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铝合金型材弯曲成形数控技术

发表时间:2014/12/31 作者:杨兴亮  来源:金属加工热加工
根据多年设计和制作经验,对铝合金型材弯曲件和铝合金型材弯曲工艺做一个归类性的技术总结,为弯曲成形工件设计者和制作工艺开发者提供技术参考。

  铝合金挤压型材由于其具有良好塑性、轻量性、耐腐性、高比强度(2、6、7系列铝合金材料可进行时效强化处理以获得更高强度)、表面处理等特点,被大量采用弯曲成形制作各种弯曲件,广泛应用于轨道交通车辆、航空航天器材、物流输送轨架、汽车轮船骨架、建筑幕墙结构件、医疗器械滑轨、家居装饰等诸多领域。弯形件的设计要求也呈现多样化及功能化,随着科学技术及工艺装备的不断提高,弯曲工艺也呈现多元化发展。国外弯形技术已有三四十年的发展史,工艺技术力量雄厚。但我国高端产品的开发制造仅局限于轨道车辆型材厂及航空航天制造厂等大型企业,技术垄断性强,国内整体弯曲成形制造技术实力比国外还有明显差距。

  型材弯曲工艺按照弯形设备和弯形工艺原理的不同可分为:拉弯成形(两维、三维)、辊弯成形、压弯成形、绕弯成形。按照工件形状的不同又可分为:二维弯形工件(见图1)、空间三维弯形工件(见图2)。

空间三维弯形工件

  下面,按照弯形设备和弯形工艺原理对弯形工艺进行归类总结。

1.拉弯成形工艺

  (1)拉弯成形工作原理(二维)拉弯过程基本分为3个步骤:第一步,设备拉伸缸钳口夹住材料并给型材施加预拉伸力,达到材料屈服强度。第二步,拉弯机回转缸加载弯曲回转,拉伸缸按照程序设定轴向拉力,使型材围绕拉弯模具做贴合运动而使材料成形。第三步,根据材料变形回弹情况增加补拉伸(拉弯设备结构示意见图3)。拉弯成形过程中,工件在弯曲的同时,拉伸缸始终给工件施加轴向拉力,材料长度伸长部分始终被拉伸缸牵引补偿,这就避免了材料的起皱趋向,能够得到良好的弧度效果。

拉弯设备结构示

  (2)拉弯成形工艺特点工艺优点:①能够拉弯成形结构复杂的型材断面。②可实现多弧段变曲率的型材拉弯成形。③弯弧精度高,材料回弹稳定,工件尺寸的一致性好。④可有效消除材料内部的残余应力,产品尺寸稳定性好。⑤由于金属材料的冷作硬化,材料经拉弯后,可改善材料的力学性能。工艺缺点:①拉弯产品断面尺寸大小受设备吨位及钳口尺寸的局限。②拉弯模具投入成本大,模具通用性差。③对于不对称的型材截面,拉弯件截面变形控制难度大。

  (3)拉弯成形工艺关键技术拉弯工件的弧度设计原则以不超过材料的伸长率为限度,拉弯成形中将出现型材壁厚变薄断裂、起皱、截面畸变等成形缺陷,这些成形缺陷与型材的力学性能、截面形状及拉弯工艺参数等因素密切相关。

  拉弯过程中材料变形区各部分的应力状态不同,中性层以外材料受拉应力作用,中性区以内材料(与拉弯模具贴合)受压应力作用,为使材料不至于受压应力产生起皱现象,预拉伸力要足够,使材料产生屈服拉伸,相应的中性层以外的金属将受到更大的拉力作用,出现壁厚减薄,并有断裂倾向。所以如何平衡材料不产生起皱并且中性层外侧金属不出现断裂,避免型材截面尺寸变形过大,是确定拉弯工艺参数的两个关键考虑因素。

  (4)拉弯型材成形力的计算在进行项目的技术能力评审中,需要考虑3个因素:设备的钳口距离是否满足材料的拉伸长度、钳口尺寸是否满足断面尺寸夹持要求,另外,拉弯成形最关键的一点要计算材料所需的最大拉伸力大小。拉弯工件的成形能力计算材料屈服强度值取1.25倍的安全系数,确保设备不在最大拉力负荷下工作,设备最大拉伸力大于公式计算出的材料所需拉力值,说明设备拉伸能力满足材料拉弯力要求。

  (5)三维拉弯机及三维拉弯关键技术三维拉弯设备的主机架由安装在地基上的焊体框架结构组成,如图4所示,主机架用来支撑可旋转的拉伸摇臂2及液压缸。在机架的顶部装有可安放模具的工作平台1。两个拉伸缸托架9分别安装在摇臂2的上部,通过电驱动螺旋导杆实现电动定位以适应不同长度的工件。每个摇臂2上均配备拉伸缸4。零件的扭曲通过一个装在拉伸缸4后面的带齿轮箱的液压马达7来实施。拉伸缸4通过万向节安装在托架9上,万向节使夹钳8钳口能向前或向后自由地旋转。夹钳升降缸5实现在拉伸过程中拉伸缸4的逐渐抬升,夹钳俯仰缸6可以使拉伸缸4实现上下俯仰,托架9上的运动副所有动作(拉伸—提升—俯仰—旋转)使工件在整个成形过程中沿三维模具表面受到切向拉伸而成形立体空间三维工件。

  设备结构及设备工作原理:三维拉弯关键技术主要是模具设计,三维拉弯机不会给出理想的三维拉弯程序,工艺设计人员需要根据材料的性能及弯曲成形进行系统的分析或CAE有限元分析,并通过不断的工件试制,使三维拉弯模具及三维拉弯程序达到最佳匹配,并达到工件的技术要求,需要工艺技术人员具有较高的产品研发能力。

  空间三维工件在高速列车车头结构件及飞机制造业上有较多应用,产品技术含量高,模具投入成本大,研发周期长,产品的附加值较高。图5、图6为拉弯工艺成形工件的典型实例。

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