吳萍

摘要：文章提出了一種鋁合金車端部排水管成型工藝的簡化方法，由壓型工藝簡化為折彎后手工彎曲再焊接成型的方法，然后通過對零件外形的處理得到可展的三維模型，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的自動展平。

關(guān)鍵詞：鈑金成型;工藝簡化;鈑金展開;自動展平

Key words： sheet metal forming;process simplification;sheet metal unfold;automatic flattening

0 ?引言

鈑金件具有輕便、強度高、可批量生產(chǎn)和成本低等特點，隨著鈑金件的應(yīng)用越來越廣，鈑金成型工藝的設(shè)計也成為產(chǎn)品開發(fā)過程中很重要的一部分。一方面要使得鈑金滿足產(chǎn)品的功能和外觀等要求;另一方面可以簡化模型進而簡化生產(chǎn)工藝，達成生產(chǎn)成本低以及生產(chǎn)效率高的目的[1]。鋁合金車端部排水管焊接在端墻外側(cè)，主要作用是排出頂棚積水，對零件本身的強度和精度要求不高，只需要做出側(cè)彎的角度從而與側(cè)墻的弧度相匹配。如果采用壓型工藝，則需要設(shè)計模具將壓力機的垂直運動轉(zhuǎn)化為模具的水平運動來完成零件的成型，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且要在成型時對內(nèi)部進行填充，防止截面變形，工藝過于復(fù)雜。本文提出了一種簡易的成型方法來實現(xiàn)端部排水管的彎曲變形，并獲得了可展的三維模型，實現(xiàn)了產(chǎn)品的自動展平。

1 ?地鐵鈑金件成型方法簡介

地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)由大量鈑金件構(gòu)成，在保證車體強度的同時還能實現(xiàn)車體輕量化。目前軌道交通行業(yè)的成型工藝主要包括：折彎、拉彎、翻邊、拉深等。下面主要介紹折彎成型和拉彎成型2種工藝。

1.1 折彎成型

折彎成型是將平直板材或管材等型材的毛坯或半成品，用模具或其他工具彎成具有一定角度或一定形狀制件的加工方法，是沖壓的基本工序之一。

1.1.1 折彎件展開尺寸的計算

彎曲圓角區(qū)內(nèi)，材料外層的纖維受拉，伸長，內(nèi)層的纖維受壓，縮短，而材料纖維長度不變的那一層，稱為中性層。中性層位置見圖1。當(dāng)材料厚度、彎曲圓角半徑和彎曲方法不同時，中性層的位置也不同。一般認(rèn)為，圓角區(qū)內(nèi)的中性層是彎曲件內(nèi)圓角半徑的同心圓，其半徑按下式計算：

R=r+K*t

式中 R——從彎曲件內(nèi)圓角半徑的中心至中性層的距離;r——彎曲件內(nèi)圓角半徑;K——中性層系數(shù)，它與相對彎曲圓角半徑r/t關(guān)系見表1;t——材料厚度。

彎曲件的展開長度，是根據(jù)彎曲中性層長度不變的原理進行計算的。其展開長度等于直線部分的長度與彎曲部分中性層的長度之和。（表1）

1.1.2 折彎機的模壓成型

通過折彎模具除可進行常規(guī)的一定角度的彎曲成型以外，還可進行模壓成型，對于地鐵成型件中最為常見的壓馬腿結(jié)構(gòu)尤為適用。圖2為西安6號線的窗中板，其一側(cè)有1.5mm深的馬腿搭接結(jié)構(gòu)，如果設(shè)計壓力機上使用的模具則需要配上下模板及定位裝置，模具尺寸較大，操作不便，而通過折彎模的設(shè)計則可以完全避免這些問題，模具長度500mm一段，上模方便，且可以實現(xiàn)設(shè)備自動定位，只要馬腿深度不變，馬腿長度可通過折彎機定位檔位置進行調(diào)節(jié)。折彎模結(jié)構(gòu)如圖3所示。此外，還可通過調(diào)整工藝順序避免新做模具，如圖4所示門上梁，利用折彎模先壓兩側(cè)馬腿后再進行折彎，便可少制造一套模具。

1.2 拉彎成型

拉彎成型是指坯料在彎曲的同時加以切向拉力，邊拉伸邊彎曲，改變坯料截面內(nèi)的應(yīng)力為拉應(yīng)力的一種彎曲成型工藝。該工藝能夠改善構(gòu)件截面內(nèi)的應(yīng)力分布，減小回彈，提高成型精度，同時消除起皺現(xiàn)象，是大曲率半徑構(gòu)件成型的有效方法。目前，在地鐵車輛中頂棚彎梁、側(cè)墻立柱、端頂彎梁、門扣柱均由拉彎成型。

型材拉彎成型是由成型件尺寸、型材截面形狀、材料性能、成型工藝參數(shù)等多因素耦合交互作用的復(fù)雜成型過程，成型件的質(zhì)量較難控制。單純地采用試驗研究和理論解析方法，難以準(zhǔn)確地、有把握地解決拉彎成型的生產(chǎn)實際問題。應(yīng)用有限元軟件模擬型材拉彎成型過程，能夠比較準(zhǔn)確預(yù)測變形趨勢及可能發(fā)生的起皺、破裂等成型缺陷，在回彈等的計算上也有一定的精度，借助有限元仿真分析能夠?qū)に噮?shù)進行優(yōu)化，從而提高零件成型質(zhì)量。

Cyril Bath公司生產(chǎn)的拉彎機自帶軟件為PS2F軟件。該軟件能夠?qū)π筒膹埍凼嚼瓘澾^程進行仿真，對型材拉彎的可行性進行判斷，根據(jù)型材零件的形狀特點和摩擦接觸狀態(tài)來自動優(yōu)化夾鉗加載軌跡，能夠計算回彈量，并對模具型面進行相應(yīng)的補償。根據(jù)仿真優(yōu)化的結(jié)果及具體的型材拉彎設(shè)備，PS2F軟件能夠自動生成相應(yīng)的數(shù)控代碼，從而驅(qū)動機構(gòu)的可靠運動，并且避免了僅憑個人經(jīng)驗及通過試驗確定加工參數(shù)的困難。通過數(shù)值模擬可以計算拉彎過程中截面的收縮量，為夾頭設(shè)計提供參考，同時可以依據(jù)經(jīng)驗獲得預(yù)期回彈的拉彎胎輪廓曲線。模擬生成的拉彎程序以位移和角度顯示，方便調(diào)整。圖5是拉彎生產(chǎn)的頂棚彎梁。

2 ?零件分析

圖6所示零件為尼日利亞阿布賈內(nèi)燃動車組端部排水管（左），右件與其為對稱結(jié)構(gòu)。材質(zhì)為鋁合金5083-H111，板厚3mm。成型后的角度卡樣板檢查間隙應(yīng)小于1mm。

3 ?工藝分析

彎曲件的傳統(tǒng)成型方法是折彎后進行壓型，但此件為水平方向彎曲，需通過模具結(jié)構(gòu)將壓力機的垂直運動轉(zhuǎn)化為模具的水平運動，從而實現(xiàn)零件的彎曲成型，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。由于該零件只是起到排水作用，對其強度要求不高，且數(shù)量較少，經(jīng)工藝分析決定對成型工藝進行簡化，通過折彎后手工彎曲再焊接獲得所需角度。要想在零件折彎后通過較小的力對其彎曲，則意味著在彎曲處只能是單層板。假設(shè)圖6，A-A剖的P面在彎曲角度相交處有一道寬度等于板厚的焊縫，如圖7所示。表面看來零件需要折兩道彎以實現(xiàn)該角度，但由于M面垂直于紙面，在該焊縫越過折彎線的情況下，若零件處于自由狀態(tài)則該焊縫將會張開角度使M面回彈，使本來呈一定角度的兩道彎變成一道彎，如圖8所示。因此端部排水管的成型問題簡化為折一道彎后由手工進行彎曲至圖7的狀態(tài)然后進行焊接成型。

4 ?可展三維模型的創(chuàng)建和自動展平

對成型工藝進行簡化后問題轉(zhuǎn)化為如何獲得正確的展開料尺寸使得零件在折彎后進行彎曲時，焊縫合攏能夠恰好獲得零件所需的彎曲角度，從而減少操作工序，避免每個零件彎曲時都需要卡樣板后再進行焊接。由于折彎角度為45°，因此圖8中的角度絕不是零件上下兩個角度4.834°和3.872°的簡單加和。如果采用傳統(tǒng)的手工幾何展開算法，則費時且誤差大，需要多次下料試折彎直至獲得準(zhǔn)確的角度。而采用三維的計算機輔助自動展平下料會更加準(zhǔn)確、直觀。目前被企業(yè)廣泛采用的三維數(shù)字化建模軟件主要有Pro/E、UG和CATIA等[2]。如果完全按圖紙進行建模，則由于彎曲圓弧R1005.5的存在無法實現(xiàn)軟件的自動展平?？紤]到工藝上的可行性，需要對模型進行優(yōu)化處理，將圓弧兩側(cè)的切線延長相交，從而獲得可展的三維模型。應(yīng)用Creo軟件進行三維建模，通過掃描功能生成優(yōu)化的三維模型，然后將實體模型轉(zhuǎn)化為鈑金零件，在切線相交處拉伸出焊縫后即可實現(xiàn)鈑金件的自動展平，如圖9所示，并且方便地輸出其坯料二維圖，供激光切割下料。

5 ?結(jié)論

從上述的分析可以看出，通過對端部排水管成型工藝的簡化，避免了復(fù)雜模具的設(shè)計及制造，在滿足工藝要求的情況下通過折彎后手工彎曲再焊接的方法實現(xiàn)了零件的成型，節(jié)約了大量成本。同時為獲得零件的精確展開圖，對模型進行了優(yōu)化，建立了可展的三維模型，應(yīng)用Creo軟件自動展平，獲得了供激光下料的坯料二維圖。通過實際生產(chǎn)證明，該方法簡便易行，大大縮短了生產(chǎn)制造周期。

參考文獻：

[1]劉玲.鈑金件加工工藝的優(yōu)化設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2016，12，81.

[2]金朝海，周賢賓.基于PS2F的鋁型材拉彎回彈研究[J].塑性工程學(xué)報，2007，3，2.

[3]周建華.一種天圓地方鈑金的自動展平方法[J].制造業(yè)自動化，2009，5，108.