不銹鋼車頂彎梁拉彎成形回彈缺陷分析

鄭勇福 王 博 張 洋 柳鐵偉 邴 政 王俊元

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術部，130062，長春//第一作者，教授級高級工程師)

拉彎成形工藝是不銹鋼軌道客車車體鋼結構沖壓件制造中的關鍵工藝之一，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。拉彎成形工藝的優勢在于在板彎型材彎曲成形過程中通過同時施加軸向拉力和彎矩，改變型材內部的應力分布，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，在專用拉彎設備的作用下型材產生彎曲變形，模具結構簡單，過程簡單。實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，型材斷面內部應力應變的變化比較復雜。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、斷面形狀都要發生變化,導致回彈量較難控制，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，對拉彎成形中回彈缺陷的補償問題進行分析探討。

1 車頂彎梁拉彎成形回彈缺陷

1.1 拉彎模具常規設計方法和成形缺陷

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模具設計方法是等弧長設計，對回彈則通過改變半徑尺寸進行角度補償。回彈補償數值取得方式有兩種。

(1) 經驗值法：根據車頂彎梁結構尺寸、形狀和材料性能，依靠設計者的經驗和以往相似結構件參數給出拉彎成形回彈值進行拉彎模具的設計。通過反復進行拉彎試模、修模，最終生產出合格拉彎件。

圖2 直線與弧組合車頂彎梁

(2) 仿真軟件數值模擬法：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拉彎成形過程進行數值模擬計算，得出回彈變形量和模具的數模曲線，直接生成模具圖，然后進行試模調整。

車頂彎梁拉彎使用的設備為數控張臂式拉彎機(見圖3)[2]，該設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行軌跡來控制材料每一點的延伸量，實現邊拉伸邊彎曲，逐點逼近和包裹模具，最終實現車頂彎梁的成形。

圖3 數控臥式拉彎機工作示意圖

按常規方法設計的模具最終拉彎成形后產生的回彈缺陷有3種：角度回彈、軸向收縮回彈、滯后回彈。以往僅對角度回彈研究較多，對后兩種回彈缺陷往往忽略，以至于在模具設計階段對回彈變形量的計算和補償均存在誤差。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外形狀態。檢測時一側靠近樣板，另一側小圓弧處有間隙。產生原因是型材拉彎成形后中間段弧長變小，兩切點向中心產生偏移。一般情況下實測最大間隙在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

在生產中發現不銹鋼車頂彎梁拉彎成形卸載回彈后，除了產生瞬時回彈變形外，回彈現象沒有停止，隨著時間的推移一直繼續發生著，既存在滯后回彈現象。具體表現為車頂彎梁的半徑變大，角度外漲，這種現象據文獻介紹在其他高強度鋼以及鋁合金成形中普遍存在[3]。滯后回彈現象對零件的成形精度及后續的組裝使用中產生很大的影響。

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。滯后回彈后如果間隙超過2 mm，零件將無法使用，需要進行二次調修。

圖6 車頂彎梁滯后回彈示意圖

2 回彈缺陷產生原因及補償措施

2.1 軸向收縮回彈原因及補償措施

車頂彎梁拉彎成形過程的基本路徑有預拉伸—拉彎—補拉(選擇性使用)3個階段。

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

回彈的產生是因為使用的材料為金屬材料,屬于彈塑性材料，不管材料變形到何種程度,始終存在著彈性應變部分εp和塑性應變部分εe(見圖8)，卸載后彈性應變部分要回縮。彈性應變的大小與實際變形量有關。需要進行試驗或者模擬計算來確認回彈量。

圖7 車頂彎梁拉彎成形的斷面應力分布

圖8 金屬材料應力應變曲線

為了證明拉彎成形中的軸向收縮回彈現象和軸向收縮回彈在總應變中的占比，對1 mm和1.5 mm厚SUS301L-ST不銹鋼板和1 mm厚的6005-T4鋁型材板進行以下數值模擬分析試驗(見圖9)：采用國標中的單向拉伸試驗方法，試樣的平行段長度為50 m；單向拉伸試驗中一端固定，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)的變形率進行模擬計算；然后卸載，并計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際變形量有關，與板厚無關。

圖9 單向拉伸變形回彈模擬試驗顯示界面

表1 單向拉伸變形回彈模擬值

根據以上計算方法得到的該種材料回彈率在總應變中的占比，并按圖1所示進行車頂彎梁軸向回彈收縮量的計算(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力應變狀態(見圖10)，彎梁型材內皮部分的平均延伸率為3.1%，切點之間圓弧弧長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際模具的補償量相近，該件弧長實際補償量為9 mm。

圖10 3段弧組合車頂彎梁應變曲線模擬界面

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軟件模擬結果為4.5%(見圖11)。中間直線段長度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際回縮量。

圖11 直線與弧組合車頂彎梁應變曲線模擬界面

2.2 滯后回彈原因及補償措施

不銹鋼車頂彎梁拉彎成形后產生滯后回彈，主要表現為隨時間的推移，角度外漲，是典型的滯后回彈現象。滯后回彈產生的原因目前沒有統一的觀點,通常認為滯后回彈產生的原因是成形件卸載后內部應力不能完全瞬時釋放，部分殘余應力應變的釋放有個過程,導致拉彎成形件在無外力作用下延時產生滯后回彈外漲。文獻介紹的對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軟件建模進行分析模擬計算[4]。

根據黏彈塑性理論，材料卸載后產生回彈Δα總包括彈塑性狀態下的瞬時回彈Δαs和黏彈性理論下的滯后回彈Δαz兩部分，即

Δα總=Δαs+Δαz

對不銹鋼車頂彎梁需要求出滯后回彈，關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生在中間的大圓弧處，兩端的小圓弧處幾乎不產生滯后回彈變形，所以車頂彎梁的滯后回彈僅需補償中間部分。

對圖1所示車頂彎梁補償值近似算法是：采用Abaqus軟件數值模擬計算出該種材料在單向拉伸狀態下滯后回彈與總回彈量值，通過模擬計算的車頂彎梁瞬時回彈量模擬數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下，中間弧段在應變量為3.1%時，1 000 s后對應的總回彈量為0.174 3 mm，滯后回彈量為0.000 5 mm,換算結果為：

Δαz/Δα總=0.002 86

最終,根據車頂彎梁瞬時回彈量計算出滯后回彈值。測算中選擇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定(見圖12)。

圖12 SUS301L-ST材料滯后回彈曲線

3 結論

(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,不僅產生角度回彈，還會產生軸向收縮回彈和滯后回彈，這會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縮短，切點向中心偏移，降低了零件的的外形精度。產生軸向收縮回彈的原因是材料拉彎時處于正應力狀態，卸載后彈性部分會產生收縮回彈。因此,在模具設計中,需要對此方向的回彈進行補償。補償方案是：對拉彎成形過程采用PS2F軟件或其他軟件進行數值模擬，確認中間段的實際變形量，再通過材料單項拉伸試驗確定彈性收縮率，得出切點之間變化的回彈收縮值，并通過實際試模再進行調整補償。

(3) 不銹鋼車頂彎梁滯后回彈缺陷是因為拉彎件內部卸載后留有殘余應力，而殘余應力釋放有時間過程所導致。滯后回彈與材料性能及變形量等有關。對滯后回彈的補償量近似算法是:通過數值模擬得到拉彎成形中的應變量，通過Abaqus軟件的單項拉伸模擬得到滯后回彈量與總回彈量的比值，然后近似計算得出補償量。