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[其他] 铝合金行李架拉弯工艺探讨

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发表于 2020-2-25 09:24:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 hery 于 2020-2-25 09:26 编辑

铝合金行李架拉弯工艺探讨

段吉超 张乙琳 贺良勇 赵嫱 汪育全 刘德满
(东风汽车公司技术中心 武汉 430058)
【中国汽车材料网】摘要:行李架是车身重要的外观与承重件,其金属杆件多采用闭截面铝型材。拉弯是型材的基本弯曲成形方法,也是行李架杆件主流的成形方法。针对行李架在拉弯过程中容易出现内侧起皱、表面凹陷、回弹等缺陷,通过合理选材、优化截面形状、调整工艺参数等方法可以有效解决上述缺陷问题,提高成形精度。
关键词:行李架 铝型材 拉弯 成形

1 概述

车顶行李架装配在车身顶部,既可以安全方便地固定行李,又起到造型和装饰的作用,一般用于两厢式旅行车、SUV和MPV等车型上。行李架杆件一般采用闭截面的铝型材,按照其与车顶的关系可分为一体式和站立式,其中站立式又分为两腿站立式与多腿站立式。

贴顶式行李架通常采用一体式,其造型线条美观,与车身搭配精致,是行李架结构重要的发展形式。由于要与车顶造型匹配,该形式的行李架一般弧度较大,主要采用拉弯工艺生产。行李架杆件的成形工艺包括压弯、拉弯和液压成形等方法,对比见表1。

介绍了铝合金行李架的拉弯工艺与成形性概念,分析了拉弯成形性的影响因素,建立了行李架型材拉弯模型,探讨了拉弯过程出现的问题与解决方法,为行李架选材、设计、工艺方案提供参考。

表1 行李架成形工艺比较
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2 型材拉弯工艺与拉弯成形性
2.1 型材拉弯工艺

拉弯是一种冷加工弯曲成形方法,工件在弯曲的同时还受到切向拉力,在弯矩和拉力的共同作用下弯曲成形。拉弯时工件截面内的应力一般以拉应力为主,压应力较小或没有,因此成形后回弹较小、贴模好、不易起皱、成形精度高。按拉弯成形原理和设备不同,拉弯可分为转台式拉弯和张臂式拉弯,行李架一般采用张臂式拉弯。

型材拉弯成形可分为力控制和位移控制两种方式。行李架一般采用位移控制,为提高精度可采用三步法,即先拉、后弯、再补拉3步完成。如图1所示,先在型材两端施加一定的预拉力,使其产生一定量的预变形,预拉应力的大小通常在屈服点附近。然后保持预拉力不变,通过钳口的运动使型材弯曲成形。之后再施加一定的补拉力,以进一步减少回弹和促进贴膜。在位移控制方式中,型材的两端固定,在模具的作用下持续弯曲靠模成形,型材内的拉应力同时也不断增加[1]。

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相对于压弯、滚弯等弯曲方式,拉弯过程工件内切应力分布状态不同。前者弯曲断面上呈现外层受拉、中性层拉压相抵、内层受压并以中性层隔开的应力状态,而拉弯工艺的预拉弯可使外层拉应力增大,随拉伸量增大中心层向内层移动,内层压应力被一部分拉应力冲抵。当中性层移动刚好到内层时,整个断面都受到拉应力,应力状态改变。如果最内层的点受到拉应力进一步增大并达到屈服点时,去掉拉应力后工件基本能保持拉弯获得的形状而不回弹。拉弯工艺具有一次弯曲角度大、回弹小等特点,但也会造成减薄甚至凹陷、底面起皱等缺陷。

2.2 拉弯成形性

型材的拉弯成形性是指型材在拉弯时能够顺利成形并满足精度要求的能力,包括3种成形性能指标即截面保持性、定形性和抗破裂性。截面保持性指型材拉弯过程保持原始截面形状的能力,即抗截面畸变性能;定形性指型材拉弯卸载时保持成形终了形状和尺寸的能力,即抗弹复性能;抗破裂性指型材拉弯成形中抵抗颈缩和破裂的能力[3]。

型材拉弯的成形性和成形精度主要与材料的机械性能、工件截面状态(截面形状和尺寸)、拉弯工艺(拉弯形式、工序、弯曲状态、芯材)密切相关。

分析了贴顶式铝合金行李架在拉弯过程中出现的回弹大、上腹板凹陷、表面直线痕、内侧起皱等成形性问题,并探讨了相应的解决方法。

3 行李架拉弯模型的建立

为探讨行李架拉弯过程的成形性,以某贴顶式铝合金行李架为研究对象,建立有限元模型,模拟该异型管的拉弯过程。型材拉弯材料为6063-T1,实测材料拉伸性能如表2所示,计算前将工程应力应变曲线转化为真实应力应变曲线。型材与模具间摩擦系数设定为0.15。拉弯后热处理,最终产品状态为T5。

表2 型材材料性能
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行李架拉弯工件截面与结构示意见图2。

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图2 拉弯型材截面与结构

4 拉弯缺陷分析与改善方案
4.1 表面直线痕

行李架最初的设计截面如图3所示,在试制过程中出现图4a中的表面直线痕,影响外观质量。分析截面与直线痕的关系可知,断面上室的支撑棱在拉弯过程中由于拉弯速度快,金属在此处流动不均匀,从而引起局部应力集中,是外表面形成直线痕的主要原因。通过计算分析应力分布,可验证与实际情况的吻合度。通过优化截面,取消此支撑棱,新的断面如图2a,该问题得到明显改善,且不影响功能试验的承载要求,见图4b。

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图3 最初的截面形状

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图4 表面直线痕改善前后对比

4.2 表面凹陷

行李架拉弯过程中,外层材料明显减薄,A面弯曲处出现图5所示凹陷。

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图5 外表面塌陷

结合受力状态和变形情况,表面凹陷主要与截面相对高度h*、上腹板相对厚度t*、预拉伸量δ、最小相对弯曲半径R*相关。北航周贤宾等人定义了矩形型材的相对尺寸概念,如图6a所示[3]。其中,相对高度h*=H0/B0,上腹板相对厚度t*=t1/H0。另外假设最小弯曲半径为R,则相对弯曲半径为R*=R/t1,而拉伸量δ则代表预拉伸时的伸长变形率。表面相对凹陷为实际凹陷量与高度的比值。本例中同理定义如图6b所示。

通过控制变量计算以及现场试制调试,得出以下结论。

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图6 矩形和本文型材截面相对尺寸

a.相对高度对表面相对凹陷的影响,在一定范围内(行李架造型与挤出加工需要),随着截面相对高度的增加,最大表面相对凹陷呈减小趋势。根据实际情况,此时从整体已经看不出明显凹陷。这是因为相对高度的增加使得上腹板支撑得到加强,从而减小凹陷发生。相对高度值也不能过大,如果过大则弯曲时外层受到拉应力就很大,致使垂直于腹板方向力增大,引起更大的腹板凹陷,且不满足外观要求。本案例相对高度值为0.87~1.12,凹陷问题基本得到解决。

b.上腹板相对厚度对表面相对凹陷的影响,在一定范围内随着上腹板相对厚度的增加,最大表面相对凹陷有一定的下降。这是因为厚度的增加使得强度增加,抵抗塌陷能力提升。但是上腹板厚度不宜过厚,否则影响成形效果和功能要求,而且不会对凹陷有进一步的改善。

c.预拉伸量对表面相对凹陷的影响,随着预拉伸量的增加,上腹板减薄明显增大,当超过一定值时,最大相对表面凹陷也明显增加。这是因为,壁厚减薄则强度降低,抵抗塌陷的能力降低。因此,确定合理的预拉伸量是避免表面凹陷的有效措施,而合理的预拉伸量又是与拉弯半径相对应的。

d.最小相对弯曲半径对表面相对凹陷的影响,拉弯弧弯曲最急促的地方也是杆件相对弯曲半径最小的地方,这里材料减薄率最高,容易引起凹陷。在腹板厚度不变的情况下,弯曲半径的影响就等效为相对弯曲半径的影响。在工艺控制区间,随着弯曲半径的减小,表面慢慢出现凹陷并且逐渐增大。这是由于弯曲半径减小,材料流动加速致使局部材料不充足,强度降低。因此,设定最小弯曲半径保证拉弯不急剧变化才能保证表面不出现凹陷。

e.其他因素对表面相对凹陷的影响,行李架实际拉弯工艺如果更改截面或拉弯参数不方便,可采取在型腔内放置芯材(如亚克力条)的方式进行凹陷控制,某车型行李架芯材及取出模如图7所示。芯材可以对表面起到一定的支撑作用,防止塌陷发生。拉弯以后取出芯材并矫直,连续使用。

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图7 行李架芯材与其模具

综上,在合理范围内适当增加相对高度、上腹板相对厚度、最小相对弯曲半径并制定上限拉伸量可以有效改善上腹板表面凹陷问题。此外,增加芯材和改善截面两室分布也可以改善凹陷问题。其中,相对高度、弯曲半径的影响更大,可以以型面初步设计为基础,采用变量控制方法计算得到优化参数,再通过实际试制加以验证。本例中经过计算与试制分析,当相对高度为1.06、上腹板相对厚度为6.5%时凹陷较小。

4.3 起皱

行李架拉弯工艺还容易出现起皱的缺陷,会影响贴模状态和表面质量。起皱属于内侧失稳引起的缺陷,通过补拉等措施可以改善。

当预拉量不足以使中性层移至内层材料时,以其为界限,外表面存在较大的拉应力,而内表面存在一定压应力。压应力的存在可能造成内表面失稳起皱。起皱轻微时,可通过补拉加以改善,但需要较大的补拉量,可能会造成截面变形。而起皱较严重的情况下,补拉措施也无法完全矫正,会造成工件作废。最小弯曲半径过小会加剧内侧压应力,也会造成失稳起皱。

因此,保证足够的预拉量、弯曲半径不宜太小是避免起皱的基本措施,而补拉工序和增加芯模在起皱较轻微时可以起到明显的改善作用。但是,过度增大拉伸量虽然可以避免不贴模和失稳起皱,但是也会造成减薄严重,进而出现表面凹陷。因此,实际拉伸量应该确定在保证刚好不起皱和刚好不凹陷两种极端情形下的中间区域。

4.4 回弹

回弹是常见的弯曲缺陷,它的存在会导致贴模和成形精度的降低,通过合理的截面优化和工艺控制可以有效补偿或改善。对于拉弯回弹的评价参数有回弹半径、回弹间隙、回弹角等,根据具体的模型进行选择。

随着拉伸量的增大,回弹间隙和回弹角减小,当拉伸量达到一定值时不再降低,拉伸量的增加对回弹不再有明显影响。该上限值的物理意义是此时中性层移至型材内层,断面上无压应力。当预拉没有达到中心层移至型材内层时,通过后续补拉也可以适当控制回弹,促进贴模。

通过优化截面也可以控制回弹,例如在一定范围内增大相对高度,以及将双室截面的间隔层下移使两层空间更接近,都可以降低回弹影响。增大最小相对弯曲半径,使得拉弯变形区域平缓,也可以控制回弹,但是弯曲半径须与拉伸量对应。摩擦因数的增大也会导致回弹增大,这是由于摩擦作用使拉力传递到整个型材的趋势受阻,导致型材截面上和长度方向的拉应力分布不均匀。为了减少拉弯成形零件的回弹,应在模具和型材之间添加润滑剂,减小摩擦因数。还可以通过修正模具弧面或结构使拉弯件产生过正成形来补偿型材各部分的回弹量,使型材卸载后的形状与所要求的零件形状相符[4]。

综上,为去除内层起皱,明显改善表面凹陷与工件回弹,根据计算结果并结合试制验证,优化了型材截面形状与尺寸、配合了合理的最小弯曲半径与预拉量,对产品结构与工艺进行了全面改善,新的截面及与优化前的对比、新的弯曲半径如图8所示。新的设计与工艺方案达到设想目标,贴顶式行李架造型和功能均达到试验项目规定,满足产品要求。

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图8 新的截面、截面对比与新的弯曲半径

5 结论

a.拉弯工艺可实现贴顶式铝合金行李架大弧度的造型要求,其拉弯成形性主要包括截面保持性、定形性和抗破裂性;

b.拉弯工艺过程可能出现表面直线痕、外表面凹陷、内层失稳起皱、回弹等缺陷,在合理选材的前提下,通过截面优化、工艺优化的方法可以有效避免与改善;

c.取消截面垂直于外表面的支撑棱,可以去除表面直线痕;

d.在合理范围内增加相对高度、上腹板相对厚度、最小相对弯曲半径并制定上限拉伸量可以有效改善上腹板表面凹陷问题,增加芯材等方法也可以改善凹陷缺陷;

e.保证足够的预拉量、弯曲半径不宜太小是避免起皱的基本措施,而补拉工序和增加芯模在起皱较轻微时可以起到明显的改善作用;

f.在一定范围内,设定合理拉伸量、增大相对高度与最小相对弯曲半径、降低摩擦因数、修正模具弧面等方法可以控制回弹;

g.拉弯成形工艺复杂,需要结合仿真计算合理分析,制定最合理的产品结构与工艺方案。


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