轨道车辆不锈钢拉弯件模具及夹头设计研究

刘强+++梁红波++陈积翠++李政

摘 要：轻量化设计的不锈钢轨道车辆车体结构件大量采用拉弯成形工艺制造。由于型材拉弯后存在弹性变形，卸载后不可避免地会产生回弹现象，拉弯件的弯曲轮廓精度与回弹的控制密不可分。拉弯胎模的工作面也就是外形轮廓设计直接影响拉弯件的轮廓精度，是拉弯胎模设计的关键。本文以先进的位移控制模式下的数控拉弯机为基础，结合型材拉弯工艺设计软件PSBPD和有限元分析，对拉弯模模具轮廓进行考虑回弹量的精准设计。此外，拉弯夹头的咬合力及工作状态的稳定性也是制约拉弯机正常工作获得合格产品的关键之一。结合拉弯现场试验及工艺参数进一步调整优化，得到了满足要求的高精度的拉弯产品。

关键词：拉弯成形；模具设计；回弹；参数优化

中图分类号：TG385 文献标识码：A

0.引言

轨道车辆车体结构中如车顶弯梁、空调连接梁等均采用拉弯工艺制造。其拉弯成形结构件具有结构尺寸大、材料薄和表面质量要求高等特点，因此对拉弯模具及夹头的设计和制造提出了相当高的要求。经过分析和试验证明：通过仿真软件合理预测拉弯变形回弹量，对拉弯胎膜的轮廓进行考虑回弹量的补偿精准设计。同时拉弯夹头的咬合力及工作状态下的稳定性也直接影响拉弯成形效果。

本文以某不锈钢地铁车顶弯梁的研制为例，基于PSBPD软件对拉弯过程进行工艺设计，优化夹钳加载轨迹，数控代码由PSBPD软件离线编程；通过有限元仿真计算回弹量，并对模具型面进行相应的补偿。结合拉弯现场试验及工艺参数进一步调整优化，批量获得了满足设计要求的高精度的产品。

1.车顶弯梁零件简介

某不锈钢地铁拉弯件：车顶弯梁，其轮廓曲线和截面形状如图1所示。为控制板材折弯件的精度，采用数控激光下料、数控折弯成形，控制截面精度在±0.2mm以内，保证折弯件的一致性。并制定如下工艺路线：供料-调平-数控激光下料-调直-覆膜数控折弯-调整-拉弯-手工调-切头-钻孔。

2.拉弯模具设计

拉弯模具的设计要满足材料成本低、模具重量轻、易加工、加工费用低、易安装拆卸、方便再次修模的技术要求。拉弯模具设计的关键包括拉弯模的轮廓线设计、剖面形状设计、拉弯模的长度、结构和强度设计、定位孔的位置等。

（1）轮廓线设计

工艺仿真的结果提供了型材拉弯成形回弹后的轮廓曲线数据，通过特定程序，可以将这一系列的点用光滑的曲线拟合起来，这样就为模具设计提供了参考依据。PSBPD软件输出轮廓线的GDO文件，再用特定程序输出连续的模具轮廓线，再根据模具的轮廓曲线可以设计出模具整体结构，如图2所示。

（2）拉弯模的长度设计

模具的有效长度应较零件切割长度每边增加10mm；两端圆角半径r不宜小于20mm；工作中机床的夹头应能自由进入模具的后方，以便保证正确的轴向拉力作用方向，并减少毛料两端的工艺余量，必要时模具两端开出缺口形状。

（3）结构和材料设计

传统的拉弯胎膜结构由数层合并而成，并用螺栓连接。底板应有足够的强度，需按照所拉弯型材的壁厚大小来决定。对于模具受力特别大的部分，需要镶钢板局部加强。此外模具的剖面形状应符合于型材剖面的特点，间隙σ一般取0.2mm～0.5mm。如图3所示为根据车顶弯梁的截面形状和轮廓曲线设计的拉弯胎膜的剖面特征图。

（4）定位孔的位置要求

定位孔的位置应满足两个要求：模具的外形应与在两旁钳口内准备拉弯的型材相切；模具的中心线与机床轴线重合。

3.夹头设计

拉弯夹头的稳定性是保证数控拉弯机的关键之一；位移模式下设计的设备数控代码实质上是对夹头轨迹的控制，要实现对夹头的精准控制，进而获得高精度的拉弯产品，拉弯夹头必须对工件有足够的垂向咬合力以及轴向拉力。因此对拉弯夹头设计和制造精度提出了很高的要求。

（1）夹钳总体设计。为了实现经济性和通用行，采用通用镶块结构，如图4所示，夹头内的夹块必须按型材的截面形状进行更换，由于型材在拉弯过程中受到很大的轴向拉伸力，夹块的齿面应保持可靠地咬住型材的毛料，均匀传递拉力。为了防止将整个拉力集中在型材的某一剖面，齿面前端应带有平缓的过渡区，所有夹块应与型材表面均匀接触，并使拉力的合力近似地通过型材剖面的型心。如果夹头在型材剖面的合力作用点不通过型材剖面的型心，将产生一个额外的弯矩，使弯曲零件产生翘曲。根据PSBPD软件可以精确计算出型材截面的型心坐标，以此作为设计夹钳型心的依据。

（2）夾钳分块设计。为了实现夹具的通用性，需根据夹持工件形状进行分块，同时为了避免夹块扭转，每一分块至少需包含一个螺纹用于螺栓固定钳口分块和一个便于安装法兰盘将分块的钳口安装入钳口时固定。根据不同形式的截面，夹钳分块也不同。图4所示为根据车顶弯梁的截面设计的夹钳分块。

（3）夹头夹块设计。由于夹头直接与工件接触，工况条件比较恶劣；为节约夹头的制造成本，夹头设计成可更换的夹块。为了保证夹头工作状态下地稳定性及可互换性，夹块的设计必须满足如下要求：① 夹头内的夹块必须按型材的剖面更换。② 夹块的齿面应保持可靠的咬住型材毛料，均匀传递拉力。③ 齿面前端应带有平缓的过渡区，所有夹块应与型材表面均匀接触，并使拉力的合力近似地通过型材剖面的形心。（4）咬合齿面硬度及公差设计 。要保证夹头的咬合力，就必须保证夹头镶块齿面有足够的硬度和楔入工件的深度；因此夹块的齿面热处理硬度值：HRC50～HRC55；夹块的纵向尺寸公差要求取正。

如果镶块齿面硬度达不到要求或者镶块的尺寸精度和安装精度达不到设计要求，都会造成夹头工作不稳定，甚至出现如图5所示的打滑现象；大量实践证明，该牙形适合板厚大于2mm的型钢拉弯的夹紧方式，用于1mm厚的型材拉弯夹紧则暴露了其缺点和不足。对于板料厚度为 1mm的空调连接梁，需要设计适用于薄板型材拉弯的夹紧牙形结构。优化设计需要考虑镶块既要有凸凹部分的相互啮合，又要解决零件在受力过程中的应力集中、切断零件的问题。

4.拉弯试验效果

根据PSBPD仿真软件设计的回弹预测结果加工了拉弯模具， 并生成了拉弯机数控程序，并进行了拉弯试验。经过两次地工艺参数优化，试验获得了批量合格的高精度的产品，如图6所示。

结论

拉弯工艺是一种重要的弯曲工艺，是公司在轻合金轨道车辆车体制造上必须掌握的关键技术；而拉弯工艺设计的关键就是合理掌握拉弯模具及夹头的设计方法和制造要点。而拉弯工艺数字化系统可以为拉弯工艺方案提供科学的指导，提升生产效率和产品质量，缩短产品开发周期，降低生产成本。如PSBPD软件可以设计初始优化的加载轨迹，进行数控代码离线编程及拉弯机构运动仿真；有限元模拟可以进行拉弯过程的变形规律分析，对拉弯工艺参数进一步优化，减小或者避免拉弯缺陷，预测回弹，为拉弯胎膜设计提供参考轮廓面，对于减少修模次数、降低模具费用、提高材料利用率有着十分重要的指导性意义。

参考文献

[1]金朝海.铝合金型材拉弯成形有限元仿真建模及成形过程的数值模拟[R].北京：北京航空航天大学博士后出站报告，2004.

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[4] 李奇涵.冲压成形工艺与模具设计[M].北京：科学出版社，2012.endprint