鋁合金型材彎曲成形制造技術

楊興亮

鋁合金擠壓型材由于其具有良好塑性、輕量性、耐腐性、高比強度（2、6、7系列鋁合金材料可進行時效強化處理以獲得更高強度）、表面處理等特點，被大量采用彎曲成形制作各種彎曲件，廣泛應用于軌道交通車輛、航空航天器材、物流輸送軌架、汽車輪船骨架、建筑幕墻結構件、醫療器械滑軌、家居裝飾等諸多領域。彎形件的設計要求也呈現多樣化及功能化，隨著科學技術及工藝裝備的不斷提高，彎曲工藝也呈現多元化發展。國外彎形技術已有三四十年的發展史，工藝技術力量雄厚。但我國高端產品的開發制造僅局限于軌道車輛型材廠及航空航天制造廠等大型企業，技術壟斷性強，國內整體彎曲成形制造技術實力比國外還有明顯差距。

型材彎曲工藝按照彎形設備和彎形工藝原理的不同可分為：拉彎成形（兩維、三維）、輥彎成形、壓彎成形、繞彎成形。按照工件形狀的不同又可分為：二維彎形工件（見圖1）、空間三維彎形工件（見圖2）。

下面，按照彎形設備和彎形工藝原理對彎形工藝進行歸類總結。

1.拉彎成形工藝

（1）拉彎成形工作原理（二維）拉彎過程基本分為3個步驟：第一步，設備拉伸缸鉗口夾住材料并給型材施加預拉伸力，達到材料屈服強度。第二步，拉彎機回轉缸加載彎曲回轉，拉伸缸按照程序設定軸向拉力，使型材圍繞拉彎模具做貼合運動而使材料成形。第三步，根據材料變形回彈情況增加補拉伸（拉彎設備結構示意見圖3）。拉彎成形過程中，工件在彎曲的同時，拉伸缸始終給工件施加軸向拉力，材料長度伸長部分始終被拉伸缸牽引補償，這就避免了材料的起皺趨向，能夠得到良好的弧度效果。

（2）拉彎成形工藝特點 工藝優點：①能夠拉彎成形結構復雜的型材斷面。②可實現多弧段變曲率的型材拉彎成形。③彎弧精度高，材料回彈穩定，工件尺寸的一致性好。④可有效消除材料內部的殘余應力，產品尺寸穩定性好。⑤由于金屬材料的冷作硬化，材料經拉彎后，可改善材料的力學性能。工藝缺點：①拉彎產品斷面尺寸大小受設備噸位及鉗口尺寸的局限。②拉彎模具投入成本大，模具通用性差。③對于不對稱的型材截面，拉彎件截面變形控制難度大。

（3）拉彎成形工藝關鍵技術 拉彎工件的弧度設計原則以不超過材料的伸長率為限度，拉彎成形中將出現型材壁厚變薄斷裂、起皺、截面畸變等成形缺陷，這些成形缺陷與型材的力學性能、截面形狀及拉彎工藝參數等因素密切相關。

圖1 車輛骨架型材二維工件

圖2 軌道車輛骨架空間三維工件

拉彎過程中材料變形區各部分的應力狀態不同，中性層以外材料受拉應力作用，中性區以內材料（與拉彎模具貼合）受壓應力作用，為使材料不至于受壓應力產生起皺現象，預拉伸力要足夠，使材料產生屈服拉伸，相應的中性層以外的金屬將受到更大的拉力作用，出現壁厚減薄，并有斷裂傾向。所以如何平衡材料不產生起皺并且中性層外側金屬不出現斷裂，避免型材截面尺寸變形過大，是確定拉彎工藝參數的兩個關鍵考慮因素。

式中F拉——拉彎機拉伸缸所需拉力（N）；

S截面——拉彎材料的截面面積（mm2）；

σs——材料的屈服強度（MPa）。

材料屈服強度值取1.25倍的安全系數，確保設備不在最大拉力負荷下工作，設備最大拉伸力大于公式計算出的材料所需拉力值，說明設備拉伸能力滿足材料拉彎力要求。

（5）三維拉彎機及三維拉彎關鍵技術 三維拉彎設備的主機架由安裝在地基上的焊體框架結構組成，如圖4所示，主機架用來支撐可旋轉的拉伸搖臂2及液壓缸。在機架的頂部裝有可安放模具的工作平臺1。兩個拉伸缸托架9分別安裝在搖臂2的上部，通過電驅動螺旋導桿實現電動定位以適應不同長度的工件。每個搖臂2上均配備拉伸缸4。零件的扭曲通過一個裝在拉伸缸4后面的帶齒輪箱的液壓馬達7來實施。拉伸缸4通過萬向節安裝在托架9上，萬向節使夾鉗8鉗口能向前或向后自由地旋轉。夾鉗升降缸5實現在拉伸過程中拉伸缸4的逐漸抬升，夾鉗俯仰缸6可以使拉伸缸4實現上下俯仰，托架9上的運動副所有動作（拉伸—提升—俯仰—旋轉）使工件在整個成形過程中沿三維模具表面受到切向拉伸而成形立體空間三維工件。

圖3 拉彎設備結構示意

圖4 三維拉彎機結構

設備結構及設備工作原理：三維拉彎關鍵技術主要是模具設計，三維拉彎機不會給出理想的三維拉彎程序，工藝設計人員需要根據材料的性能及彎曲成形進行系統的分析或CAE有限元分析，并通過不斷的工件試制，使三維拉彎模具及三維拉彎程序達到最佳匹配，并達到工件的技術要求，需要工藝技術人員具有較高的產品研發能力。

空間三維工件在高速列車車頭結構件及飛機制造業上有較多應用，產品技術含量高，模具投入成本大，研發周期長，產品的附加值較高。圖5、圖6為拉彎工藝成形工件的典型實例。

2.輥彎成形工藝

（1）輥彎成形工作原理 輥彎機一般分為立式輥彎機和臥式輥彎機，如圖7、圖8所示。立式輥彎機上料操作方便，對于長大工件則宜采用臥式，如圖9所示。輥彎機各軸工藝位置均由伺服電動機精確控制，液壓馬達系統驅動各軸的聯動，通過可編程序控制器（PLC）控制伺服電動機進行動作。在設備輥輪軸對工件進行輥彎的同時，設備上的編碼器實時監測工件輥彎的弧長并將數據進行反饋系統，設備根據設定程序進行多次往復輥彎或多弧度輥彎的軌跡運動。

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（2）輥彎成形工藝特點 輥彎機一般多數用來單圓弧工件的制作，模具制作周期短，投入成本低，操作簡單。對于多圓弧工件，數控輥彎機可以實現工件的多弧度彎形要求，但由于鋁型材本身材料硬度的差異，加之工件多弧度每個弧段變形程度不同，反彈不均，生產時工件形狀一致性不好，需要后期人工校形。輥彎工藝適合大批量單一弧度工件或小批量多弧段工件的生產。

（3）輥彎成形工藝關鍵技術 輥彎工藝難易程度取決于彎形材料的截面形狀，輥輪模具設計是工件成形技術的關鍵，一般模具材料選用45調質鋼或模具鋼經車床車削而成，通過熱處理及表面鍍鉻等工藝獲得模具硬度和表面粗糙度要求。尤其不規則不對稱的型材截面，輥輪很容易將鋁型材表面劃傷。也可在鋼模具與鋁型材間加尼龍輪，既保證了模具的強度，又不使鋁型材與鋼模具直接接觸，避免材料表面的劃傷。典型輥彎工件示例，如圖10、圖11所示。

（4）輥彎成形能力的計算輥彎設備是否滿足輥彎工件的工藝要求，需滿足以下幾個條件：①輥軸長度是否滿足材料的寬度尺寸。②設備輥彎最小彎弧半徑是否大于工件的最小弧度。③設備壓力是否大于材料輥彎成形力。

圖5 地鐵車頂頂蓋彎梁

圖6 高速列車風擋連接框

圖7 立式輥彎機

圖8 臥式輥彎機

圖9 輥彎機工作原理

圖10 物流導軌單弧度輥彎工件

圖11 高鐵邊梁多弧段輥彎工件

輥彎成形力計算是圖樣工藝評審過程中，驗證輥彎設備輥彎能力的理論依據。輥彎工件的成形力計算：

P輥=48FEJ/L3

式中P輥——型材彎弧的作用力（N）；

F——撓度，即材料變形的弦高（cm）；

E——彈性模量（105N/cm2）；

J——慣性矩（cm4）；

L——材料輥輪拖放支點跨距（cm）。

3.壓彎成形工藝

（1）壓彎成形工作原理 壓彎成形是利用液壓壓力機對材料施加壓力，通過壓彎模具對材料產生彎矩，使材料發生彎曲形成一定的角度和曲率（見圖12）。

（2）壓彎成形工藝特點及關鍵技術 鋁合金型材折彎件L形及S形均可以采用壓彎工藝，由于型材斷面及形狀各異，各種壓彎件壓彎模具反彈量設計不一而同，需要經過不斷的壓彎工藝試驗摸索反彈量并經幾次修模得到合理的模具壓彎形面。壓彎工藝幾個關鍵技術要點：①壓彎模具的設計要充分考慮材料的變形趨勢和反彈量。②由于鋁合金型材具有型腔空心結構，合理的填料選用是壓彎成形的關鍵。③對于斷面形狀不對稱型材，壓彎時要充分考慮防止側彎的有效措施。

4.繞彎成形工藝

（1）繞彎成形工作原理 繞彎工藝分兩種工作模式：①模式1：如圖13所示，外輥輪4繞內輥輪8做回轉運動，并且在內外輥輪的徑向輥壓力作用下，材料被碾壓成形，稱為“行星輪式”。②模式2：如圖14所示，材料1被U形夾3固定在彎模2上，彎模2做圓周運動并帶動材料1在壓緊模5及導向模4作用下完成彎弧。

兩種模式的區別在于：模式1材料縱向不動，而模式2材料在縱向隨彎模運動，模式2在進行薄壁型材的彎弧中可以加入芯塊，防止材料截面變形。繞彎成形在型材的彎弧工藝中被廣泛應用，兩種繞彎模式的有機結合可以進行復雜多弧度工件的實現，如圖15中所示S形工件的繞彎。

圖12 軌道車輛司機室角立柱壓彎工件示意

圖13 “行星輪式”繞彎成形工作原理

圖14 “自纏繞式”繞彎成形工作原理

5.結語

以上介紹的四種彎弧工藝是目前鋁合金型材彎弧最常用的方法，在實際工藝開發中，具體采用哪種工藝需要根據彎弧工件的設計和理論計算進行全面分析，還需結合各種類似的工件進行經驗比對，在模具或工裝的設計前期將彎弧件預計會出現的問題進行羅列，結合各工藝方法進行分析，在進行工裝設計時有相應的措施來應對彎形中出現的問題。型材彎弧是一項綜合的技術，各種彎弧原理需要吃透，且工藝設計人員在工作中需長期不斷地總結經驗，不斷積累，才能針對各種各樣的彎弧工件采取有效合理的彎弧生產方案。

圖15 S形工件繞彎實例