軌道車輛運載量大、效率高，是我國主要交通運輸方式之一。軌道車輛車體構件尺寸大、精度要求高，一般採用拉彎成形工藝製造。拉彎工藝能夠在型材彎曲的同時施加切向拉力，改善截面應力狀態，從而減小回彈，提高成形件輪廓精度。車體構件的高精度成形是軌道車輛車體製造的關鍵技術之一。現以某軌道車輛車體鋁合金端梁構件為研究對象，構建了拉彎成形數值模擬模型，研究了工藝參數對該構件拉彎成形截面變形和輪廓精度的影響規律，優化了拉彎成形工藝，以對實際生產提供指導。
拉彎成形數值模擬
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圖1 端梁幾何模型
圖2 拉彎成形有限元模型
模型某軌道車輛車體端梁幾何模型如圖1所示，該構件由鋁合金型材拉彎成形。基於幾何模型，構建拉彎成形有限元模型如圖2所示，模型由型材、夾鉗和拉彎胎構成，其中拉彎胎和夾鉗為不可變形殼體，型材為可變形殼體。為提高計算效率，夾鉗簡化為平面，型材端部通過綁定關係與夾鉗連接。型材採用S4R單元進行網格劃分，拉彎胎和夾鉗採用R3D4單元進行網格劃分。型材的本構模型選取Krupkowsky準則，屈服準則選取Mises準則。摩擦模型選取Coulomb模型，摩擦因數設置為0.1。拉彎過程中，拉彎模固定不動，夾鉗的移動和轉動帶動型材包繞拉彎胎彎曲成形。
模擬結果分析
2
01
截面變形影響因素研究
（a）拉伸量6%
（b）拉伸量8%
（c）拉伸量10%
（d）拉伸量12%
圖3 不同拉伸量時彎曲件截面變形情況
不同拉伸量時彎曲件截面變形情況如圖3所示。由圖3（c）可知，車體構件彎曲程度較大的B區域發生了明顯的腹板塌陷和立邊彎曲，截面畸變缺陷顯著；彎曲程度較小的C區域和直線段A區域截面畸變程度較小。此外當拉伸量為6%和8%型材長度時，彎曲件A、B、C3個區域內截面變形情況良好，無明顯截面畸變；當拉伸量為10%型材長度時，彎曲件的B區域發生了明顯的腹板塌陷和立邊彎曲缺陷，截面畸變嚴重，而A和C區域截面變形程度較小，未發生明顯截面畸變；當拉伸量為12%型材長度時，彎曲件B區域截面畸變程度更加嚴重，且A和C區域也發生了明顯的立邊彎曲現象，截面發生畸變。因此隨著拉伸量增加，截面畸變缺陷更加嚴重。對車體構件當拉伸量小於8%時，彎曲件截面變形情況良好。
02
輪廓精度影響因素研究
圖4 回彈量隨拉伸量的變化曲線
拉彎過程中，型材拉伸量對成形件的回彈情況影響最為顯著。彎曲件回彈量隨拉伸量變化的曲線如圖4所示。由圖4可以看出，一定範圍內，隨著拉伸量的增加，回彈量減小，有利於輪廓精度的提高。然而，拉伸量對回彈的影響作用有限，且拉伸量過大容易導致截面畸變缺陷。可採用基於回彈對模具零件型面進行修正的方法來控制輪廓精度，初始模型中模具零件型面外皮曲線為理論件外皮輪廓曲線等距偏移料厚所得，初始模型中成形件的回彈量即為成形件與理論件之間的輪廓間隙。基於零件不同位置的輪廓間隙，在模具零件型面曲線上相應位置處分別進行不同倍數的反向修正，然後分別利用修正後的模具拉彎成形，比較成形件卸載後輪廓曲線與理論件輪廓曲線之間的差值，得出最佳的模具零件型面修正量。相對理論件，零件回彈後其尺寸和彎曲角度均發生了變化，最終綜合反映在回彈件與理論件之間的輪廓間隙，因此基於回彈件輪廓間隙進行模具型面修正方法的同時考慮了回彈件尺寸和角度的變化。當拉伸量為8%型材長度時，成形件輪廓精度隨模具零件型面修正量的變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，當修正量為1.3倍回彈量時，成形件輪廓精度明顯提高，達到了使用要求。
圖5 輪廓精度隨模具零件型面修正量的變化曲線
拉彎成形試驗
3
圖6 缺陷件
由以上分析可知，增大拉伸量可減小回彈量，有利於輪廓精度的提高；然而，拉伸量過大易導致截面畸變、腹板塌陷，如圖6所示。綜合考慮，對車體構件合理的拉伸量為8%型材長度，基於該拉伸量，在V-75數控拉彎機上進行了拉彎成形試驗，如圖7所示，並修正了拉彎胎型面，最終得到了合格的彎曲件（見圖8），目前該車體構件已成功應用於軌道車輛鋁合金車體中。
圖7 拉彎成形機
圖8 合格試驗件
（1）端梁構件拉彎成形過程中容易出現腹板塌陷和立邊彎曲截面畸變缺陷，彎曲程度較大區域的截面畸變程度更嚴重。
（2）截面畸變程度隨著拉伸量的增大而增大。對車體構件當拉伸量小於8%型材長度時，彎曲件截面變形情況良好。
（3）增大拉伸量一定程度上能夠減小回彈，有利於提高輪廓精度；基於回彈對模具零件型面進行修正能夠有效控制輪廓精度。對車體構件當拉伸量為8%型材長度時，合理的模具零件型面修正量為1.3倍回彈量。
▍原文作者：王立東
▍作者單位：中國中車長春軌道客車股份有限公司