高速列車用鋁型材精整工藝參數的研究

(1.太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024;

2.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西太原 030024)

(1.太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024;

2.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西太原 030024)

介紹了高速列車用鋁型材的精整過程，運用Ansys有限元分析軟件，建立該鋁型材精整過程的有限元模型，分析了鋁型材精整過程中的應力、應變、壓下位移等的變化規律。當t=6 s時，應力值開始達到鋁型材的屈服極限σs，之后開始進入塑性變形;當t＞12 s時，應力超過了鋁型材的強度極限，壓下行程大于10 mm，型材發生破壞性的塑性變形。該研究為優化異型截面型材的精整工藝提供了理論參考。

異形截面型材精整機;精整壓下行程;高鐵車輛用鋁型材

0 前言

精整是指金屬塑性加工后，為滿足用戶對產品在表面質量、尺寸、外形和某些性能方面的最終要求而進行的一道重要工序。主要包括火焰清理、熱加工后的冷卻、卷取、切斷、矯直、缺陷的物理檢測等方面。精整機是完成此工序之一的重要設備。在當前的精整技術和設備的研究中，大部分集中在鋼板，對鋁型材特別是異型截面的高鐵車輛用鋁型材的精整研究還比較少。與普通的鋼板不同，軌道交通用鋁合金特種型材，生產難度大，技術要求高，其不但要求大型(均有10余米長，甚至30 m)、大斷面、整體、薄壁、扁寬、斷面形狀復雜、壁厚差大，而且對力學性能、焊接性能、抗腐蝕性、尺寸精度和質量要求都特別高［1］。異型截面鋁型材經過擠壓-拉伸矯直之后，還存在表面缺陷、斑點及扭曲變形，這就需要對其進行精整加工，以達到產品的質量要求。

長期以來，精整工藝的實施多由工人憑經驗和估計精整壓下行程，反復測量和試驗，這種方法不僅效率低，勞動強度高，而且不易保證精度。在使用異型截面鋁型材精整機對型材進行精整加工的過程中，對精整壓下行程的設定要求較高，否則會達不到消除型材表面缺陷，實現精整的目的，同時還會在精整輥與型材接觸的表面出現凹陷變形，嚴重影響了鋁型材的精整質量，甚至產生廢品。因此，有必要對高速列車用鋁型材的彈塑性回彈進行預測，分析精整壓下行程鋁型材的精整質量的影響，為異形截面型材精整機的工藝參數的優化提供理論參考。該套系統是軌道車輛如地鐵、輕軌、高速列車等車體生產線上必不可少的關鍵設備。

1 異型截面鋁型材精整機組的組成與結構

如圖1所示，型材精整機組主要由左右機架、底座、驅動裝置、精整裝置、壓下裝置以及電氣控制裝置等部分組成。其中驅動裝置主要包括由上、下兩個驅動輥，鋁型材在壓力的作用下被夾持在兩個驅動輥之間，在其接觸處產生摩擦力，并依靠此摩擦力來運送鋁型材，從而實現鋁型材的勻速運動。精整裝置主要是由八個精整輥組成的，其中入口側4個，出口側4個，每個精整輥均安裝有分度裝置，可以實現任何角度的旋轉，能夠滿足多種異型截面和表面質量的精整。所有的精整輥、驅動輥均是由尼龍材料制成的，可以有效地避免輥子在鋁型材上產生刮痕，保護鋁型材的表面質量。

圖1 型材精整機組圖Fig.1Picture of finishing unit

2 高速列車用鋁型材的基本參數

高速列車用鋁型材的種類繁多，但是所用的型材都具有斷面尺寸大、形狀復雜、壁厚相差懸殊、寬厚比大、長度一般在10 m以上，而且形位公差和尺寸精度要求都很高。本文主要選用空心的6005A鋁型材做分析研究，其截面的三維結構如圖2所示。基本性能參數及化學成分見表1、2。

圖2 6005A鋁合金三維結構圖Fig.2Three-dimensional structure of 6005A alloy

表1 6005A基本性能參數Tab.16005A performance parameters

表2 6005A鋁合金的主要化學成分Tab.2Main chemical composition of 6005A alloy%

3 鋁型材精整的Ansys分析

鋁型材的精整是通過對彎曲的型材施加一定的載荷(力或者精整壓下行程)，使工件產生彈塑性變形，然后卸載回彈的過程［2］。因為高鐵車輛用鋁型材經過擠壓、拉伸矯直之后的表面缺陷、殘余的彎曲變形程度不同，所以本文選擇表面平直的鋁型材進行實體建模［3］。選取的6005A鋁型材的尺寸規格:截面尺寸330 mm×55 mm，長度為2 000 mm。采用大型有限元分析軟件，對高鐵車輛用鋁型材進行精整壓下行程的Ansys非線性結構分析。

針對車輛用鋁型材的寬厚比值較大及精整時壓彎量相對較小的特點，為了簡化計算，本文進行以下假設:忽略材料沿帶寬方向的變形對彎曲變形的影響;忽略鋁型材精整速度對屈服強度的影響;忽略鋁型材厚度方向的變形對彎曲的影響;忽略精整過程中摩擦對材料變形的影響［4］。忽略精整過程中精整輥和鋁型材的接觸點位置對精整的影響。

3.1 單元的定義

采用三維實體單元solid164進行精整模擬，solid164單元是一種8節點實體單元，被用于三維的顯示結構實體，節點具有X、Y、Z方向的平移、速度和加速度的自由度［5］。該單元沒有實常數，但該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變能力，且有利于沙漏控制的積分縮減。

3.2 材料屬性的定義

鋁型材定義為變形體，上下四個精整輥均定義為剛體，其中下部分四個精整輥的所有的旋轉、平動自由度均被約束。上部分的四個精整輥除了沿Z方向平動自由度(RUBZ)不加約束之外，其余的五個自由度均被約束。分別輸入材料的密度、彈性模量、泊松比等參數。其中鋁型材的材料屬性參數見表2，尼龍的彈性模量E=28 GPa，μ=0.4。

3.3 鋁型材精整模型

在建立模型的時候，為了簡化模型，減少網格的數量和計算時間。將所有的輥子都定義為剛體，這樣只需給出輥子的外輪廓模型即可，不需要具體的形狀結構，并且將鋁型材長度取為2 m，實際鋁型材的長度一般為7～10 m。由于鋁型材的截面形狀比較復雜，模型建好之后，選用智能劃分，可以縮短網格劃分的時間。在ProE上建立好的鋁型材精整模型如圖3所示。

圖3 鋁型材精整模型Fig.3Aluminum profile finishing model

3.4 設定精整參數

由于將精整輥設置為剛性體，所以只能將載荷加到PART號上，而且載荷類型為速度和轉速。由于型材精整機所精整的鋁型材的品種具有一定的范圍，精整速度應相應進行調整，根據產品的規格，給上部分四個精整輥施加一個勻速向下的速度v=1 mm/s［6］。在實際的精整過程中，鋁型材運行的速度比較小，為了簡化模型，忽略鋁型材的進給速度，即將其視為靜止的。

3.5 模擬精整的結果分析

圖4、圖5、圖6分別為模擬精整過程中，精整輥與鋁型材接觸的最大變形區域處的部分節點單元在Z方向的壓下行程、應力和應變隨時間變化的曲線圖。其中B表示的精整輥與鋁型材接觸位置處的節點單元，A、C為鋁型材變形區域最大撓度之間的兩節點單元的曲線。D、E、F分別為變形區域在縱向上選取的三個節點單元的曲線。比較這六條曲線可以看出，變形處的鋁型材內部的所有節點隨位置的不同，其壓下行程、應力和應變值也不一樣，但是其形狀都基本上相似，都符合鋁型材在精整過程中的變化規律。

在精整輥以一定的壓下速度往下壓鋁型板材時，隨著精整行程的進行，殘余應力不斷變大，當t=6 s時，應力值開始達到鋁型材的屈服極限，之后漸漸超過屈服極限，開始進入塑性變形，如圖7所示。

隨著塑性變形的逐漸變大，伴隨著精整過程和加工硬化，達到鋁型材的強度極限后，開始發生破壞性的塑形變形。當t＞12 s之后，應力值超過400 MPa，已經超過了鋁型材的強度極限，壓下行程大于10 mm，已經遠遠超過精整的理論值，此時型材已經發生破壞性的塑性變形，型材已逐漸被壓壞，上表面、側面以及內肋板都出現永久性凹坑與突凸變形，變成廢品，如圖8所示。

圖8 鋁型材破壞之后的截面圖Fig.8Aluminum profile section after damaged

4 結束語

本文通過運用大型分析軟件ANSYS對高速列車用6005A鋁型材的表面精整過程進行了動態模擬，得出了壓下行程、應力和應變隨精整時間的變化的曲線圖。通過分析曲線圖。可以得到鋁型材的精整加工過程中的壓下行程與鋁型材表面的精整質量的關系，為鋁型材的精整加工提供了最佳的工藝參數參考，減少了由于人為失誤而導致工件的破壞與報廢。

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高速列車用鋁型材精整工藝參數的研究

吳雨蘭1，郝建軍1，黃慶學2

Study on finishing process parameters of high-speed train aluminum profile

WU Yu-lan1，HAO Jian-jun1，HUANG Qing-xue2
(1.Academy of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China; 2.Taiyuan University of Science and Technology，Engineering Research Center of Heavy Machinery Ministry of Education，Taiguan 030024，China)

This paper introduces finishing process for high-speed train aluminum profile.Finite element model of the finishing is established based on Ansys.The changes of aluminum profile stress，strain and pressure displacement in finishing are analyzed.When t=6 s，aluminum stress value just reach to it's σs，after get into the plastic deformation;When t＞12 s，the stress passes it's ultimate strength，and then rolling reduction is more than 10 mm，the profile is in a destructive plastic deformation.The study provides a theoretical reference for optimizing finishing process of aluminum profile.

deformed section;finishing machine;high-speed train aluminum profile

TG333.4

A

1001-196X(2014)05-0029-04

2014-02-20;

2014-04-12

吳雨蘭(1989-)，女，太原科技大學碩士研究生。