不銹鋼車(chē)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(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司工程技術(shù)部，130062，長(zhǎng)春//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

拉彎成形工藝是不銹鋼軌道客車(chē)車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)沖壓件制造中的關(guān)鍵工藝之一，主要用于車(chē)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(yōu)勢(shì)在于在板彎型材彎曲成形過(guò)程中通過(guò)同時(shí)施加軸向拉力和彎矩，改變型材內(nèi)部的應(yīng)力分布，加大材料的塑性變形量，消除彎曲過(guò)程中的起皺缺陷，減小回彈，提高成形精度[1]。

拉彎成形過(guò)程從表面上看，在專(zhuān)用拉彎設(shè)備的作用下型材產(chǎn)生彎曲變形，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，過(guò)程簡(jiǎn)單。實(shí)際上在成形過(guò)程中拉伸力和彎矩的共同作用下彎曲和卸載時(shí)，型材斷面內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化比較復(fù)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(zhǎng)、斷面形狀都要發(fā)生變化,導(dǎo)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(chē)車(chē)頂彎梁為例，對(duì)拉彎成形中回彈缺陷的補(bǔ)償問(wèn)題進(jìn)行分析探討。

1 車(chē)頂彎梁拉彎成形回彈缺陷

1.1 拉彎模具常規(guī)設(shè)計(jì)方法和成形缺陷

某不銹鋼軌道客車(chē)兩種車(chē)頂彎梁分別為3段弧組合類(lèi)型、3段直線與2段弧組合類(lèi)型，如圖1和圖2所示。

圖1 3段弧組合車(chē)頂彎梁

兩種車(chē)頂彎梁按常規(guī)模具設(shè)計(jì)方法是等弧長(zhǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)回彈則通過(guò)改變半徑尺寸進(jìn)行角度補(bǔ)償?；貜椦a(bǔ)償數(shù)值取得方式有兩種。

(1) 經(jīng)驗(yàn)值法：根據(jù)車(chē)頂彎梁結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和材料性能，依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和以往相似結(jié)構(gòu)件參數(shù)給出拉彎成形回彈值進(jìn)行拉彎模具的設(shè)計(jì)。通過(guò)反復(fù)進(jìn)行拉彎試模、修模，最終生產(chǎn)出合格拉彎件。

圖2 直線與弧組合車(chē)頂彎梁

(2) 仿真軟件數(shù)值模擬法：使用PS2F專(zhuān)用仿真模擬軟件或其他沖壓成形仿真模擬軟件對(duì)拉彎成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出回彈變形量和模具的數(shù)模曲線，直接生成模具圖，然后進(jìn)行試模調(diào)整。

車(chē)頂彎梁拉彎使用的設(shè)備為數(shù)控張臂式拉彎?rùn)C(jī)(見(jiàn)圖3)[2]，該設(shè)備可采用位移控制模式拉彎成形，在拉彎成形過(guò)程中通過(guò)程序控制拉彎夾鉗運(yùn)行軌跡來(lái)控制材料每一點(diǎn)的延伸量，實(shí)現(xiàn)邊拉伸邊彎曲，逐點(diǎn)逼近和包裹模具，最終實(shí)現(xiàn)車(chē)頂彎梁的成形。

圖3 數(shù)控臥式拉彎?rùn)C(jī)工作示意圖

按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的模具最終拉彎成形后產(chǎn)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(duì)角度回彈研究較多，對(duì)后兩種回彈缺陷往往忽略，以至于在模具設(shè)計(jì)階段對(duì)回彈變形量的計(jì)算和補(bǔ)償均存在誤差。為此，分析研究車(chē)頂彎梁拉彎成形軸向收縮回彈、滯后回彈對(duì)提高車(chē)頂彎梁拉彎成形精度具有重要意義。

1.2 軸向收縮回彈

車(chē)頂彎梁拉彎成形軸向收縮回彈是指車(chē)頂彎梁拉彎成形卸載后材料沿型材中心軸線方向產(chǎn)生收縮變形。圖4和圖5為兩種車(chē)頂彎梁最終拉彎成形后的樣板檢測(cè)外形狀態(tài)。檢測(cè)時(shí)一側(cè)靠近樣板，另一側(cè)小圓弧處有間隙。產(chǎn)生原因是型材拉彎成形后中間段弧長(zhǎng)變小，兩切點(diǎn)向中心產(chǎn)生偏移。一般情況下實(shí)測(cè)最大間隙在2～4 mm。

圖4 3段弧組合車(chē)頂彎梁軸向收縮回彈示意圖

圖5 直線與弧組合車(chē)頂彎梁軸向收縮回彈示意圖

1.3 滯后回彈

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)不銹鋼車(chē)頂彎梁拉彎成形卸載回彈后，除了產(chǎn)生瞬時(shí)回彈變形外，回彈現(xiàn)象沒(méi)有停止，隨著時(shí)間的推移一直繼續(xù)發(fā)生著，既存在滯后回彈現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為車(chē)頂彎梁的半徑變大，角度外漲，這種現(xiàn)象據(jù)文獻(xiàn)介紹在其他高強(qiáng)度鋼以及鋁合金成形中普遍存在[3]。滯后回彈現(xiàn)象對(duì)零件的成形精度及后續(xù)的組裝使用中產(chǎn)生很大的影響。

圖6所示為不銹鋼車(chē)頂彎梁成形后自由放置24 h后滯后回彈狀態(tài)。滯后回彈后如果間隙超過(guò)2 mm，零件將無(wú)法使用，需要進(jìn)行二次調(diào)修。

圖6 車(chē)頂彎梁滯后回彈示意圖

2 回彈缺陷產(chǎn)生原因及補(bǔ)償措施

2.1 軸向收縮回彈原因及補(bǔ)償措施

車(chē)頂彎梁拉彎成形過(guò)程的基本路徑有預(yù)拉伸—拉彎—補(bǔ)拉(選擇性使用)3個(gè)階段。

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

回彈的產(chǎn)生是因?yàn)槭褂玫牟牧蠟榻饘俨牧?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(yīng)變部分εp和塑性應(yīng)變部分εe(見(jiàn)圖8)，卸載后彈性應(yīng)變部分要回縮。彈性應(yīng)變的大小與實(shí)際變形量有關(guān)。需要進(jìn)行試驗(yàn)或者模擬計(jì)算來(lái)確認(rèn)回彈量。

圖7 車(chē)頂彎梁拉彎成形的斷面應(yīng)力分布

圖8 金屬材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

為了證明拉彎成形中的軸向收縮回彈現(xiàn)象和軸向收縮回彈在總應(yīng)變中的占比，對(duì)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(jìn)行以下數(shù)值模擬分析試驗(yàn)(見(jiàn)圖9)：采用國(guó)標(biāo)中的單向拉伸試驗(yàn)方法，試樣的平行段長(zhǎng)度為50 m；單向拉伸試驗(yàn)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(jìn)行模擬計(jì)算；然后卸載，并計(jì)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(shí)際變形量有關(guān)，與板厚無(wú)關(guān)。

圖9 單向拉伸變形回彈模擬試驗(yàn)顯示界面

表1 單向拉伸變形回彈模擬值

根據(jù)以上計(jì)算方法得到的該種材料回彈率在總應(yīng)變中的占比，并按圖1所示進(jìn)行車(chē)頂彎梁軸向回彈收縮量的計(jì)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(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)(見(jiàn)圖10)，彎梁型材內(nèi)皮部分的平均延伸率為3.1%，切點(diǎn)之間圓弧弧長(zhǎng)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(shí)際模具的補(bǔ)償量相近，該件弧長(zhǎng)實(shí)際補(bǔ)償量為9 mm。

圖10 3段弧組合車(chē)頂彎梁應(yīng)變曲線模擬界面

圖2所示的車(chē)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(jié)果為4.5%(見(jiàn)圖11)。中間直線段長(zhǎng)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(shí)際回縮量。

圖11 直線與弧組合車(chē)頂彎梁應(yīng)變曲線模擬界面

2.2 滯后回彈原因及補(bǔ)償措施

不銹鋼車(chē)頂彎梁拉彎成形后產(chǎn)生滯后回彈，主要表現(xiàn)為隨時(shí)間的推移，角度外漲，是典型的滯后回彈現(xiàn)象。滯后回彈產(chǎn)生的原因目前沒(méi)有統(tǒng)一的觀點(diǎn),通常認(rèn)為滯后回彈產(chǎn)生的原因是成形件卸載后內(nèi)部應(yīng)力不能完全瞬時(shí)釋放，部分殘余應(yīng)力應(yīng)變的釋放有個(gè)過(guò)程,導(dǎo)致拉彎成形件在無(wú)外力作用下延時(shí)產(chǎn)生滯后回彈外漲。文獻(xiàn)介紹的對(duì)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(guò)Abaqus軟件建模進(jìn)行分析模擬計(jì)算[4]。

根據(jù)黏彈塑性理論，材料卸載后產(chǎn)生回彈Δα總包括彈塑性狀態(tài)下的瞬時(shí)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(duì)不銹鋼車(chē)頂彎梁需要求出滯后回彈，關(guān)鍵是要求出滯后回彈在總回彈總中所占的比值。

不銹鋼車(chē)頂彎梁滯后回彈主要發(fā)生在中間的大圓弧處，兩端的小圓弧處幾乎不產(chǎn)生滯后回彈變形，所以車(chē)頂彎梁的滯后回彈僅需補(bǔ)償中間部分。

對(duì)圖1所示車(chē)頂彎梁補(bǔ)償值近似算法是：采用Abaqus軟件數(shù)值模擬計(jì)算出該種材料在單向拉伸狀態(tài)下滯后回彈與總回彈量值，通過(guò)模擬計(jì)算的車(chē)頂彎梁瞬時(shí)回彈量模擬數(shù)值反算出滯后回彈值。

由圖12可見(jiàn)，1 mm厚SUS301L-ST不銹鋼板在單向拉伸狀態(tài)下，中間弧段在應(yīng)變量為3.1%時(shí)，1 000 s后對(duì)應(yīng)的總回彈量為0.174 3 mm，滯后回彈量為0.000 5 mm,換算結(jié)果為：

Δαz/Δα總=0.002 86

最終,根據(jù)車(chē)頂彎梁瞬時(shí)回彈量計(jì)算出滯后回彈值。測(cè)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(wěn)定(見(jiàn)圖12)。

圖12 SUS301L-ST材料滯后回彈曲線

3 結(jié)論

(1) 車(chē)頂彎梁拉彎成形過(guò)程中,型材在拉伸力和彎矩的作用下,不僅產(chǎn)生角度回彈，還會(huì)產(chǎn)生軸向收縮回彈和滯后回彈，這會(huì)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(zhǎng)縮短，切點(diǎn)向中心偏移，降低了零件的的外形精度。產(chǎn)生軸向收縮回彈的原因是材料拉彎時(shí)處于正應(yīng)力狀態(tài)，卸載后彈性部分會(huì)產(chǎn)生收縮回彈。因此,在模具設(shè)計(jì)中,需要對(duì)此方向的回彈進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償方案是：對(duì)拉彎成形過(guò)程采用PS2F軟件或其他軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，確認(rèn)中間段的實(shí)際變形量，再通過(guò)材料單項(xiàng)拉伸試驗(yàn)確定彈性收縮率，得出切點(diǎn)之間變化的回彈收縮值，并通過(guò)實(shí)際試模再進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。

(3) 不銹鋼車(chē)頂彎梁滯后回彈缺陷是因?yàn)槔瓘澕?nèi)部卸載后留有殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力釋放有時(shí)間過(guò)程所導(dǎo)致。滯后回彈與材料性能及變形量等有關(guān)。對(duì)滯后回彈的補(bǔ)償量近似算法是:通過(guò)數(shù)值模擬得到拉彎成形中的應(yīng)變量，通過(guò)Abaqus軟件的單項(xiàng)拉伸模擬得到滯后回彈量與總回彈量的比值，然后近似計(jì)算得出補(bǔ)償量。