輕量化構(gòu)件彎曲短流程工藝研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

劉志文 ，李落星

(1. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082;2. 湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

資源和環(huán)境已成為制約交通運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙。低油耗、低排放技術(shù)已成為世界交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)[1]。汽車油耗除了取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能外，還與整車質(zhì)量密切相關(guān)。有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，若汽車整車質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%~8%[2]。因而，汽車輕量化研究被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排的最有效途徑。

實(shí)現(xiàn)車身輕量化主要有如下兩個(gè)途徑[3]：1) 在車身制造時(shí)采用高強(qiáng)度，輕質(zhì)新材料；2) 采用現(xiàn)代優(yōu)化方法設(shè)計(jì)更為合理的車身結(jié)構(gòu)，使之薄壁化、中空化以及復(fù)合化等。鋁合金由于具有比強(qiáng)度、比剛度高，吸能性能好，回收容易等一系列優(yōu)點(diǎn)[4]，是汽車輕量化構(gòu)件理想的材料。全鋁車身框架結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、抗震動(dòng)及碰撞性能好等特點(diǎn)，具有極好的發(fā)展前景，目前已成功應(yīng)用于Audi A2和A8等高端車型的車身結(jié)構(gòu)上[5]?？紤]到空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和美觀等方面的要求，車身用鋁合金管、型材一般都需要彎曲成特定的曲率，對(duì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確度和表面質(zhì)量提出了更高的要求。

制造鋁合金框架式車身的關(guān)鍵技術(shù)在于如何實(shí)現(xiàn)輕量化構(gòu)件的高精度彎曲成形。影響構(gòu)件彎曲成形質(zhì)量的因素較多且作用復(fù)雜，其中回彈是影響產(chǎn)品形狀尺寸精度最重要的因素。除回彈外，彎曲過程中一些外觀上的缺陷也影響著管材和型材的彎曲成形質(zhì)量。這些缺陷表現(xiàn)主要在截面變形、減薄、起皺、拉裂等方面[6]。因此，對(duì)于彎曲加工，希望開發(fā)一種的新工藝，盡量避免上述缺陷和不足，提高產(chǎn)品的成形質(zhì)量。

現(xiàn)有的常規(guī)冷彎工藝需要大型設(shè)備，制造成本高，缺陷難以控制，生產(chǎn)效率和材料利用率低，已成為制約汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化的瓶頸之一。因此，縮短加工流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率是解決這一問題的最有效途徑。本文作者對(duì)國內(nèi)外近15年來出現(xiàn)的彎曲短流程工藝進(jìn)行了詳細(xì)綜述，并針對(duì)傳統(tǒng)冷彎和已有擠壓-彎曲一體化成形工藝存在的缺點(diǎn)，發(fā)明了一種擠壓-彎曲-淬火一體化成形技術(shù)，從而為實(shí)現(xiàn)車身用鋁合金構(gòu)件高效、精確的加工要求提供工藝和理論指導(dǎo)。

1 傳統(tǒng)2D冷彎成形工藝及缺陷控制

在傳統(tǒng)冷彎成形工藝中，輕量化構(gòu)件一般采用繞彎、滾彎、拉彎和壓彎等幾種加工方法。

繞彎成形是管材加工中的一種典型彎曲工藝。其工作原理是管材在芯軸、壓塊、夾塊和鑲塊等的共同作用下繞彎曲模旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生連續(xù)的塑性彎曲變形，其中芯軸主要對(duì)管材起支撐作用。該工藝模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，調(diào)試安裝方便，生產(chǎn)效率高，成形件表面質(zhì)量高。然而與其他彎曲工藝相比，回彈量較大，成形過程中易產(chǎn)生壁厚減薄、截面畸變和失穩(wěn)起皺。YANG等[7-9]系統(tǒng)研究了芯軸參數(shù)、工模具間隙、摩擦等工藝因素對(duì)管材彎曲成形質(zhì)量的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1)增大芯棒伸出量和芯頭的個(gè)數(shù)，管材的截面畸變率降低，但外側(cè)壁厚減薄率將增大；2) 防皺板、彎曲模與管材的間隙以及芯棒伸出量的合理選擇對(duì)防止管材彎曲部位起皺具有關(guān)鍵作用；3) 為了獲得好的彎曲成形質(zhì)量，應(yīng)盡量減少管材與防皺板、芯棒之間的摩擦，增大管材與彎曲模、壓塊之間的摩擦。

滾彎成形也是彎曲加工中的重要方法之一，廣泛應(yīng)用于車身骨架零件的制造。常用的有三滾、四滾和六滾彎曲等多種形式[10]。滾彎成形最大的一個(gè)特點(diǎn)是變形區(qū)大部分材料處于彈性變形，回彈半徑大；型材前后兩端各有一段不能彎曲的部分，成形后必須切除，導(dǎo)致材料的浪費(fèi)；此外，彎曲型材表面容易劃傷。由于型材滾彎后再淬火截面畸變嚴(yán)重，給校形帶來很大困難，工業(yè)上一般采用淬火態(tài)的材料滾彎，導(dǎo)致彎曲回彈更大。與其他冷彎工藝對(duì)比，操作方便，通用性強(qiáng)，只需控制輥距和上輥輪下壓量來校核彎曲半徑。

拉彎成形是車身用鋁型材應(yīng)用最廣泛的冷彎工藝，其成形過程分 3步完成：預(yù)拉伸→彎曲→補(bǔ)拉伸[11]。該工藝的最大特點(diǎn)就是由于預(yù)拉力的施加使型材整個(gè)截面上受拉應(yīng)力作用，彎曲回彈小。然而為防止空心型材拉彎過程中截面變形，彎曲前需灌沙處理[12]，兩端同時(shí)要插入鋼芯[13]，生產(chǎn)效率極低。此外，拉彎完成后型材兩端要切頭尾，材料浪費(fèi)率達(dá)20%以上，顯著提高了工藝成本。拉彎成形必須合理控制預(yù)拉伸力和補(bǔ)拉伸力的大小，當(dāng)總拉伸力足以使材料應(yīng)力中性層偏移至型材底面后，再增大拉伸力，對(duì)減小回彈量的幫助作用不大，相反地將導(dǎo)致壁厚減薄和截面變形更加嚴(yán)重。LI等[14-15]從成形精度和成形極限兩個(gè)方面對(duì)全鋁空間框架車身結(jié)構(gòu)拉彎成形關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

壓彎成形在板料彎曲加工中應(yīng)用較多，而關(guān)于管材和型材壓彎成形的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。該工藝主要是依靠上下兩個(gè)剛性模具來成形的。在壓彎過程中，由于上下模對(duì)工件有一個(gè)壓力的作用，截面易發(fā)生側(cè)向變形。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般可以通過使用芯桿[16]或在型材里面充滿高壓氣體或液體[17]來減少截面變形程度。型材最后彎曲的形狀取決于模具的形狀和回彈量的多少。相比上述幾種工藝，該方法可以一次性彎曲形狀和曲率稍微復(fù)雜的零件，而前面幾種工藝至少需要兩道工序。近年來，LIU等[18-19]發(fā)明了一種型材多點(diǎn)壓彎成形工藝。該方法將傳統(tǒng)模具離散為規(guī)則排列的、高度可調(diào)的基本體群，通過控制基本體的相對(duì)位置，使基本體沖頭構(gòu)造出所需的彎曲型面對(duì)管、型材進(jìn)行彎曲成形。

由上可知，傳統(tǒng)冷彎工藝體系雖已日臻成熟，但成形過程產(chǎn)生的缺陷總難以控制和避免，生產(chǎn)效率低，設(shè)備昂貴，制造成本高。因此，開發(fā)具有高效、短流程和低成本的車身用鋁合金管、型材彎曲新工藝，已成為現(xiàn)代塑性加工技術(shù)的挑戰(zhàn)性課題和迫切需求。

2 空間冷彎一體化成形新工藝

FINCKENSTEIN 等[20]最早提出將板材或型材軋制與彎曲有機(jī)整合在一起，材料通過軋輥以后，在軋鋼機(jī)架后面的導(dǎo)向滾輪作用下產(chǎn)生彎曲變形的方法，通過改變滾輪的偏移方向便可實(shí)現(xiàn)型材在不同方向上的彎曲曲率。圖 1所示為整合的軋-彎一體化技術(shù)示意圖[20]。如圖1所示，與傳統(tǒng)冷彎工藝相比，軋制過程產(chǎn)生的塑性變形區(qū)使對(duì)彎曲滾輪施加較小的力便可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)彎曲過程。該方法材料變形量大，加工硬化程度大，截面變形相對(duì)較小，但回彈大。

按照 FINCKENSTEIN等提出的短流程思想，CHATTI等[21]和KLEINER等[22]提出了一種基于滾彎設(shè)備的型材空間彎曲加工方法，其示意圖如圖2所示。該彎曲裝置由一個(gè)傳統(tǒng) CNC三輥彎曲裝備和一個(gè)水平面和高度方向位置可精確調(diào)整的導(dǎo)向裝置組成，其中，導(dǎo)向裝置由PTFE材料制成，通過液壓閉環(huán)系統(tǒng)控制。型材通過一定速度導(dǎo)引進(jìn)入該彎曲裝置，通過調(diào)節(jié)三輥彎曲裝備中間滾輪的壓下量d大小控制平面彎曲弧度；然后，通過調(diào)節(jié)后面的導(dǎo)向裝置在高度方向的相對(duì)位置和施力大小可實(shí)現(xiàn)三維彎曲型材的加工，其施力大小由液壓缸控制。該裝置最大的優(yōu)點(diǎn)是平面塑性變形區(qū)域所造成的側(cè)向力疊加更有利于后續(xù)的三維型材彎曲加工。該工藝液壓導(dǎo)向裝置所需成形力低，回彈和截面變形小，靈活性高，制造成本低。但是由于型材與三滾輪之間的摩擦較小，該方法不能加工彎曲半徑小的型材。

為了滿足汽車輕量化對(duì)節(jié)省車身空間、安全性、尺寸精度高和低成本的鋁合金彎曲型材的需求，TEKKAYA等[23-24]發(fā)明了一種基于多滾輪扭矩疊加的三維型材彎曲加工方法(TSS-3D)，其成形原理如圖3所示。該裝置由3組大滾輪和1個(gè)基于4個(gè)小滾輪構(gòu)成的導(dǎo)向裝置組成，其中3組大滾輪整體安裝在1個(gè)扭轉(zhuǎn)軸承上，導(dǎo)向裝置在水平面的方向上可移動(dòng)。3組大滾輪和導(dǎo)向裝置可沿本身的軸心自由旋轉(zhuǎn)。通過精確控制和調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)軸承和導(dǎo)向裝置，在彎曲過程中在線同步改變型材的彎曲成形弧面，從而可以加工任意截面和曲率的三維彎曲型材。TSS-3D方法特別適合于彎曲半徑大的管、型材，成形過程能較好地克服彎曲回彈。該方法靈活性高、制造成本低，適合于小批量型材的生產(chǎn)。

圖1 整合的軋-彎一體化技術(shù)示意圖[20]Fig. 1 Schematic diagrams of combined rolling-bending processes[20]: (a) Recurvation, up; (b) Release, up; (c) Recurvation, left; (d)Multi-direction bending

圖2 基于滾彎設(shè)備的三維型材彎曲加工方法示意圖[21-22]Fig. 2 Schematic diagrams of superposed three-roll-bending with subsequent profile deflection[21-22]

圖3 型材TSS-3D彎曲成形原理示意圖[23-24]Fig. 3 Principle of new profile TSS-3D bending process[23-24]:(a) Forming device; (b) φ1=45°; (c) φ1=0°; (d) φ1=135°

PAHL等[25]和 HERMES等[26-27]提出了一種管材3D彎曲成形新工藝，其原理如圖4所示。原始管坯在外力的推動(dòng)下通過3個(gè)旋轉(zhuǎn)輪，在旋轉(zhuǎn)輪的徑向壓力下產(chǎn)生大的塑性變形，使管材橫截面直徑變小。后續(xù)的彎曲頭在該區(qū)域施加一個(gè)彎曲力矩，從而產(chǎn)生連續(xù)的彎曲變形。其中彎曲頭具有2個(gè)方向的自由度，通過旋轉(zhuǎn)輪的壓下量和彎曲頭的移動(dòng)，可以獲得沿管材長(zhǎng)度方向任意自由直徑和變曲率的三維彎曲管材。由于旋轉(zhuǎn)輪的作用使管材截面產(chǎn)生的局部塑形變形應(yīng)力疊加，減少了彈性變形，從而克服彎曲回彈。由于材料在變形過程產(chǎn)生加工硬化，管材的截面圓度保持較好，然而該方法控制不好易劃傷型材表面。

圖4 管材3D自由彎曲成形方法原理圖[25-27]Fig. 4 Principle of new tube 3D bending process[25-27]

3 熱擠壓-彎曲一體化成形新工藝

綜上所述，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的彎曲管、型材，普遍是通過多道工序加工而成。一般工序是先將坯料擠壓成所需要斷面形狀的直管、型材，然后采用冷彎成形。然而傳統(tǒng)的先擠壓再后續(xù)冷彎加工難以保證產(chǎn)品成形質(zhì)量、生產(chǎn)效率和材料利用率低，生產(chǎn)成本昂貴，使得彎曲管、型材的應(yīng)用受到了很大限制。因此，縮短加工流程、提高生產(chǎn)效率、降低制造成本是解決這一問題的最有效途徑。

MüLLER[28]首次提出了擠壓-彎曲一體化成形工藝原型，其成形基本原理是金屬材料通過擠壓模具以后直接一道次彎曲成形，獲得一定曲率的管材和型材。擠壓-彎曲一體化技術(shù)結(jié)合了擠壓和彎曲成形的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以使變形變得更加容易，降低殘余應(yīng)力，克服傳統(tǒng)冷彎成形工藝中易出現(xiàn)的回彈、壁厚減薄等缺點(diǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以減少工序，節(jié)省制造成本。該工藝成形裝置原理如圖5所示，實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：一是在擠壓過程中改變材料在模具中的不均勻流動(dòng)，型材液擠壓出?？诤笥捎诮孛嫔纤俣确植疾痪鶆?，使材料向流速慢的一向發(fā)生彎曲變形；二是在常規(guī)擠壓機(jī)出?？谥苯影惭b一套在線彎曲裝置，型材從擠壓模口出來以后通過彎曲模時(shí)，會(huì)受到一個(gè)力矩的作用，從而實(shí)現(xiàn)彎曲變形。

圖5 MüLLER提出的擠壓型材在線彎曲成形原理[28]Fig. 5 Process principle rounding during extrusion by MüLLER[28]

3.1 基于差速擠壓的構(gòu)件彎曲成形方法

3.1.1 分塊凸模差速擠壓成形方法

宋繼順等[29]提出了分塊凸模差速擠壓成形彎曲管材的方法。如圖6所示。其中鑄錠為單一整體，通過控制A、B等幾個(gè)凸模的壓下速度差來控制凹模不同出口位置金屬材料的流動(dòng)速度，從而成形得到一定彎曲曲率的管材。通過調(diào)整凸模與鑄錠的相對(duì)角度，實(shí)現(xiàn)凹模出口管件彎曲方向的改變，可以成形更為復(fù)雜的三維彎曲管件。由于毛坯采用單一整體，成形過程中不存在分流模擠壓中的焊合缺陷問題，提高了彎曲管件的質(zhì)量。該方法彎曲管材壁厚分布均勻，回彈小。宋繼順等[30]還采用有限元法模擬了彎曲管件雙凸模差速擠壓過程，分析了擠壓過程的材料流動(dòng)規(guī)律、擠壓力、宏觀物理場(chǎng)分布，找出了雙凸模速度差與管材彎曲半徑的關(guān)系，得出了在雙凸模速度差不變的情況下，擠壓管件彎曲半徑的大小與凸模下平面到凹模出口處的距離成正比。

圖6 分塊凸模差速擠壓成形原理[29]Fig. 6 Forming principle of differential extrusion with multi-punch[29]

3.1.2 模具工作帶的差速設(shè)計(jì)

在模具結(jié)構(gòu)中，工作帶是?？自O(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。工作帶對(duì)金屬流動(dòng)起阻礙作用，使向該處流動(dòng)的供應(yīng)體積中的流動(dòng)靜壓力增大。TIEKINK[31]提出了通過改變擠壓模具工作帶的長(zhǎng)度及過渡段的角度來影響材料流動(dòng)的不均勻性，從而成形彎曲型材的方法。同時(shí)開發(fā)了一種引導(dǎo)裝置，彎曲型材從模具出來后，直接進(jìn)入預(yù)定的導(dǎo)向裝置，使彎曲尺寸精度更高。馬敘等[32]提出了一種成形小角度彎曲管件擠壓面為不同曲面的成型裝置。通過將模具工作帶的斷面形狀設(shè)計(jì)成不同的曲面來改變金屬流動(dòng)的不均勻性。通過控制對(duì)材料流動(dòng)阻力的大小，即改變凹模出料端曲面的形狀和凸凹程度，由于向內(nèi)凸的曲面對(duì)材料向下流動(dòng)的阻力大于向內(nèi)凹的，從而可以控制材料的不均勻流動(dòng)來獲得大曲率半徑的彎曲管材。

3.1.3 多?？缀推臄D壓成形方法

CHEN等[33]和PENG等[34]提出一種彎曲管材多孔擠壓成形方法。利用模孔的個(gè)數(shù)以及孔的分布位置來控制金屬的流動(dòng)趨勢(shì)，偏心率不同使得金屬在出口處的流動(dòng)不平衡，從而使管材發(fā)生彎曲。并且通過數(shù)值仿真研究了擠壓速度、坯料初始溫度和各?？椎侥＞咧行牡钠木鄬?duì)型材彎曲曲率的影響。結(jié)果表明：擠壓速度越快，型材的彎曲變形程度越大，彎曲半徑越?。慌髁铣跏紲囟仍礁?，其彎曲半徑也趨于增大；偏心距越大，材料流動(dòng)越不均勻，出?？诤笃鋸澢霃较鄳?yīng)增大。崔宏祥等[35]提出了一種采用偏心擠壓成形制備管材彎曲件的方法。由于模具成形部分的凸模和凹模采用偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過偏心結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的速度差控制金屬流動(dòng)，可以用于成形不同彎曲角度、不同形狀的管材彎曲件。同時(shí)，可利用偏心固定芯桿與擠壓坯料之間的摩擦來改變材料在擠壓過程中流動(dòng)的不均勻。偏心的芯桿會(huì)誘導(dǎo)坯料表面上不均勻的摩擦，材料在出模口速度不均勻，從而獲得一定曲率的管材。

3.2 基于在線彎曲成形裝置的擠壓-彎曲一體化加工方法

KLEINER等[36]發(fā)明了一種彎曲型材的擠壓成形方法和裝置。在擠壓機(jī)出口處添加一副由雙滾輪組成的引導(dǎo)裝置和一個(gè)彎曲弧度測(cè)量傳感器，通過傳感器在線反饋尺寸誤差，不間斷移動(dòng)引導(dǎo)裝置到特定的位置來獲得一定曲率的型材。KLAUS等[37]認(rèn)為此工藝中彎曲引導(dǎo)裝置的主要作用是對(duì)型材施加一個(gè)力矩，使型材的一側(cè)流動(dòng)比另一側(cè)流動(dòng)快，從而發(fā)生彎曲變形。該力矩對(duì)材料流速的影響有兩個(gè)方面：1) 材料外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，導(dǎo)致外側(cè)比內(nèi)側(cè)流動(dòng)快；2) 受拉的外側(cè)與工作帶之間的正壓力比受壓的內(nèi)側(cè)與工作帶的正壓力小，導(dǎo)致擠壓材料與模具工作帶之間的摩擦力減小，摩擦力的不均勻也引起材料流速的不均勻。BUNTORO等[38]同時(shí)建立了基于 ALE算法的型材擠壓-彎曲一體化成形有限元模型，研究了彎曲引導(dǎo)裝置與擠壓模出口之間的距離對(duì)材料流動(dòng)的影響。結(jié)果表明，擠壓模出口處和彎曲模入口處的流速之差是連續(xù)變化的，導(dǎo)致型材在出模口和彎曲模之間發(fā)生彎曲變形發(fā)生。此外，彎曲型材中還存在殘余應(yīng)力，熱處理過程中應(yīng)力發(fā)生稀放，驅(qū)動(dòng)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶過程，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。

MüLLER等[39]提出了一種分段調(diào)節(jié)的擠壓-彎曲一體化成形方法與裝置，如圖7所示。通過在常規(guī)擠壓機(jī)出?？诓糠种苯犹砑佑梢幌盗械囊龑?dǎo)模組成的彎曲裝置，其具體構(gòu)造為一系列平行排列的中空環(huán)形圓盤，空心部分的橫斷面形狀與從擠壓模擠出的型材橫斷面幾何形狀大致相似。排在離擠壓模越遠(yuǎn)的圓盤的空心部分橫斷面比靠近擠壓模部分的橫斷面要大，相鄰兩片引導(dǎo)模之間橫截面尺寸差視型材的尺寸和彎曲曲率而定。每個(gè)圓盤均有倒角。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過自動(dòng)或手動(dòng)控制各個(gè)引導(dǎo)模的相對(duì)位置來調(diào)整彎曲裝置，從模口擠壓出來的坯料在通過彎曲裝置時(shí)彎曲成所需的弧度。如果在擠壓中保持各個(gè)引導(dǎo)模的位置不變，便生產(chǎn)出固定曲率的彎曲型材。如果不斷地調(diào)整各個(gè)引導(dǎo)模的位置，便可以改變出模口制品的彎曲曲率，生產(chǎn)出變曲率彎曲型材。

圖7 MüLLER提出的分段調(diào)節(jié)的擠壓-彎曲一體化成形裝置[39]Fig. 7 Bending process using segmented regulating guiding device by MüLLER[39]

多特蒙德大學(xué)輕量化結(jié)構(gòu)成形研究所還嘗試開發(fā)了一套型材擠壓-彎曲一體化連續(xù)生產(chǎn)工藝鏈[40]。該工藝鏈主要由以下幾部分組成：一是借助數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)擠壓機(jī)出?？谶M(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的半梅花型出口能夠直接擠壓小彎曲半徑的彎曲型材而不會(huì)與擠壓機(jī)出口產(chǎn)生干涉；二是型材經(jīng)熱擠壓機(jī)出?？诤蠼?jīng)過引導(dǎo)模作用直接一道次彎曲成形，通過添加一副傳感器測(cè)量彎曲型材的半徑差反饋給控制系統(tǒng)，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)引導(dǎo)模的位置來達(dá)到理想的彎曲半徑；三是采用一個(gè)切割機(jī)器人對(duì)擠壓的彎曲型材進(jìn)行定長(zhǎng)切割，同時(shí)另一個(gè)機(jī)器人夾持已切割的彎曲型材轉(zhuǎn)送到擠壓輸送導(dǎo)軌上。

MATTHIAS[41]提出了一種用于制備汽車車架彎曲件的工藝及設(shè)備，該方法是擠出的型材直接受具有一定運(yùn)動(dòng)軌跡的導(dǎo)引輪作用，型材的前端隨導(dǎo)引輪一起運(yùn)動(dòng)，型材末端在擠壓模具出料口邊緣的約束下，形成彎曲型材。

SHUNTA等[42]提出一種用于生產(chǎn)擠壓彎曲工件如汽車結(jié)構(gòu)件、保險(xiǎn)杠、側(cè)圍等的方法，該方法通過在傳統(tǒng)擠壓機(jī)出口處放置兩塊可以移動(dòng)的金屬引導(dǎo)板來調(diào)整型材的彎曲弧度。第一塊金屬引導(dǎo)板正對(duì)擠壓中心，第二塊金屬引導(dǎo)板可以自由運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整彎曲弧度。

另外，上海交通大學(xué)張平等[43]發(fā)明了1種鎂合金型材擠壓-彎曲一體化成形方法，其特征在于，在臥式擠壓機(jī)的出料口附近布置一套三輥彎曲裝置，鎂合金錠坯經(jīng)過熱擠壓形成型材，型材在冷卻之前直接進(jìn)入三輪輥彎裝置，由同一平面內(nèi)的3個(gè)輥輪對(duì)型材施加彎矩，實(shí)現(xiàn)彎曲成形，控制輥輪的運(yùn)動(dòng)及位置得到所需彎曲角度與彎曲半徑。

4 結(jié)合在線淬火控溫的擠壓-彎曲一體化成形工藝與裝備

在已有的擠壓-彎曲一體化成形工藝中，彎曲變形在擠壓出?？诘母邷貤l件下進(jìn)行，型材強(qiáng)度和硬度較低，在外力作用下型材截面容易壓塌變形，且表面容易產(chǎn)生劃傷。針對(duì)現(xiàn)有的擠壓-彎曲一體化成形工藝中存在的缺點(diǎn)，本文作者所在課題組發(fā)明了一種結(jié)合在線淬火控溫的彎曲型材短流程加工方法和裝置[44-47]，如圖8所示。該裝置將型材的擠壓、彎曲和淬火有機(jī)結(jié)合，通過一道工序便可以由擠壓坯料生產(chǎn)出合格的彎曲擠壓型材，通過在線淬火裝置使型材彎曲變形溫度控制在中等水平，既有較好的成形性，又能減少回彈、截面變形和表面劃傷等缺陷，同時(shí)還可完成在線淬火，因此可提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成品率，降低生產(chǎn)成本。

結(jié)合在線淬火控溫的彎曲型材短流程加工裝置由在常規(guī)擠壓機(jī)出?？诤竺嬷苯犹砑釉诰€淬火裝置、變曲率彎曲裝置而組成，包括依次排列的常規(guī)擠壓機(jī)、變曲率彎曲裝置、在線測(cè)量剪切裝置，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在所述變曲率彎曲裝置所在位置設(shè)置在線淬火裝置，且所述變曲率彎曲裝置位于在線淬火裝置中。所述在線淬火裝置的結(jié)構(gòu)如圖9所示。該裝置由多節(jié)裝有頂蓋的小淬火槽依次鉸接組成長(zhǎng)條形大淬火槽，每節(jié)小淬火槽內(nèi)腔的上、下和兩個(gè)側(cè)面都設(shè)有冷卻介質(zhì)噴射系統(tǒng)，其流量都可以獨(dú)立控制；如果淬火介質(zhì)是水，槽底部還設(shè)有淬火介質(zhì)(水)收集槽。在線淬火裝置的位置還可沿型材移動(dòng)方向(即相對(duì)彎曲裝置)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過調(diào)整各節(jié)小淬火槽之間的角度可形成一個(gè)圓弧狀的所述大淬火槽，大淬火槽的曲率可隨型材彎曲曲率變化而變化，因此，可以用于不同曲率彎曲型材的在線淬火。

圖8 擠壓-彎曲-淬火一體化成形裝置示意圖[44-47]Fig. 8 Extrusion-bending-quenching integrative forming technology and device[44-47]: 1—Hydraulic cylinder; 2—Block;3—Container; 4—Billet; 5—Extrusion die; 6—Press beam;7—Charging device; 8—Bending device; 9—Quenching device; 10—Flying saw; 11—Measuring instrument; 12—Profile; 13—Roller; 14—Unloaded device

圖9 在線淬火裝置示意圖Fig. 9 Schematic diagram of on-line quenching device: 1—Profile; 2—Felt roll; 3—Tank; 4—Head cover; 5—Spray nozzle

圖 10 擠壓-彎曲-淬火一體化成形裝置及所制備的汽車頂棚行李架Fig. 10 Extrusion-bending-quenching integrative forming device(a) and automobile roof luggage rack(b)

在實(shí)際的擠壓生產(chǎn)過程中，擠出型材在擠壓出?？谔幨芡饬ψ饔冒l(fā)生彎曲，通過對(duì)不同加工過程的數(shù)值仿真結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得在線淬火區(qū)與彎曲變形區(qū)之間的相對(duì)位置(D)，以及淬火介質(zhì)的種類和流量，控制后續(xù)彎曲變形區(qū)的溫度在合理范圍內(nèi)，使型材具有良好的彎曲性能，避免彎曲回彈；同時(shí)可防止由于型材溫度過高而使其在彎曲過程中發(fā)生截面塌陷和表面劃傷。在線淬火裝置使用的淬火介質(zhì)可以是空氣、水霧和水柱。從在線淬火區(qū)與彎曲變形區(qū)出來的彎曲型材進(jìn)入卸料臺(tái)，飛鋸根據(jù)測(cè)量?jī)x反饋的信息對(duì)型材進(jìn)行定長(zhǎng)裁切，運(yùn)送到輥道后由卸料機(jī)械手將其運(yùn)走。所開發(fā)的擠壓-彎曲-淬火一體化成形裝置和制備的產(chǎn)品如圖10所示，采用該工藝制備的汽車頂棚行李架有效克服了彎曲回彈，截面變形小，表面質(zhì)量好。由于鎂合金室溫塑性差，冷彎成形基本不可能實(shí)現(xiàn)，因而該方法同時(shí)特別適合于鎂合金彎曲型材的加工。

5 結(jié)語

汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最有效途徑，鋁合金彎曲管型、材的使用將會(huì)越來越廣泛，高效短流程彎曲工藝的開發(fā)已成為研究熱點(diǎn)。盡管國內(nèi)外學(xué)者在擠壓-彎曲成形一體化工藝原型和裝備開發(fā)已取得了一定進(jìn)展，但該新工藝為多工序有機(jī)整合，其成形控制及仿真優(yōu)化方法等基礎(chǔ)性理論研究還很薄弱，亟待解決的關(guān)鍵問題主要如下。

1) 擠壓出口溫度的控制。擠壓加工過程中的劇烈塑性變形會(huì)產(chǎn)生顯著的溫升效應(yīng)，導(dǎo)致沿?cái)D壓長(zhǎng)度方向的尺寸和組織力學(xué)性能有顯著差異。同時(shí)型材擠壓出口溫度不均勻，導(dǎo)致在線淬火降溫不均勻，使型材在后續(xù)彎曲變形區(qū)的回彈和截面變形等缺陷難以控制。

2) 配套的高精度三維彎曲加工控制系統(tǒng)及裝備。車身用框架鋁型材一般為三維變曲率型材，對(duì)裝配尺寸精度要求很高，因此，需開發(fā)能自動(dòng)地計(jì)算三維彎曲過程中不同形狀型材彎曲特性的控制系統(tǒng)及裝置，并對(duì)各種材料的彈性回復(fù)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而自動(dòng)地進(jìn)行補(bǔ)償，以提高尺寸精度。目前該成形技術(shù)的研究仍處于前期探索階段。

3) 材料連續(xù)變形的統(tǒng)一本構(gòu)模型。研究鋁合金材料在熱變形條件下的本構(gòu)關(guān)系是數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)。現(xiàn)有的熱變形材料本抅模型很難適合于擠壓-彎曲一體化多道次變形。建立基于位錯(cuò)密度、晶粒尺寸和晶界遷移率等為內(nèi)變量的本構(gòu)方程需要進(jìn)一步的突破和研究，從而能更加準(zhǔn)確地反映材料在連續(xù)熱變形過程中的物理本質(zhì)，提高仿真精度，為工藝優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量控制提高理論指導(dǎo)。

4) 熱邊界條件定量表征。對(duì)擠壓-彎曲多道次變形而言，坯料與模具、導(dǎo)引輪、淬火介質(zhì)之間的摩擦和換熱邊界條件對(duì)成形過程的仿真精度具有重要影響。傳統(tǒng)的模擬仿真中，通常假設(shè)摩擦因數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)是為常數(shù)，而邊界條件是與溫度、壓力和潤(rùn)滑等有關(guān)的參數(shù)，因而嚴(yán)重降低了仿真精度。采用試驗(yàn)測(cè)試、反分析技術(shù)相結(jié)合的方法將為邊界條件的準(zhǔn)確獲取提供一個(gè)新的研究思路。

[1] CORNETTE D, GALTIER A. Influence of the forming processing on crashing and fatigue performance of high strength steels for automotive components[R]. SAE Paper, 2002-01-06.

[2] BENEDYK J C. Light metals in automotive application[J]. Light Metal Age, 2000, 10(1): 34-35.

[3] 龍啟江, 蘭鳳崇, 陳吉清. 車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2008, 44(6): 27-35.LONG Jiang-qi, LAN Feng-chong, CHEN Ji-qing. New technology of lightweight and steel-aluminum hybrid structure car body[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(6):27-35.

[4] 王 冠, 周 佳, 劉志文, 李落星, 劉 波, 李曉青, 劉揚(yáng)勝.鋁合金汽車前碰撞橫梁的輕量化設(shè)計(jì)與碰撞性能分析[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2012, 22(1): 90-98.WANG Guan, ZHOU Jia, LIU Zhi-wen, LI Luo-xing, LIU Bo,LI Xiao-qing, LIU Yang-sheng. Lightweight design and crash performance analysis of automotive aluminum bumper[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(1): 90-98.

[5] 徐 義, 李落星, 李光耀，鐘志華. 型材彎曲工藝的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2008, 15(3): 46-49.XU Yi, LI Luo-xing, LI Guang-yao, ZHONG Zhi-hua. Extrusion bending: method, application and recent development[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2008, 15(3): 46-49.

[6] FRANK V. Extrusion, channel, and extrusion bending: A review[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999,87(1/3): 1-27.

[7] YANG H, LI H, ZHAN M. Friction role in bending behaviors of thin-walled tube in rotary-draw-bending under small bending radii[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210:2273-2284.

[8] LI H, YANG H, YAN J, ZHAN M. Numerical study on deformation behaviors of thin-walled tube NC bending with large diameter and small bending radius[J]. Computational Materials Science, 2009, 45(4): 921-934.

[9] YANG He, LI Heng, ZHANG Zhi-yong, ZHAN Mei, LIU Jing,LI Guang-jun. Advances and trends on tube bending forming technologies[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2012, 25: 1-12.

[10] HUA M, LIN Y H. Larger deflection analysis of elastoplastic plate in steady continuous four-roll bending process[J].International Journal of Material Sciences, 1999, 41: 1461-1483.

[11] GEIGER M, SPRENGER A. Controlled bending of aluminum extrusions[J]. Annals of the CIRP, 2003, 10(6): 46-49.

[12] CLAUSEN A H, HOPPERSTAD O S, LANGSETH M.Sensitivity of model parameters in stretch bending of alumium extrusions[J]. International Journal of Mechanical Sciences,2001, 43: 427-453.

[13] MILLER J E, KYRIAKIDES S, BASTARD A H. On bend-stretch forming of aluminum extruded tubes—Ⅰ:Experiments[J]. International Journal of Mechanical Sciences,2001, 43: 1283-1317.

[14] LI Xiao-qiang, ZHOU Xian-bin, JIN Chao-hai, LI Dong-sheng,LI Xiao-xing. A trajectory design method for stretch bending of 3D extrusion parts based on deformation controlled FE simulation[J]. Advanced Technology of Plasticity, 2008, 9:2183-2188.

[15] LI Xiao-qiang, LI Hui, LI Dong-sheng. Springback simulation in stretch bending of aluminum extrusions using static implicit and dynamic explicit FE codes[J]. Advanced Materials Research,2011, 295/297: 1606-1612.

[16] CHOI Y, YEO H T, PARK J H, OH G H, PARK S W. A study on press forming of automotive sub-frame parts using extruded aluminum profile[J]. Journal of Materials Processing Technology,2007, 187/188: 85-88.

[17] ASNAFI N, NILSSON T, LASSL G. Tubular hydroforming of automotive side members with extruded aluminium profiles[J].Journal of Materials Processing Technology, 2003, 142(1):93-101.

[18] LIU Qi-qian, FU Wen-zhi, LU Cheng, TIEU Kiet, LI Ming-zhe.Size effect in micro multi-point sheet forming[J]. Advanced Science Letters, 2011, 4(6/7): 2054-2058.

[19] LIU Qi-qian, FU Wen-zhi, LI Ming-zhe, CHEN Zhi-hong.Numerical simulation on the process of multi-point forming for tube[J]. J Harbin Institute of Technology, 2010, 17(6): 858-862.

[20] FINCKENSTEIN, E V, LUDOWIG G, ZICKE G, STUTTE G.Developments in NC-sheet metal bending, especially in NC-roll bending[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1981,30(1): 163-166.

[21] HERMES M, CHATTI S, WEINRICH A, TEKKAYA A E.Three-dimensional bending of profiles with stress superposition[J]. Advanced Methods in Material Forming, 2008,1(1): 133-136.

[22] KLEINER M, GEIGER M, KLAUS A. Manufacturing of lightweight components by metal forming[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2003, 52(2): 521-542.

[23] HUDOVERNIK M, STAUPENDAHL D, GHARBI M,HERMES M, TEKKAYA A E, KUZMAN K, SLABE J M. 3D numerical analysis of 2D profile bending with the torque superposed spatial bending method[J]. Strojni?ki Vesinik Journal of Mechanical Engineering Volume, 2013, 59(3): 139-147.

[24] CHATTI S, HERMES M, TEKKAYA A E, KLEINER M. The new TSS bending process: 3D bending of profiles with arbitrary cross-sections[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology,2010, 59: 315-318.

[25] PAHL G, BEITZ W, FELDHUSEN J, GROTE K H. Engineering design: A systematic approach[M]. 3rd ed. Germany, Springer,2007.

[26] HERMES M, STAUPENDAHL D, BECKER C. Innovative machine concepts for 3D bending of tubes and profiles[J]. Key Engineering Materials, 2011, 473: 37-42.

[27] BROSIUS A, HERMES M, KHALIFA N B, TROMPETER M,TEKKAYA A E. Innovation by forming technology: Motivation for research[J]. International Journal of Material Forming, 2009,2(1): 29-38.

[28] MüELLER K B. Bending of extruded profiles during extrusion process[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(11): 1238-1242.

[29] 宋繼順, 杜德恒, 馬 敘, 尹 康, 崔宏祥. 雙凸模差速擠壓方形彎曲管件工藝過程有限元模擬[J]. 重型機(jī)械, 2010, 2:6-16.SONG Ji-shun, DU De-heng, MA Xu, YIN Kang, CUI Hong-xiang. Finite element analysis of differential-velocity extrusion process of dual punch for bending tube[J]. Heavy Machinery, 2010, 2: 6-16.

[30] SONG Ji-shun, LI Yun-Tao, DU De-heng, MA Xu, YIN Kang.Numerical simulation of eccentric extrusion form bending pipe parts[J]. Materials Science Forum, 2011, 704/705: 1492-1497.

[31] TIEKINK J J. Extrusion method and extrusion apparatus: US 5305626[P]. 1994-04-26.

[32] 馬 敘, 封志龍, 宋繼順, 馬靜云. 一種成形小角度彎曲管件擠壓面為不同曲面的成型裝置: 中國專利, CN 201020588069.8[P]. 2011-08-17.MA Xu, FENG Zhi-long, SONG Ji-shun, MA Jing-yun. A forming device for small angle bend pipe extrusion forming surface of different surface: CN 201020588069.8[P].2011-08-17.

[33] CHEN F K, CHUANG W C, TORNG S. Finite element analysis of multi-hole extrusion of aluminum-alloy tubes[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 201(1/3): 150-155.

[34] PENG Z, SHEPPARD T. Simulation of multi-hole die extrusion[J]. Materials Science and Engineering A, 2004,367(1/2): 329-342.

[35] 崔宏祥, 宋繼順, 杜德恒, 尹 康. 一種采用偏心擠壓成型制備管材彎曲件的方法: 中國專利, CN 200910070934.1[P].2010-04-14.CUI Hong-xiang, SONG Ji-shun, DU De-heng, YIN Kang. A method for preparation of tube bending forming system by adopting eccentric extrusion: CN 2009100709341[P].2010-04-14.

[36] KLEINER M, GEIGER M, KLAUS A. Manufacturing of lightweight components by metal forming[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2003, 52(2): 521-542.

[37] KLAUS A, KLEINER M. Developments in the manufacture of curved extruded profiles-past, present, and future[J]. Light Metal Age, 2004, 62(7): 22-32.

[38] BUNTORO, MUELLER K B. Concurrent extrusion and bending of aluminum profiles[J]. Light Metal Age, 2003, 61: 8-12.

[39] BUNTORO, MUELLER K B. Investigation of the material flow during the concurrent bending and extrusion process of Al-profiles[C]// Proceeding of the Sixth ESAFORM Conference on Material Forming. Salerno, Italy, 2003: 279-282.

[40] BICKENDORF J, GASPER S. Offline programming enables robotized 3D-curved profile extrusion[J]. Light Metal Age, 2009,67(5): 14-19.

[41] MATTHIAS K. Method and device for the production of curved workpieces: EP 0706843[P]. 1996-08-17.

[42] SHUNTA S, YOSHIO S. Manufacture of aluminum extruded/bent products as automobile frame, bumper, side seal, and the like. JP 02179313[P]. 1990-07-12.

[43] 張 平, 吳文云, 丁文江. 鎂合金型材擠壓-彎曲一體化成形方法: 中國專利, CN 200710171857.X[P]. 2008-05-21.ZHANG Ping, WU Wen-yun, DING Wen-jiang. Magnesium alloy extrusion-bending integral forming method. CN 200710171857.X[P]. 2008-05-21.

[44] 李落星, 周 佳, 王 冠. 一種結(jié)合在線淬火控溫的彎曲型材短流程加工方法和裝置: 中國專利, CN201010240628.0[P].2010-12-08.LI Luo-xing, ZHOU Jia, WANG Guan. A compact process method and device of profiles bending combination in on-line quenching: CN 201010240628.0[P]. 2010-12-08.

[45] 李落星, 周 佳, 張 輝. 車身用鋁合金先進(jìn)擠壓成形技術(shù)及應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 48(18): 35-42.LI Luo-xing, ZHOU Jia, ZHANG Hui. Advanced extrusion technology and application of aluminium, magnesium alloy for vehicle body[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012,48(18): 35-42.

[46] 李落星, 劉志文, 王 冠. 一種三維變弧度擠壓型材在線彎曲成形裝置: 中國專利, CN 103302125.A[P]. 2013-09-18.LI Luo-xing, LIU Zhi-wen, WANG Guan. An on-line Bending device for 3D curve extrusion profiles: CN 103302125.A[P].2013-09-18.

[47] 于 立, 劉志文, 李落星, 王 群. 擠壓-彎曲一體化成型鋁合金彎曲型材的質(zhì)量與性能[J]. 機(jī)械工程材料, 2012, 36(7):72-76.YU Li, LIU Zhi-wen, LI Luo-xing, WANG Qun. Quality and properties of curved aluminium alloy profile formed by extrusion-bending integration process[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2012, 36(7): 72-76.