鋁型材拉彎工藝過程研究

何飛

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇南京 210039）

鋁型材拉彎工藝過程研究

何飛

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇南京 210039）

隨著地鐵車輛和汽車整車設(shè)計制造水平的不斷發(fā)展，越來越多的鋁制合金型材取代了原有的鋼制產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用。復(fù)雜截面型材的彎曲成形是制造業(yè)的一項技術(shù)難題，型材在彎曲時存在彎曲回彈、起皺、截面畸變等問題。本文通過對一種典型復(fù)雜截面型材的拉彎成型參數(shù)進行試驗與研究，總結(jié)并分析出型材拉彎過程的影響因素，從而在工藝上解決大型復(fù)雜截面型材彎曲成形的技術(shù)難題。

鋁型材；塑性；型材拉彎；工藝因素

目前在眾多行業(yè)中需要用到各式各樣的鋁制型材產(chǎn)品，為了使產(chǎn)品更加美觀和流暢，往往需要把型材進行彎曲加工。這些彎曲的型材從截面上看形狀各異、各式各樣，但從產(chǎn)品的質(zhì)量上看，這些型材成型后的要求很高，特別是對輪廓和表明質(zhì)量的要求相對較高［1］。型材典型的彎曲成型方法主要有壓彎成型、滾彎成型、繞彎成型和拉彎成型。拉彎成型的工藝特點在于：零件拉彎時處于塑性變形狀態(tài)，拉彎后的回彈量較小，彎曲殘余應(yīng)力也較小，生產(chǎn)效率高［2］。可用于復(fù)雜截面形狀的型材彎曲，適用于各種彎曲半徑，彎曲的最大彎曲角一般小于180°。

1 拉彎基本原理

拉伸彎曲的原理是在型材彎曲變形的同時在型材兩端施加切向拉力，以改變型材剖面內(nèi)的應(yīng)力分布狀況，使之趨于均勻一致，從而達到減小回彈，提高零件成型精度的目的，拉彎加工的原理如圖1所示。

對于彎曲半徑很大，回彈不宜消除的零件，采用拉彎工藝使彎曲的型材從內(nèi)表面到外表面都處于拉應(yīng)力的作用下，成型時型材回彈的變形方向保持一致，卸料時可以大大減少回彈。但由于拉彎時，型材的塑性變形會導(dǎo)致型材的壁厚變薄，從而對零件的強度產(chǎn)生一定影響［3］。

圖1 拉彎加工原理圖

2 減少拉彎回彈的措施

由于彎曲回彈是不可避免的，而且影響回彈的因素眾多，所以要完全消除回彈是不可能的。因此，只有型材材料選擇、型材狀態(tài)選擇、型材結(jié)構(gòu)設(shè)計、拉彎工藝制定及彎曲模具結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采取適當?shù)拇胧┎拍苡行p小回彈［4］。

2.1 選用合適的彎曲材料

在滿足彎曲件使用要求的條件下，盡可能選用彈性模量（E）大、屈服極限（σb）小、加工硬化指數(shù)（n）小、機械性能比較的材料，以減少彎曲時的回彈。

2.2 改進彎曲件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在型材結(jié)構(gòu)設(shè)計上改進某些結(jié)構(gòu)，加強型材的剛度以減小回彈。例如，在工件的彎曲變形區(qū)上壓制加強筋，或利用成形折邊。此外，彎曲件相對彎曲半徑r/t=1～2時，回彈量最小，所以彎曲件上應(yīng)盡可能采用小的彎曲圓角半徑［5］。

2.3 改進彎曲工藝

對于相對彎曲半徑很大的彎曲件，由于變形區(qū)大部分處于彈性變形狀態(tài)，彎曲回彈量很大，這時可采用拉彎工藝。其工藝實質(zhì)是使板料在拉應(yīng)力下產(chǎn)生彎曲變形，從而改變橫截面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，使應(yīng)力中性層兩側(cè)均為切向拉應(yīng)力，卸載后內(nèi)外層回彈方向取得一致，達到減小回彈的目的。

一般大型彎曲件拉彎時，彎曲變形與拉伸的先后次序?qū)貜椓坑幸欢ㄓ绊憽Ｏ葟澓罄认壤髲澓谩５葟澓罄牟蛔阒幨且褟澟髁吓c模具摩擦加大，拉力難以有效地傳遞到各部分，因此實際生產(chǎn)中常采用“拉+彎+拉”的復(fù)合工藝方法［6］。

2.4 改進模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)彎曲件回彈的趨勢和回彈值修正凸模、凹模工作部分的尺寸和幾何形狀，以相反方向的回彈來補償工件的回彈量。

3 拉彎工藝參數(shù)分析與研究

3.1 典型型材加工案例

本案例為一種地鐵乘客門系統(tǒng)的門框架型材，型材的截面為非對稱異形型材，材料為6063，型材的彎曲半徑（R）為10 000mm，型材弦長長度為2 256mm，具體如圖2所示。

圖2 型材彎曲零件圖

要求此型材彎曲成型后，通過簡單的整形工作，外形線輪廓度≤0.8mm，型材的扭擰度≤0.8mm，型材飛邊的直線度≤1.5mm，型材表面允許最大凹陷≤0.2mm。

3.2 工藝加工方法的選擇

由于此型材的彎曲半徑很大且為整體圓弧，采用壓彎和繞彎的工藝加工方式都是不合適的，滾彎的方式雖然可以采用，但由于型材的截面較大，而且型材為非對稱截面，滾彎后型材容易產(chǎn)生側(cè)彎和扭曲，并且由于型材截面較大，對滾彎的設(shè)備噸位也有一定的要求，所以決定采用拉彎的方式加工此型材。

3.3 型材材質(zhì)的選擇

由于拉彎的原理是將型材兩端夾緊，然后在施加一定拉力的情況下，將型材處于塑性變形狀態(tài)使其成型。因此，型材的屈服強度直接關(guān)系到拉彎力的大小。材料屈服強度計算公式為σb=F/A。其中，σb為屈服強度，F(xiàn)為拉力，A為截面積。

牌號6063型材的截面積A=980.21mm2，型材的供貨狀態(tài)有T4、T5、T6狀態(tài)（常用T5、T6狀態(tài)），則根據(jù)不同狀態(tài)下的材料屈服強度，計算T5、T6狀態(tài)的拉力為：FT5= 108×980.21=238 191.84N≈10.6×103kg=10.6t，F(xiàn)T6=177× 980.21=390 369.96N≈17.3×103kg=17.3t。

拉彎機的油缸作用面積A0=10 367.26 mm2承受的壓強分別為：PT5=10.6×103/10 367.26≈10.2MPa，PT5=17.3× 103/103 67.26≈16.7MPa。

拉彎機的最大拉力為：Fmax=15×103×10 367.26≈15.6t。

通過以上的數(shù)據(jù)計算可以得知，T5狀態(tài)下型材屈服的變形力為10.6t，T6狀態(tài)下變形力更大。由于現(xiàn)有的拉彎設(shè)備最大拉力為15.6t，所以T6狀態(tài)型材無法在此設(shè)備進行試驗。因此，分別選取F狀態(tài)（自由加工狀態(tài)）和T5狀態(tài)的型材進行拉彎試驗。

3.4 模具的設(shè)計

為了使處于塑性變形狀態(tài)的型材，形成所需的形狀，還需要相應(yīng)的拉彎成型模具來保證。在試驗前期，模具設(shè)計較為簡單，只是在拉彎設(shè)備上增加一個靠模板，拉彎時將型材直接與靠模板接觸，形成圓弧，具體形式見圖3。

圖3 拉彎成型模具

該模具彎曲時，將型材包覆，對防止型材截面的畸變有很大作用。同時，拉彎時減少了仿形輔具的裝配，減少了人為因素對彎曲圓弧的影響。型材的圓弧直接由模具來保證，增加了型材弧度彎曲精度。

3.5 拉彎力的確定

因為F狀態(tài)的型材為自由狀態(tài)型材，在型材擠壓淬火后，沒有進行相應(yīng)的人工時效。所以，每批型材的機械性能都有所不同。在進行型材拉彎力計算時，無法直接獲得材料的屈服強度來計算。因此，通過對同一批次的型材進行拉彎試驗，來摸索出本批型材的屈服強度。通過試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律和經(jīng)驗：①型材在4.5MPa時拉彎后的回彈量較大，但拉彎力大于5MPa時型材的回彈量明顯降低；②本批型材在超過5MPa的拉力后，通過試驗不同的保壓時間，型材拉彎后的回彈量變化不明顯；本批型材在超過5MPa的拉力后，保壓時間增長，其型材的延展也越長。

4 工藝方案的總結(jié)與歸納

通過對型材拉彎成型過程的研究，主要總結(jié)了以下幾點工藝方法。一是拉彎型材材質(zhì)的要求。拉彎型材一般選擇F狀態(tài)（非時效狀態(tài)型材）為最佳，韋氏硬度范圍一般確定為3～6HW。二是拉彎力的大小因根據(jù)型材的截面尺寸及F狀態(tài)的屈服強度來確定，試驗得出試驗批次型材的F狀態(tài)的型材屈服強度53MPa；由于型材的材質(zhì)不均勻性，拉彎力的確定還需要通過型材的試拉彎確定。三是拉彎模具的設(shè)計要求。拉彎模具對型材彎曲成型起著重要的作用，模具的好壞直接關(guān)系到拉彎后型材成型的狀況。模具應(yīng)注意仿形型材截面的表面質(zhì)量，同時保證模具的平面度、扭擰度和圓弧度。四是拉彎過程中應(yīng)注意型材夾緊時位置及夾緊情況，夾緊力中心應(yīng)盡量與型材的形心在同一軸線上，型材的空腔應(yīng)采用填充物填充，這樣對抑制型材彎曲內(nèi)壁起皺有很大的作用。五是拉彎后型材的力學性能如需要提高，需對拉彎的型材進行人工時效處理。

5 型材拉彎展望

在型材的拉彎塑性變形過程中，型材的成型還受著其他方面因素的影響，還有很多內(nèi)容比如型材的延展性與拉彎力的關(guān)系、型材的回彈量與拉彎力的關(guān)系、型材的表面凹陷如何進一步減輕等，這些問題都值得研究和探討。型材的拉彎過程實際上就是材料的變形過程，只有對材料的變形過程進行研究，才能使材料的變形朝著所需的方向去發(fā)展。

6 結(jié)語

根據(jù)彎曲半徑和型材截面尺寸，合理選用合適的塑性成型加工工藝，對彎曲零件的成型有著至關(guān)的重要性。本文通過對具體案例的分析，總結(jié)出大圓弧半徑、復(fù)雜截面尺寸的鋁合金型材拉彎成型的方法，并在實際的拉彎過程中對成型有重要影響的參數(shù)進行了設(shè)定，這些方法和經(jīng)驗對類似產(chǎn)品的生產(chǎn)加工有著一定的指導(dǎo)和參考作用。

［1］羅啟金.簡易模具設(shè)計與制造［M］.廣州：廣東科技出版社，2004.

［2］刁可山，周賢賓，金朝海.鋁合金型材拉彎成形研究進展［J］.塑性工程學報，2003（6）：38-42.

［3］胡世光.板料壓制塑性變形原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1965.

［4］陳毓勛.板材與型材彎曲回彈控制原理與方法.［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1990.

［5］賈俐俐，高錦張.汽車門框空腹鋁型材彎曲工藝［J］.精密成形工程，2000（6）：34-35.

［6］錢志平，呂玫，高才良.中導(dǎo)軌拉彎成形截面畸變控制及模具設(shè)計［J］.鍛壓技術(shù)，2001（3）：47-48.

Study on the Bending Process of Aluminum Profile

He Fei
（Nanjing Kangni Mechanical&Electrical Co.,Ltd，Nanjing Jiangsu 210039）

With the development of the design and manufacture level of metro vehicles and vehicles,more and more aluminum alloy profiles have been replaced by the original steel products.The bending forming of the profile with complex section is a technical problem in the manufacturing industry,and there are some problems such as bending springback,wrinkling,distortion and so on.Based on a typical complex profile bending forming parameters of test and research,this paper summarized and analyzed the factors which affect the process of profile bending,so as to solve the technical problems of large and complex cross section bending forming process.

aluminum profile；plasticity；profile stretch bending；technological factors

TG356

A

1003-5168（2017）04-0070-03

2017-03-19

何飛（1981-），男，碩士，工程師，研究方向：機械設(shè)計、工藝研究。