鋁合金型材彎曲成形制造技術(shù)

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(qiáng)度（2、6、7系列鋁合金材料可進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化處理以獲得更高強(qiáng)度）、表面處理等特點(diǎn)，被大量采用彎曲成形制作各種彎曲件，廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)件、醫(yī)療器械滑軌、家居裝飾等諸多領(lǐng)域。彎形件的設(shè)計(jì)要求也呈現(xiàn)多樣化及功能化，隨著科學(xué)技術(shù)及工藝裝備的不斷提高，彎曲工藝也呈現(xiàn)多元化發(fā)展。國外彎形技術(shù)已有三四十年的發(fā)展史，工藝技術(shù)力量雄厚。但我國高端產(chǎn)品的開發(fā)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(yè)，技術(shù)壟斷性強(qiáng)，國內(nèi)整體彎曲成形制造技術(shù)實(shí)力比國外還有明顯差距。

型材彎曲工藝按照彎形設(shè)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(shè)備和彎形工藝原理對彎形工藝進(jìn)行歸類總結(jié)。

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(gè)步驟：第一步，設(shè)備拉伸缸鉗口夾住材料并給型材施加預(yù)拉伸力，達(dá)到材料屈服強(qiáng)度。第二步，拉彎機(jī)回轉(zhuǎn)缸加載彎曲回轉(zhuǎn)，拉伸缸按照程序設(shè)定軸向拉力，使型材圍繞拉彎模具做貼合運(yùn)動(dòng)而使材料成形。第三步，根據(jù)材料變形回彈情況增加補(bǔ)拉伸（拉彎設(shè)備結(jié)構(gòu)示意見圖3）。拉彎成形過程中，工件在彎曲的同時(shí)，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(bǔ)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(diǎn) 工藝優(yōu)點(diǎn)：①能夠拉彎成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的型材斷面。②可實(shí)現(xiàn)多弧段變曲率的型材拉彎成形。③彎弧精度高，材料回彈穩(wěn)定，工件尺寸的一致性好。④可有效消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好。⑤由于金屬材料的冷作硬化，材料經(jīng)拉彎后，可改善材料的力學(xué)性能。工藝缺點(diǎn)：①拉彎產(chǎn)品斷面尺寸大小受設(shè)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(guān)鍵技術(shù) 拉彎工件的弧度設(shè)計(jì)原則以不超過材料的伸長率為限度，拉彎成形中將出現(xiàn)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(xué)性能、截面形狀及拉彎工藝參數(shù)等因素密切相關(guān)。

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(qū)各部分的應(yīng)力狀態(tài)不同，中性層以外材料受拉應(yīng)力作用，中性區(qū)以內(nèi)材料（與拉彎模具貼合）受壓應(yīng)力作用，為使材料不至于受壓應(yīng)力產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，預(yù)拉伸力要足夠，使材料產(chǎn)生屈服拉伸，相應(yīng)的中性層以外的金屬將受到更大的拉力作用，出現(xiàn)壁厚減薄，并有斷裂傾向。所以如何平衡材料不產(chǎn)生起皺并且中性層外側(cè)金屬不出現(xiàn)斷裂，避免型材截面尺寸變形過大，是確定拉彎工藝參數(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵考慮因素。

式中F拉——拉彎機(jī)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(qiáng)度（MPa）。

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

（5）三維拉彎機(jī)及三維拉彎關(guān)鍵技術(shù) 三維拉彎設(shè)備的主機(jī)架由安裝在地基上的焊體框架結(jié)構(gòu)組成，如圖4所示，主機(jī)架用來支撐可旋轉(zhuǎn)的拉伸搖臂2及液壓缸。在機(jī)架的頂部裝有可安放模具的工作平臺(tái)1。兩個(gè)拉伸缸托架9分別安裝在搖臂2的上部，通過電驅(qū)動(dòng)螺旋導(dǎo)桿實(shí)現(xiàn)電動(dòng)定位以適應(yīng)不同長度的工件。每個(gè)搖臂2上均配備拉伸缸4。零件的扭曲通過一個(gè)裝在拉伸缸4后面的帶齒輪箱的液壓馬達(dá)7來實(shí)施。拉伸缸4通過萬向節(jié)安裝在托架9上，萬向節(jié)使夾鉗8鉗口能向前或向后自由地旋轉(zhuǎn)。夾鉗升降缸5實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)上下俯仰，托架9上的運(yùn)動(dòng)副所有動(dòng)作（拉伸—提升—俯仰—旋轉(zhuǎn)）使工件在整個(gè)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(shè)備結(jié)構(gòu)示意

圖4 三維拉彎機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)備結(jié)構(gòu)及設(shè)備工作原理：三維拉彎關(guān)鍵技術(shù)主要是模具設(shè)計(jì)，三維拉彎機(jī)不會(huì)給出理想的三維拉彎程序，工藝設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)材料的性能及彎曲成形進(jìn)行系統(tǒng)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(dá)到最佳匹配，并達(dá)到工件的技術(shù)要求，需要工藝技術(shù)人員具有較高的產(chǎn)品研發(fā)能力。

空間三維工件在高速列車車頭結(jié)構(gòu)件及飛機(jī)制造業(yè)上有較多應(yīng)用，產(chǎn)品技術(shù)含量高，模具投入成本大，研發(fā)周期長，產(chǎn)品的附加值較高。圖5、圖6為拉彎工藝成形工件的典型實(shí)例。

2.輥彎成形工藝

（1）輥彎成形工作原理 輥彎機(jī)一般分為立式輥彎機(jī)和臥式輥彎機(jī)，如圖7、圖8所示。立式輥彎機(jī)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(jī)各軸工藝位置均由伺服電動(dòng)機(jī)精確控制，液壓馬達(dá)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各軸的聯(lián)動(dòng)，通過可編程序控制器（PLC）控制伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)作。在設(shè)備輥輪軸對工件進(jìn)行輥彎的同時(shí)，設(shè)備上的編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測工件輥彎的弧長并將數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋系統(tǒng)，設(shè)備根據(jù)設(shè)定程序進(jìn)行多次往復(fù)輥彎或多弧度輥彎的軌跡運(yùn)動(dòng)。

醫(yī)院感染管理科要與護(hù)理管理人員一起制定出護(hù)理感染控制標(biāo)準(zhǔn),如:預(yù)防醫(yī)院感染的護(hù)理措施、病區(qū)的消毒制度以及預(yù)防院內(nèi)感染的護(hù)理規(guī)范等,提高醫(yī)護(hù)人員的預(yù)防感染意識,保障感染控制質(zhì)量[2]。

（2）輥彎成形工藝特點(diǎn) 輥彎機(jī)一般多數(shù)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(shù)控輥彎機(jī)可以實(shí)現(xiàn)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(gè)弧段變形程度不同，反彈不均，生產(chǎn)時(shí)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(chǎn)。

（3）輥彎成形工藝關(guān)鍵技術(shù) 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(shè)計(jì)是工件成形技術(shù)的關(guān)鍵，一般模具材料選用45調(diào)質(zhì)鋼或模具鋼經(jīng)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(guī)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(qiáng)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(jì)算輥彎設(shè)備是否滿足輥彎工件的工藝要求，需滿足以下幾個(gè)條件：①輥軸長度是否滿足材料的寬度尺寸。②設(shè)備輥彎最小彎弧半徑是否大于工件的最小弧度。③設(shè)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(fēng)擋連接框

圖7 立式輥彎機(jī)

圖8 臥式輥彎機(jī)

圖9 輥彎機(jī)工作原理

圖10 物流導(dǎo)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(jì)算是圖樣工藝評審過程中，驗(yàn)證輥彎設(shè)備輥彎能力的理論依據(jù)。輥彎工件的成形力計(jì)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(diǎn)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(jī)對材料施加壓力，通過壓彎模具對材料產(chǎn)生彎矩，使材料發(fā)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(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù) 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(shè)計(jì)不一而同，需要經(jīng)過不斷的壓彎工藝試驗(yàn)摸索反彈量并經(jīng)幾次修模得到合理的模具壓彎形面。壓彎工藝幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)：①壓彎模具的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，合理的填料選用是壓彎成形的關(guān)鍵。③對于斷面形狀不對稱型材，壓彎時(shí)要充分考慮防止側(cè)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(nèi)輥輪8做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且在內(nèi)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(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)材料1在壓緊模5及導(dǎo)向模4作用下完成彎弧。

兩種模式的區(qū)別在于：模式1材料縱向不動(dòng)，而模式2材料在縱向隨彎模運(yùn)動(dòng)，模式2在進(jìn)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(yīng)用，兩種繞彎模式的有機(jī)結(jié)合可以進(jìn)行復(fù)雜多弧度工件的實(shí)現(xiàn)，如圖15中所示S形工件的繞彎。

圖12 軌道車輛司機(jī)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(jié)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(shí)際工藝開發(fā)中，具體采用哪種工藝需要根據(jù)彎弧工件的設(shè)計(jì)和理論計(jì)算進(jìn)行全面分析，還需結(jié)合各種類似的工件進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)比對，在模具或工裝的設(shè)計(jì)前期將彎弧件預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行羅列，結(jié)合各工藝方法進(jìn)行分析，在進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)時(shí)有相應(yīng)的措施來應(yīng)對彎形中出現(xiàn)的問題。型材彎弧是一項(xiàng)綜合的技術(shù)，各種彎弧原理需要吃透，且工藝設(shè)計(jì)人員在工作中需長期不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，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(chǎn)方案。

圖15 S形工件繞彎實(shí)例