轉向架蓋板輥彎成型工藝研究與應用

趙亞夫，李正光，鄭萌，楊鑫華

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 工程技術部，吉林 長春 130062； 2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028； 3.大連市軌道交通裝備焊接結構與智能制造技術重點實驗室，遼寧 大連 116028)*

0 引言

轉向架是軌道車輛結構中最為重要的部件之一，在車輛運行中起到支撐與減震的作用.下蓋板是轉向架結構組成中的關鍵部分，是由碳鋼厚板通過模具壓彎或繞彎、輥彎等工藝成型.其中，模具壓彎對模具精度要求極高，未解決成型工件回彈大的問題，往往需要多次模具修正才能滿足工件質量要求.輥彎成型無需制作專用模具，生產成本相對其他板材成型工藝，生產成本較低，可以通過編制不同數控程序即可實現多種制件生產，節約模具制造費用；生產準備周期短，只需調試好程序即可投入正式生產，大幅縮短準備周期[1- 2].特別適合多品種、小批量、周期短制件生產[3- 4].轉向架蓋板具有為典型的大尺寸、超厚度工件，通用式輥彎機或滾板機均無法滿足生產需求.研究中采用的輥彎成型設備為非標專用設備，其輥輪布局和通用三輥或四輥輥彎設備不同，從動輥輪的間距是固定的，傳統的工藝設計計算方法不能適用于該設備[5].首件試制時，往往需要進行多次試驗，才能確定出較為合理的成型工藝[6].

本文針對理論計算與有限元仿真手段，確定了S355碳鋼厚板成型中的關鍵工藝參數，建立了實現輥彎成型工藝設計的數學模型.基于有限元仿真手段，考慮了輥彎成型中回彈對尺寸精度的影響，確定了常見尺寸下的輥彎工藝的修正參數.采用修正后的輥彎成型參數進行了典型工件試制.試驗結果表明了理論公式和基于數值仿真的工藝參數修改結果的可靠性.

1 輥彎成型工藝的參數建模

長客公司目前采用的輥彎設備如圖1所示，該設備包含2個主動輪和4個從動輪.在實際成型中，先由主動輪送料至一定位置，然后下壓，下壓完成后轉到對稱位置；從對稱位置向上次下壓方向轉動，至工藝要求位置后，再實行后續下壓，直至完成成型過程. 制定輥彎成型的工藝參數，主要是確定工件主動輪的下壓量和工件的進給量之間的合理關系.

圖1 輥彎成型設備結構圖

1.1 下壓量計算

如圖2所示，當成型工件圓弧與兩從動輪相切時，設主動輪的半徑為r1，從動輪的半徑為r2，成型工件的半徑為R.兩從動輪之間的間距為2L，板厚為t.成型完成后，主動輪圓心和從動輪的圓心距為H，主動輪的下壓量為X.由于成型件與主動、從動輪均相切，根據幾何關系，可以推出主動輪和從動輪的相對位置關系如式3、4所示.

圖2 成型工件的圓弧與兩個從動輪相切時的輥彎示意圖

(1)

假設初始狀態時(板材為平面)板材分別與主動輪和從動輪相切，則根據式(1)可以得到，主動輪的下壓量為：

X=r1+r2+t-H

(2)

當成型工件圓弧與兩從動輪不相切，而未變形部分與從動輪相切時，若輥彎區域較小，輥彎后板件的圓弧部分并不與左右輥輪相切，如圖3所示.

圖3 非全部圓弧時輥彎示意圖

由圖3可以得到：

H=(R+t+a×sinα)×cosα-(R-r1)

(3)

(4)

從而求得：

(5)

將式(5)代入式(3)得：

設主動輪與從動輪的初始距離為H0，則：

H0=r1+r2+t

(7)

故下壓量為：X=H0-H

(8)

1.2 進給量參數的計算

輥彎時的進給量，是在主動輪的帶動下板材進給量.由于板料在成型過程中，會由于彎曲成型使未成型的部分發生轉動，此時以長度為度量進行進給量確定，會存在一定的困難.

假設在板料進給的過程中，主動輪和板料之間沒有相對滑動，則可以用主動輪的旋轉角度為度量，實現進給量的設計.在設備參數的設置時，根據角度和主動輪的半徑，再推出長度方向的進給量.

設輥彎成型工件的圓弧部分的弧度角度為a，則從成型工件的一個切點到另外一個切點，主動輪的轉角弧度S則為：

(9)

由于r1為定值，即100 mm，則上式可以寫成：

(10)

設初始下壓量為x，為保證輥彎圓弧切點為工件設計的切點位置，需要的主動輪輥彎弧度為a1，則

其中，r1=100，r2=75，L=200，則上式可化簡為

(12)

上式圖像如圖4所示.

圖4 初始下壓量與主動輪轉角之間的關系

因為x>0，且其值通常小于100，則式(12)可以化為：

(13)

解上式可得：

(14)

設輥彎過程經過n次下壓完成，取平均每次下壓量為x，則：

(15)

則主動輪第i次轉角為：

(16)

2 有限元模型

2.1 材料力學性能參數

S355 鋼是按照歐洲標準EN 10025生產的一種低合金高強度的結構鋼.它被廣泛應用于建筑、橋梁、壓力容器、鐵路、車輛等各個方面.特別是，隨著高速鐵路裝備制造技術的快速發展，S355鋼被大量應用于軌道客車轉向架構架的制造，其屈服強度為355 MPa，抗拉強度為575 MPa，延伸率為20%， 沖擊功大于20 J.

2.2 幾何模型

鋼板輥彎過程的幾何模型如圖5所示，其主要結構包括前后輥輪和兩個側輥輪.板材的幾何尺寸為1 000 mm*200 mm*12 mm.主動和從動輥輪的半徑分別為100 mm和75 mm，輥輪高為800 mm.

圖5 輥彎成型的幾何模型

3 輥彎成型工藝參數修正

第1.2章節中確定的輥彎下壓量和進給量理論計算公式，并沒有考慮到成型過程中板料的回彈，以及輥輪與板料之間的相對滑動問題.按照理論計算公式所確定的成型參數實現材料的輥彎成型，會由于回彈、滑動等因素，使實際成型尺寸與工件的要求成型尺寸存在差異.因此，需要對理論計算的下壓量、進給量等成型工藝參數進行修正.

圖6 成型后輥輪的相對位置

在調整前工件成型后的等效塑形應變和擬合后的成型半徑如圖7(a)所示.可以看出：調整前工件成型后半徑為239.3 mm；基于Matlab計算得到角度150.89 mm.調整后工件成型后的等效塑形應變和擬合后的成型半徑如圖7(b)所示.可以看出：調整后工件成型后半徑為200.01 mm；基于Matlab計算得到角度為147.09 mm.

(a)調整前

(b)調整后

圖7調整前、后的工件成型效果

4 實驗驗證

試驗在長客公司的輥彎成型機上進行.為節約試驗成本，僅對直板進行輥彎成型，未按上蓋板實際尺寸要求加工試件.為了驗證所推導的理論公式及工藝參數修正結果的的正確性，選擇T=16 mm,R=200 mm，a=147°的輥彎成型件進行輥彎試驗，試驗過程和成型件如圖8所示.采用形狀檢測樣板對工件進行形狀測量，成形件形狀誤差小于0.1 mm，與仿真結果相吻合.上述驗證了在轉向架蓋板輥彎成形中，在理論計算基礎上，結合仿真對成型工藝參數進行修正的可行性與適用性.

(a)輥彎成型實驗(b)成型件

圖8輥彎成型實驗和成型件圖

5 結論

本文在系統分析輥彎成型設備和工藝特點的基礎上，對其板材數控輥彎成型工藝及仿真技術開展了研究，并取得下列主要研究成果：

(1)建立了實現輥彎成型工藝設計的數學模型，推導出輥彎參數設計的理論計算公式，為實現輥彎參數設計奠定了理論基礎；

(2)基于有限元數值仿真方法，考慮回彈等因素對成型尺寸的影響，在理論計算相關成型參數的基礎上，對輥彎成型情況進行了仿真計算，確定了常見成型尺寸下的輥彎工藝的修正參數.