轨道交通车辆不锈钢型材无余量拉弯成形工艺研究

轨道交通车辆不锈钢型材无余量拉弯成形工艺研究

王震 ,邢丰祺 ,康奥,王会民

中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062

摘要：

随着轨道车辆的快速发展和对材料要求，高强度不锈钢车钢结构设计，从结构设计、材料的选择、型材断面的设计、主要零部件的设计，加工精度有了更高标准。不锈钢成形技术在轨道车辆的生产中被大量应用，拉弯是不锈钢车体型材构件的主要成形方法，拉弯成形工艺过程复杂，不锈钢型材变形困难，导致拉弯构件容易出现褶皱，截面畸变和轮廓精度差等缺陷，严重影响了产品质量和成品率，由于不锈钢型材尺寸大，截面复杂，质量精度要求高，成形难度大，缺陷多，不锈钢型材拉弯成形已经成为高质量制造技术瓶颈。其主要原因在于型材通过拉弯成形后截面畸变小以及回弹量小等优势。拉弯成形工艺主要有解析计算法，实验分析法和有限元数值模拟分析，其中使用有限元模拟法可以缩短生产周期提高成形质量和材料利用率，降低成本。采用仿真分析方式论证了不锈钢型材无法实现无余量拉弯，可以在不锈钢型材拉弯中实现少余量成形。研究成果有助于提高材料利用率，降低现场材料浪费率。

关键词： 不锈钢型材  拉弯成形   回弹   有限元仿真

前言

轨道交通车辆不锈钢冲压件的形状精度对于保证产品的寿命与安全具有至关重要的作用。随着轨道交通车辆速度等级的提升，车体钢结构采用A型车标准，车体纵向能够承受36.3t压缩载荷，此数值是欧洲标准的2.5倍。侧墙结构、车顶结构工艺控制有重大变化，不锈钢拉弯成形件是主体结构承载部位。对不锈钢冲压件产品质量提出了更高的要求，不仅要求不锈钢冲压件具有较高的形状精度，也要求其形状精度具有长效的稳定性。

1.不锈钢型材拉弯成形现有问题描述

不锈钢梁柱类工件是城铁车车体结构的主要组成部分。此类工件为厂内自制件，成形工艺过程为折弯-拉弯-切头，即由不锈钢板料先折弯为长直帽形梁。再通过拉弯成形工艺得到弯曲型材，最后通过切头工序得到最终产品件。

拉弯成形过程中为了防止坯料和设备干涉，一般在胎具两端预留一定长度的工艺余量;此外，较大的工艺余最也有助于缓解拉弯过程中型材中心位置的变形剧烈程度。但是实际生产过程中并未明确拉弯过程中两侧的工艺余量的值，生产中预留了较大的工艺余量，造成了显著的材料浪费。

以B型车不锈钢立柱为例，不锈钢立柱工件轴向由两段长度不同的直线段组成，两直线段交接位置为半径1000mm的圆弧。立柱工件的有效长度(展开长度)为2156.2mm。实际生产过程中，技术文件中拉弯工艺实施中的坯料长度为3000mn。材料的有效利用率仅为71.9%。以拉弯成形中材料的单侧夹持区域长度150mm计算，拉弯成形工艺中坯料的工艺余量为543.8mm。

2.不锈钢型材无余量拉弯成形主要研究内容

(1)降低工艺余量对立柱拉弯成形效果有无显著影响。

(2)在不影响拉弯工艺的实施性，以及符合拉弯件质最要求的前提下。获取立柱拉弯过程中的最小工步余量。其中立柱拉弯成形效果以立柱工件成形后的断面收缩量、翼面平度、立边高度以及圆弧部位的成形后的应力值量化。

3.不锈钢型材无余量拉弯成形研究方案

研究中计划采用有限元仿真与实验相结合方式。首先进行不同工艺余量长度下坯料拉弯成形试验方案确定，在最小工艺余量确定过程中，采用递减法进行最小工艺余量获取。在坯料长度设计时，在原3000mm方案前提下进行递减在便于坯料长度设计的前提下，得到的研究方案一，工艺余量543.8mm,材料利用率71.9%；在坯料长度2800mm时，得到的研究方案二，工艺余量343.8mm，材料利用率77.2%；在坯料长度2600mm时，得到的研究方案三，工艺余量143.8mm,材料利用率82.9%。其次，建立型材拉弯有限元仿真模型，通过有限元分析手段对比不同工艺余量下工件成形后的效果，并确定适用于实际生产过程中的最小工艺余量。最后，在仿真结果基础上进行工艺试验，验证优化后的方案的在实际生产中的适用性与准确性。

型材拉弯的有限元模型，主要部件包括不锈钢型材和拉弯胎两部分。为了便于仿真计算，将拉弯胎简化为刚体壳结构。在立柱工艺仿真中，型材一侧固定，另一侧为加载端，型材的加载采用位移控制模式。型材和拉弯胎之间采用库伦摩擦类型，摩擦系数设置为0.1，型材采用C3D8R壳单元进行网格划分，单元尺寸为3mm，拉弯胎采用C3D8R壳单元进行网格划分，单元尺寸为8mm。

4.结果分析

型材拉弯后的成形效果。可以得出，型材拉弯成形后的变形集中部分主要位于中心圆弧位置以及靠近运动侧的夹钳位置，且靠近夹钳位置的型材变形剧烈程序超过中心圆弧位置的变形程度。这是由于，在实际成形中，型材逐渐和拉弯胎贴靠，已经贴靠的部分几乎不再发生变形，变形剧烈均集中在外侧工艺余量部分。后续通过激光切头工序将该部分型材切除。因此，在确定最小工艺余量的研究中，必须将夹钳位置的变形集中区控制在工艺余量的范围内，才能保证切头工序后的型材有效部分不受影响。在有限元仿真结果中分别提取不同工艺方案下型材拉弯厚的断面收缩量、翼面不平量、不同部位的应力值、以及回弹后的轮廓偏差数据。

方案一，断面收缩量1.10mm，翼面不平量0.13mm，圆弧位置应力值421.4Mpa,夹钳位置应力值509.2Mpa，轮廓偏差0.27mm；方案二，断面收缩量0.92mm，翼面不平量0.13mm，圆弧位置应力值400.4Mpa,夹钳位置应力值515.3Mpa，轮廓偏差0.25mm；方案三，断面收缩量0.71mm，翼面不平量0.12mm，圆弧位置应力值375.1Mpa,夹钳位置应力值514.9Mpa，轮廓偏差0.33mm。

从上述三种方案得出，由于本文中选型的工件结构形式比较简单，并未包含大曲率、复杂形状，因此。工件成形后并未出现明显的质量缺陷。随着工艺余量的下降，工件的中心圆弧位置的断面应力值和断面收缩量均下降，但是变化量并不显著。同样，夹钳位置的最大应力值也说明，不同的工艺余量长度对工件的整体变形程度影响甚微。在方案三中，受夹钳作用影响，变形剧烈区域的长度为372mm。已经延伸至工件的有效区域内，在实际生产中，一般要抛除夹钳作用导致的质量影响，将夹钳影响区域控制在工艺余量范围内。以此，推荐采用方案二。

5.试验验证

立柱的回弹量随着预拉量的不断增大而逐渐减小，并且截面扭曲缺陷有所改善，但效果不明显，立柱的回弹量随着补拉量的不断增大也逐渐减小，特别是立柱的侧面弯曲随补拉的增大效果得到明显改善，立柱的回弹量随着包覆拉伸量的不断增大而逐渐减小，效果比较明显，包覆拉伸量是实际生产中有效控制回弹的主要方式之一。由于进一步加大拉伸量会导致型材被拉裂，所以还需通过补偿法来修正模具，从而校正型材的轮廓精度，根据模拟得到的最佳工艺参数及修正后的模具型面补偿量，在V50张臂式拉弯机器上进行拉弯成形试验，工艺技术通知中明确坯料长度为2800mm。并采用形状检测胎和卡尺共同检测工件的成形质量。工件的成形后精度满足工艺文件要求。

6.经济效益分析

本课题中选用的研究对象为目前城铁车中应用最多的B型车立柱工件，单车中包含30根立柱，根据现阶段月产70列车的生产计划，年产立柱25200根。根据本文研究成果，以每根立柱减少坯料长度200mm计算，每年可减少材料浪费7560kg，直接经济利益约为18万元。

7.结论

⑴采用仿真分析方式论证了不锈钢型材无法实现无余量拉弯。在型材拉弯逐渐靠模过程中，已贴模部分不再发生变形，变形集中在靠近夹钳位置未变现区域。拉弯结束后，累计作用导致靠近夹钳位置处变形剧烈。因此，需切除该部分，避免对中心有效区域的影响。

⑵可以在不锈钢型材拉弯中实现少余量成形。采用递减法逐渐减少坯料的长度，结果表明:对于不锈钢立柱，工艺余量对成形质量几乎没有显著的影响，在考虑工艺实施性和安全性的前提下，可以将坯料长度降低至2800m。

参考文献

[1]王敏.不锈钢车顶弯梁拉弯成形数值模拟，长春:吉林大学,2017.

[2]谷诤巍，刘化民.不锈钢型材拉弯成形工艺模拟研究，模具工业,2006(08).