jī)均無(wú)法滿足生產(chǎn)需求.研究中采用的輥彎成型設(shè)備為非標(biāo)專用設(shè)備，其輥輪布局和通用三輥或四輥輥彎設(shè)備不同，從動(dòng)輥輪的間距是固定的，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算方法不能適用于該設(shè)備[5].首件試制時(shí)，往往需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，才能確定出較為合理的成型工藝[6].

本文針對(duì)理論計(jì)算與有限元仿真手段，確定了S355碳鋼厚板成型中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，建立了實(shí)現(xiàn)輥彎成型工藝設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型.基于有限元仿真手段，考慮了輥彎成型中回彈對(duì)尺寸精度的影響，確定了常見(jiàn)尺寸下的輥彎工藝的修正參數(shù).采用修正后的輥彎成型參數(shù)進(jìn)行了典型工件試制.試驗(yàn)結(jié)果表明了理論公式和基于數(shù)值仿真的工藝參數(shù)修改結(jié)果的可靠性.

1 輥彎成型工藝的參數(shù)建模

長(zhǎng)客公司目前采用的輥彎設(shè)備如圖1所示，該設(shè)備包含2個(gè)主動(dòng)輪和4個(gè)從動(dòng)輪.在實(shí)際成型中，先由主動(dòng)輪送料至一定位置，然后下壓，下壓完成后轉(zhuǎn)到對(duì)稱位置；從對(duì)稱位置向上次下壓方向轉(zhuǎn)動(dòng)，至工藝要求位置后，再實(shí)行后續(xù)下壓，直至完成成型過(guò)程. 制定輥彎成型的工藝參數(shù)，主要是確定工件主動(dòng)輪的下壓量和工件的進(jìn)給量之間的合理關(guān)系.

圖1 輥彎成型設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.1 下壓量計(jì)算

如圖2所示，當(dāng)成型工件圓弧與兩從動(dòng)輪相切時(shí)，設(shè)主動(dòng)輪的半徑為r1，從動(dòng)輪的半徑為r2，成型工件的半徑為R.兩從動(dòng)輪之間的間距為2L，板厚為t.成型完成后，主動(dòng)輪圓心和從動(dòng)輪的圓心距為H，主動(dòng)輪的下壓量為X.由于成型件與主動(dòng)、從動(dòng)輪均相切，根據(jù)幾何關(guān)系，可以推出主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的相對(duì)位置關(guān)系如式3、4所示.

圖2 成型工件的圓弧與兩個(gè)從動(dòng)輪相切時(shí)的輥彎示意圖

(1)

假設(shè)初始狀態(tài)時(shí)(板材為平面)板材分別與主動(dòng)輪和從動(dòng)輪相切，則根據(jù)式(1)可以得到，主動(dòng)輪的下壓量為：

X=r1+r2+t-H

(2)

當(dāng)成型工件圓弧與兩從動(dòng)輪不相切，而未變形部分與從動(dòng)輪相切時(shí)，若輥彎區(qū)域較小，輥彎后板件的圓弧部分并不與左右輥輪相切，如圖3所示.

圖3 非全部圓弧時(shí)輥彎示意圖

由圖3可以得到：

H=(R+t+a×sinα)×cosα-(R-r1)

(3)

(4)

從而求得：

(5)

將式(5)代入式(3)得：

設(shè)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的初始距離為H0，則：

H0=r1+r2+t

(7)

故下壓量為：X=H0-H

(8)

1.2 進(jìn)給量參數(shù)的計(jì)算

輥彎時(shí)的進(jìn)給量，是在主動(dòng)輪的帶動(dòng)下板材進(jìn)給量.由于板料在成型過(guò)程中，會(huì)由于彎曲成型使未成型的部分發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)以長(zhǎng)度為度量進(jìn)行進(jìn)給量確定，會(huì)存在一定的困難.

假設(shè)在板料進(jìn)給的過(guò)程中，主動(dòng)輪和板料之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，則可以用主動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)角度為度量，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給量的設(shè)計(jì).在設(shè)備參數(shù)的設(shè)置時(shí)，根據(jù)角度和主動(dòng)輪的半徑，再推出長(zhǎng)度方向的進(jìn)給量.

設(shè)輥彎成型工件的圓弧部分的弧度角度為a，則從成型工件的一個(gè)切點(diǎn)到另外一個(gè)切點(diǎn)，主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角弧度S則為：

(9)

由于r1為定值，即100 mm，則上式可以寫(xiě)成：

(10)

設(shè)初始下壓量為x，為保證輥彎圓弧切點(diǎn)為工件設(shè)計(jì)的切點(diǎn)位置，需要的主動(dòng)輪輥彎弧度為a1，則

其中，r1=100，r2=75，L=200，則上式可化簡(jiǎn)為

(12)

上式圖像如圖4所示.

圖4 初始下壓量與主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系

因?yàn)閤>0，且其值通常小于100，則式(12)可以化為：

(13)

解上式可得：

(14)

設(shè)輥彎過(guò)程經(jīng)過(guò)n次下壓完成，取平均每次下壓量為x，則：

(15)

則主動(dòng)輪第i次轉(zhuǎn)角為：

(16)

2 有限元模型

2.1 材料力學(xué)性能參數(shù)

S355 鋼是按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10025生產(chǎn)的一種低合金高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼.它被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、壓力容器、鐵路、車(chē)輛等各個(gè)方面.特別是，隨著高速鐵路裝備制造技術(shù)的快速發(fā)展，S355鋼被大量應(yīng)用于軌道客車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的制造，其屈服強(qiáng)度為355 MPa，抗拉強(qiáng)度為575 MPa，延伸率為20%， 沖擊功大于20 J.

2.2 幾何模型

鋼板輥彎過(guò)程的幾何模型如圖5所示，其主要結(jié)構(gòu)包括前后輥輪和兩個(gè)側(cè)輥輪.板材的幾何尺寸為1 000 mm*200 mm*12 mm.主動(dòng)和從動(dòng)輥輪的半徑分別為100 mm和75 mm，輥輪高為800 mm.

圖5 輥彎成型的幾何模型

3 輥彎成型工藝參數(shù)修正

第1.2章節(jié)中確定的輥彎下壓量和進(jìn)給量理論計(jì)算公式，并沒(méi)有考慮到成型過(guò)程中板料的回彈，以及輥輪與板料之間的相對(duì)滑動(dòng)問(wèn)題.按照理論計(jì)算公式所確定的成型參數(shù)實(shí)現(xiàn)材料的輥彎成型，會(huì)由于回彈、滑動(dòng)等因素，使實(shí)際成型尺寸與工件的要求成型尺寸存在差異.因此，需要對(duì)理論計(jì)算的下壓量、進(jìn)給量等成型工藝參數(shù)進(jìn)行修正.

圖6 成型后輥輪的相對(duì)位置

在調(diào)整前工件成型后的等效塑形應(yīng)變和擬合后的成型半徑如圖7(a)所示.可以看出：調(diào)整前工件成型后半徑為239.3 mm；基于Matlab計(jì)算得到角度150.89 mm.調(diào)整后工件成型后的等效塑形應(yīng)變和擬合后的成型半徑如圖7(b)所示.可以看出：調(diào)整后工件成型后半徑為200.01 mm；基于Matlab計(jì)算得到角度為147.09 mm.

(a)調(diào)整前

(b)調(diào)整后

圖7調(diào)整前、后的工件成型效果

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)在長(zhǎng)客公司的輥彎成型機(jī)上進(jìn)行.為節(jié)約試驗(yàn)成本，僅對(duì)直板進(jìn)行輥彎成型，未按上蓋板實(shí)際尺寸要求加工試件.為了驗(yàn)證所推導(dǎo)的理論公式及工藝參數(shù)修正結(jié)果的的正確性，選擇T=16 mm,R=200 mm，a=147°的輥彎成型件進(jìn)行輥彎試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程和成型件如圖8所示.采用形狀檢測(cè)樣板對(duì)工件進(jìn)行形狀測(cè)量，成形件形狀誤差小于0.1 mm，與仿真結(jié)果相吻合.上述驗(yàn)證了在轉(zhuǎn)向架蓋板輥彎成形中，在理論計(jì)算基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真對(duì)成型工藝參數(shù)進(jìn)行修正的可行性與適用性.

(a)輥彎成型實(shí)驗(yàn)(b)成型件

圖8輥彎成型實(shí)驗(yàn)和成型件圖

5 結(jié)論

本文在系統(tǒng)分析輥彎成型設(shè)備和工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其板材數(shù)控輥彎成型工藝及仿真技術(shù)開(kāi)展了研究，并取得下列主要研究成果：

(1)建立了實(shí)現(xiàn)輥彎成型工藝設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出輥彎參數(shù)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算公式，為實(shí)現(xiàn)輥彎參數(shù)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)；

(2)基于有限元數(shù)值仿真方法，考慮回彈等因素對(duì)成型尺寸的影響，在理論計(jì)算相關(guān)成型參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)輥彎成型情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，確定了常見(jiàn)成型尺寸下的輥彎工藝的修正參數(shù).