CN101823092B - 一种车体角钢构件拉弯成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车体角钢构件拉弯成型工艺。本发明的主要目的就是为了科学合理地解决车体角钢构件在拉弯成形过程中工件回弹量和截面曲屈变形量过大等缺陷问题。本工艺仿真出对应最小回弹量的预拉力与补拉力，给出了型材初始长度计算公式及夹钳的运动轨迹模型，提高了拉弯件的成形质量、精度、工作效率、车体钢结构制造质量和降低制造维修成本，避免拉弯缺陷，也为型材零件拉弯成形精度控制提供了依据。本发明首次建立了多曲率件型材长度回弹量数学模型，并可以精确确定零件毛坯型材初始长度，通过仿真方法确定最佳预拉力与补拉力，并通过多曲率型材拉弯模型的建立，精确地确定了夹钳运动轨迹，进而保证型材成形后得到理想的成形质量。

Description

一种车体角钢构件拉弯成型工艺

技术领域

本发明涉及一种车体角钢构件拉弯成型工艺，特别是涉及一种用于轨道客车车体构件拉弯工艺，属于金属拉弯成型领域。

背景技术

金属型材拉弯成形技术已经成为轨道客车及其它车辆生产制造工艺中的关键及难点，拉弯工艺中存在弯曲截面出现过大的曲屈变形及回弹造成的弯曲件尺寸精度难以控制等缺陷，严重影响了拉弯成形件的成形质量和车身制造精度。因此要进一步提高金属型材拉弯成形质量及精度，必须深入研究弯曲成形机理，提前掌握材料弯曲时的回弹量，确定最佳载荷及夹钳轨迹，提出合理解决缺陷问题的有效措施，促进金属型材拉弯工业及轨道客车的快速发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车体角钢构件拉弯成型工艺，以克服现有金属型材拉弯成形艺中，存在弯曲截面出现过大的曲屈变形及回弹造成的弯曲件尺寸精度难以控制等缺陷，影响拉弯成形件的成形质量和车身制造精度，为金属型材拉弯成形技术提供理论依据。

本发明的上述目的可通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

本发明是以转臂式拉弯工作台为基础，选取拉伸-弯曲-补拉成型加载方式，确定了最佳施加载荷，结合长度回弹量数学模型，修正了型材初始长度，同时探讨了夹钳轨迹的确定方法。

本发明提供的一种车体角钢构件拉弯成型工艺，包括建立多曲率件型材长度回弹量数学模型，精确确定零件毛坯型材初始长度，加载过程选取拉伸-弯曲-补拉成型加载的力与位移协同控制方式，借助于拉弯机运动原理图建立多曲率型材拉弯模型，确定夹钳运动轨迹，进行位移控制；具体工艺步骤如下：

1)多曲率件型材长度回弹量确定

长度回弹量 $l_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{mi}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{qi}}-R_{\mathrm{di}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{hi}},$

其中R_mi为模具曲率半径，R_mi＝R_di-ΔR_i，R_di为型材最内层设计曲率半径，ΔR_i为回弹曲率半径；α_qi为回弹前弯曲角；α_hi为回弹后弯曲角；

2)型材初始长度确定

通过零件设计长度尺寸l_d、夹钳印记长度尺寸l_f、型材伸长尺寸Δl、工艺余量l_g和长度回弹量l_s，确定型材初始长度尺寸：l₀′＝l_d+l_f+l_s+l_g-Δl，

其中型材伸长尺寸Δl根据弹性模量E和预拉力确定，即

E为弹性模量，N_b是预拉力值，经仿真确定最佳为1.25N₀，A是型材横截面面积，N₀为型材的屈服载荷；

3)加载过程

将模具紧固在转臂式拉弯工作台上，夹钳夹持型材后，采用拉伸-弯曲-补拉成型加载方式加载，

a)第一阶段：夹钳夹住型材端部进行预拉伸，使型材进入屈服状态，此时型材和模具并不接触，预拉力为1.25N₀，N₀＝E·A；

b)第二阶段：夹钳移动，型材和模具逐渐接触，在作动器作用下，支臂带动型材绕模具弯曲成形，弯曲作用力为1.25N₀，弯曲过程中，采用位移控制方式，夹钳按照设定的运动轨迹模型实现零件拉弯成形；

c)第三阶段：弯曲过程结束后，进行补拉工艺，加补轴向拉力完后不立即卸载，补拉力大于预拉力，进而消除模具与型材间的摩擦对轴向拉力的影响，经仿真分析确定最佳补拉力1.5N₀，此时型材轴向各部分的应力更均匀。

所述的运动轨迹模型按下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{J^{,}}=x_0+L\cos \mathrm{\α}-H\sin \mathrm{\α}-(S-s)\cos \mathrm{\θ}\\ y_{J^{\′}}=x_0+L\sin \mathrm{\α}+H\cos \mathrm{\α}-(S-s)\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，x_J′为-----夹钳运动横坐标，y_J′为-------夹钳运动纵坐标，

x₀为转臂支点的横坐标。

L为滑板在支臂上的位置，L＝O₂B

α为支臂转角，

θ为包绕角，

H为滑板高度H＝BD，

S为拉伸缸长度S＝JD，

s为拉伸缸移动距离。

本发明的显著特点和有益效果是：本发明涉及的拉弯成型新工艺，将转臂式拉弯成形方式、拉伸-弯曲-补拉成型加载方式与力及位移同时控制相结合，科学地确定零件初始长度、加载力、夹头运动轨迹等工艺参数，进而为提高金属型材拉弯制品的产品质量和制造精度提供技术支持。本发明提出的拉弯成型新工艺同时也为其它大尺寸的型材成形零件提供指导和依据。

本发明的创新之处：1、建立了多曲率件型材长度回弹量数学模型，从而可以精确确定零件毛坯型材初始长度，保证零件的成型质量；2、加载过程中采用力与位移协同控制方式，预拉力与弯曲拉伸力为1.25N₀，补拉力为1.5N₀；3、建立多曲率型材拉弯时夹钳的运动轨迹模型，进而实现位移的精确控制，提高零部件的成型精度。

附图说明

图1拉弯机结构模型；

图2拉弯机运动原理；

图3夹钳运动轨迹。

图中：1.转臂2.滑板3.夹钳4.转臂支点5.工作台6.模具7.对称轴8.型材9.液压缸10.作动筒

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以转臂式拉弯工作台为基础，采用拉伸-弯曲-补拉成型加载次序，选取力与位移协同控制加载方式。弯曲之前施加拉力1.25N₀，在弯曲过程中保持不变，之后施加1.5N₀的补拉力。

(1)多曲率件型材长度回弹量确定

考虑到回弹，模具曲率半径与零件设计半径、回弹半径关系可以表示为

R_mi＝R_di-ΔR_i                      (1)

其中R_mi为模具曲率半径，R_di为型材最内层设计曲率半径，ΔR_i为回弹曲率半径。

将ΔR_i＝KR_mi代入上式整理得

$R_{\mathrm{mi}}=\frac{R_{\mathrm{di}}}{1+K}---\left(2\right)$

其中K为回弹系数。

假设拉弯过程中型材内部与模具完全贴模，型材回弹后即可达到设计要求。

回弹角的表达式为

$\mathrm{\Δ\α}=(\frac{3{\mathrm{\σ}}_{0.2}}{E}\·\frac{R_{\mathrm{mi}}}{t}+K){\mathrm{\α}}_{\mathrm{qi}}---\left(3\right)$

回弹后弯曲角变为

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{hi}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{qi}}+\mathrm{\Δ\α}=(\frac{3{\mathrm{\σ}}_{0.2}}{E}\·\frac{R_{\mathrm{mi}}}{t}+K+1){\mathrm{\α}}_{\mathrm{qi}}---\left(4\right)$

故长度回弹量 $l_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{mi}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{qi}}-R_{\mathrm{di}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{hi}}---\left(5\right)$

其中Δα为回弹角；σ_0.2为条件屈服极限；α_qi为回弹前弯曲角；t为型材的厚度；α_hi为回弹后弯曲角。

(2)型材初始长度确定

设零件最内层轮廓线设计长度为l_d，其由零件毛坯型材初始长度l₀、型材伸长尺寸

Δl及长度回弹量l_s决定。即

l_d＝l₀+Δl-l_s              (6)

进而零件毛坯型材初始长度表示为l₀＝l_d+l_s-Δl           (7)

式中：l_d是零件设计尺寸；Δl是型材伸长量，可根据弹性模量E和预拉力确定，即

E为弹性模量，N_b是预拉力值，经仿真确定最佳为1.25N₀；l₀是零件毛坯型材初始长度，A是型材横截面面积；l_s为长度回弹量。

另外需要切除夹持印记，故需预留出夹持印记长度l_f，其根据选用的夹钳尺寸可知；为防止拉伸过程中断裂，需要预留夹具夹紧部分的工艺余量lg，取40mm即可，因此初始长度表达式为

l₀′＝l_d+l_f+l_s+l_g-Δl                   (8)

整理得 ${l_0}^{\′}=l_d+l_f+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{mi}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{qi}}-R_{\mathrm{di}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{hi}}+40-\frac{1500\·N_b}{E\·A+N_b}---\left(9\right)$

(3)加载过程

将模具紧固在转臂式拉弯工作台上，夹钳夹持型材后，采用拉伸-弯曲-补拉成型加载方式加载。

a)第一阶段：夹钳夹住型材端部进行预拉伸，使型材进入屈服状态，此时型材和模具并不接触。预拉力应等于或大于型材的屈服载荷N₀＝E·A。仿真结果表明：当预拉力1.25N₀时，预拉结束后型材各处都已进入屈服，且没有因拉伸过度引起变形或拉裂等现象，也能有效地控制回弹量。预拉力过大或过小，会出现回弹过大或变形断裂现象。

b)第二阶段：夹钳移动，型材和模具逐渐接触，在作动器作用下，支臂带动型材绕模具弯曲成形，弯曲作用力为1.25N₀。弯曲过程中，采用位移控制方式，夹钳按照设定的运动轨迹模型实现零件拉弯成形。

c)第三阶段：弯曲过程结束后，进行补拉工艺，加补轴向拉力完后不立即卸载，补拉力大于预拉力，进而消除模具与型材间的摩擦对轴向拉力的影响。经仿真分析确定最佳补拉力1.5N₀，此时型材轴向各部分的应力更均匀。

(4)运动轨迹的确定

在型材弯曲加工过程中，确定夹钳的运动轨迹进而实现位移控制。简化拉弯机的结构模型并建立拉弯机的机构运动原理图，设作动器AC由初始位置动作带动支臂O2C转过α角度到达O2C′位置，滑板BD跟随支臂运动到B′D′位置，过程中O₂B长度不变。在这个过程中，型材在模具表面的切点由T移动到了T′点，并包绕了θ角度；而同时拉伸缸JD(设JD长度为S)的夹钳J相对于拉伸缸移动距离s后到达新的位置J′(x_J′，y_J′)。

对于给定的运动机构，一旦模具在工作台上的位置确定，切点T和T′坐标确定，支臂转角α和型材的包绕角θ具有一一对应关系。T′坐标可表示为：

$x_{T^{,}}=\left\{\begin{array}{cc}{R}_1\sin \mathrm{\θ}& 0\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_1\\ R_2(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_1)+R_1\sin {\mathrm{\θ}}_1& {\mathrm{\θ}}_1\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_2\\ R_3(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_2)+R_2(\sin {\mathrm{\θ}}_2-\sin {\mathrm{\θ}}_1)+R_1\sin {\mathrm{\θ}}_1& {\mathrm{\θ}}_2\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_3\end{array}\right.---\left(10\right)$

$y_{T^{,}}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_T+R_1(1-\cos \mathrm{\θ})& 0\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_1\\ y_T+R_1(1-\cos {\mathrm{\θ}}_1)+R_2(1-\cos \mathrm{\θ})\mathrm{\θ}& {\mathrm{\θ}}_1\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_2\\ {y_T+R}_1(1-\cos {\mathrm{\θ}}_1)+R_2(1-\cos {\mathrm{\θ}}_2)+R_3(1-\cos \mathrm{\θ})& {\mathrm{\θ}}_2\≤\mathrm{\θ}\≤{\mathrm{\θ}}_3\end{array}\right.$

其中R_i为弯曲曲率半径。

已知支点坐标O₂(x₀，y₀)，滑板在支臂上的位置O₂B＝L，滑板高度BD＝H，当型材包绕角为θ时，拉伸缸支点坐标变为D’(x_D′，y_D′)，则弯曲包绕过程中满足关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{D^{,}}=x_0+L\cos \mathrm{\α}-H\sin \mathrm{\α}\\ y_{D^{\′}}=x_0+L\sin \mathrm{\α}+H\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(11\right)$

另外，在包绕过程中TD始终保持与胎具相切，则

$\frac{y_{D^{\′}}-y_{T^{\′}}}{x_{D^{\′}}-x_{T^{,}}}=\mathrm{tg\θ}=\frac{y_{D^{\′}}-y_{J^{\′}}}{x_{D^{\′}}-x_{J^{,}}}$

由式子(10)(11)(12)，根据型材包绕角θ和切点T′确定出支臂转角α。

|J′D′|＝|JD|-s＝S-s                (13)

其中s＝λθL₀，L₀为型材毛料长度；θ为包覆角；λ为拉伸变形程度控制系数。

整理上式(10～13)可得夹钳的运动轨迹表达式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{J^{,}}=x_0+L\cos \mathrm{\α}-H\sin \mathrm{\α}-(S-s)\cos \mathrm{\θ}\\ y_{J^{\′}}=x_0+L\sin \mathrm{\α}+H\cos \mathrm{\α}-(S-s)\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(14\right)$

Claims (1)

1.一种车体角钢构件拉弯成型工艺，其特征在于，包括建立多曲率件型材长度回弹量数学模型，精确确定零件毛坯型材初始长度，加载过程选取拉伸-弯曲-补拉成型加载的力与位移协同控制方式，借助于拉弯机运动原理图建立多曲率型材拉弯模型，确定夹钳运动轨迹，进行位移控制；具体工艺步骤如下：

1)多曲率件型材长度回弹量确定

长度回弹量 $l_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{mi}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{qi}}-R_{\mathrm{di}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{hi}},$

其中R_mi为模具曲率半径，R_mi＝R_di-ΔR_i，R_di为型材最内层设计曲率半径，ΔR_i为回弹曲率半径，ΔR_i＝KR_mi，K为回弹系数；α_qi为回弹前弯曲角；α_hi为回弹后弯曲角；

2)型材初始长度确定

通过零件设计长度尺寸l_d、夹钳印记长度尺寸l_f、型材伸长尺寸Δl、工艺余量l_g和长度回弹量l_s，确定型材初始长度尺寸：l₀′＝l_d+l_f+l_s+l_g-Δl，

其中型材伸长尺寸Δl根据弹性模量E和预拉力确定，即

E为弹性模量，N_b是预拉力值，经仿真确定N_b＝1.25N₀，A是型材横截面面积，N₀为型材的屈服载荷；

3)加载过程

将模具紧固在转臂式拉弯工作台上，夹钳夹持型材后，采用拉伸-弯曲-补拉成型加载方式加载，

a)第一阶段：夹钳夹住型材端部进行预拉伸，使型材进入屈服状态，此时型材和模具并不接触，预拉力为1.25N₀，N₀＝E·A；

b)第二阶段：夹钳移动，型材和模具逐渐接触，在作动器作用下，支臂带动型材绕模具弯曲成形，弯曲作用力为1.25N₀，弯曲过程中，采用位移控制方式，夹钳按照夹钳的运动轨迹模型实现零件拉弯成形；

c)第三阶段：弯曲过程结束后，进行补拉工艺，加补轴向拉力完后不立即卸载，补拉力大于预拉力，进而消除模具与型材间的摩擦对轴向拉力的影响，经仿真分析确定补拉力取值为1.5N₀，此时型材轴向各部分的应力更均匀；

4)确定夹钳运动轨迹

夹钳运动轨迹模型确定按下式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{J^{,}}=x_0+L\cos \mathrm{\α}-H\sin \mathrm{\α}-(S-s)\cos \mathrm{\θ}\\ y_{J^{\′}}=x_0+L\sin \mathrm{\α}+H\cos \mathrm{\α}-(S-s)\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，x_J′为-----夹钳运动横坐标，y_J′为-------夹钳运动纵坐标，

x₀为转臂支点的横坐标，

L为滑板在支臂上的位置，

α为支臂转角，

θ为包绕角，

H为滑板高度，

S为拉伸缸长度，

s为拉伸缸移动距离。

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