（材料加工工程专业论文）挤压弯曲一体化成型装置及对型材弯曲成形性能的影响.pdf

e f f e c to fp r o c e s sp r i n c i p l er o u n d i n gd u r i n ge x t r u s i o no nc a p a b i l i t yo f c u r v e de x t r u d e dp r o f i l e s b y b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a l ss c i e n c e i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o rw a n gq u n a p r i l ，2 0 1 1 33眦0 609引il-帆y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：斤立 j 日期：两1 1 年岁月；7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密时。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 、 _ ， 斗盟 j l ：i 期：为年 日期：如，1 年 岁月多i 同 岁月3 日 挤压弯曲一体化成型装置的研制及】对铝合金型材弯曲成形性能的影响 摘要 铝合金弯曲型材在汽车车身结构上的使用越来越广泛，符合汽车轻量化的要 求，是汽车工业发展的重要方向之一。汽车车身减重在轿车轻量化进程中占有重 要的地位。以弯曲型材为框架的汽车车身机构，既降低了自身的重量，又在汽车 碰撞过程中更充分的吸收能量，提高了汽车的安全性。制造弯曲型材关键技术在 于如何实现型材的高精度弯曲成形。目前世界各国主要生产弯曲型材的生产工艺 还一直停留在分为挤压和弯曲两步的阶段。 结合挤压弯曲一体化成型理论，利用挤压弯曲一体化成型技术，通过改造传 统挤压机、增加弯曲装置，充分利用挤压余热和挤压机推力，可以实现挤压弯曲 一体化成型。通过计算机编程对挤压和弯曲设备进行控制，可以准备、方便的操 作和记录相关数据。 本文建立了型材挤压弯曲一体化成型的力学计算模型，在仿真软件 d e f o r m 3 d 中建立仿真计算的有限元模型，分别计算并与实验测量数据对比，验 证有限元仿真模型的准确性。通过仿真计算，研究弯曲机构中辊轮的不同参数对 型材的挤压弯曲一体化成型的影响，总结出辊轮直径的大小、外形和尺寸、辊轮 的移动速度和轨迹对型材的挤压一弯曲一体化成型的影响规律，优化了辊轮的设计。 利用仿真计算优化过的辊轮参数，设计、制造、安装了弯曲机构，经过调试 后，可以实现型材的挤压弯曲一体化成型，并与传统拉弯工艺生产出的弯曲型材 做对比，新工艺避免传统弯曲工艺存在的型材外壁减薄破裂及截面畸变等成型缺 陷，有效降低了型材弯曲成形后的回弹量，改善了型材的表面质量，减少了生产 成本，缩短了生产时间，并可以提高弯曲型材的机械性能和性能的稳定性。证明 了有限元方法可用于型材的挤压弯曲一体化成型过程中的优化研究，对实际的弯 曲型材生产过程有一定的指导意义。 关键字：挤压弯曲一体化；弯曲型材；设备改造；仿真模拟；机械性能 硕一l 学位论文 a b s t r a c t c u r v e de x t r u d e dp r o f i l e sa r eu s u a l l yu s e di nl i g h t w e i g h td e s i g no fa u t o m o b i l e i n d u s t r y , t h el i g h t w e i g h t i n go fv e h i c l ei so n eo ft h ei m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n s i na u t o m o b i l ei n d u s t r y , a n dt h er e d u c t i o nw e i g h to fv e h i c l eb o d yp l a y sak e yr o l ei nt h e p r o c e s s e so fl i g h t w e i g h t i n go fv e h i c l e c u r v e de x t r u d e dp r o f i l e sl i g h t e nt h ev e h i c l e b o d ya sw e l la si m p r o v et h es e c u r i t yc o n d i t i o n so fv e h i c l e t h ek e yt e c h n o l o g yo fp r o d u c i n gc u r v e de x t r u d e dp r o f i l e sl i e si nh o wt oa c h i e v e t h e h i g hp r e c i s i o nb e n d i n gp r o c e s so ft h ep r o f i l e a tp r e s e n t i nm o s tc o u n t r i e s ， m a n u f a c t u r et e c h n i c so fc u r v e de x t r u d e dp r o f i l e sc o m p r i s ee x t r u s i o na n dr o u n d i n g u s i n gc u r v e dp r o f i l ee x t r u s i o n ( c p e ) ，r e b u i l dc o n v e n t i o n a le x t r u s i o nm a c h i n e ， i n c r e a s ec u r v ee q u i p m e n t ，u t i l i z er e m a i n d e rh e a ta n df o r c eo fe x t r u s i o n ，e x t r u s i o na n d b e n d i n gw e r ec o n d u c t e di n o n ew o r k i n gp r o c e d u r e a v o i dm a t t e ro fc o n v e n t i o n a l t e c h n i c s ，s u c ha s c r o s ss e c t i o nd e f l e c t i o na n ds p r i n g b a c km a yo c c u r ，r e d u c ec o s ta n dt i m e o fm a n u f a c t u r e ，i m p r o v ec a p a b i l i t yo fc u r v e de x t r u d e dp r o f i l e s i nt h i sp a p e r , t h e s o f t w a r ed e f o r m - 3 dw o u l db ea d o p t e dt os i m u l a t i o nt h ec u r v e dp r o f i l ee x t r u s i o n p r o c e s s i n gf o rh o l l o wp r o f i l ea n do b t a i nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s c o m p a r i n gw i t ht h ea c t u a lc u r v e dp r o f i l ee x t r u s i o np r o f i l e s ，t h ef o r m i n go ft h e p r o f i l e c o n c a v ea m e n d e d b y t h ep a r a m e t e ro fw h e e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gf e ms i m u l a t i o na sau s e f u lt o o lt os o l v e i n d u s t r i a lp r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ep r o d u c t i o no fc o m p l e xc u r v e de x t r u d e dp r o f i l e s k e yw o r d s ：c u r v e dp r o f i l ee x t r u s i o n ( c p e ) ：c u r v e de x t r u d e dp r o f i l e s ； r e b u i l dm a c h i n e ；f e ms i m u l a t i o n ；c a p a b i l i t y ! i l 挤压弯曲一体化成型装置的研制及其对铝合金型材弯曲成形性能的影响 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录i v 插图索引v i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1 弯曲型材的现状1 1 2 弯曲型材的传统加工工艺1 1 2 1 型材的挤压加工的技术特点1 1 2 2 型材挤压技术的发展和现状3 1 3 型材弯曲成形工艺概况4 1 3 1 型材弯曲过程中易产生的缺陷和问题4 1 3 2 传统弯曲工艺6 1 4 挤压弯曲一体化成型工艺1o 1 5 有限元方法在挤压弯曲一体化成型过程中的应用1 1 1 5 1 成型过程的数值模拟方法l l 1 5 2 有限元方法在挤压弯曲一体化成型工艺参数优化中的应用一1 3 1 5 3 模拟仿真有限元软件1 3 1 6 本文的研究意义及主要内容1 5 第2 章实验方法及实验内容1 6 2 1 实验材料1 6 2 2 实验方案1 6 2 2 1 均匀化处理1 6 2 2 2 挤压弯曲一体化成型1 6 2 3 测试分析1 7 3 3 1 力学性能检测1 7 3 3 2 显微组织结构分析1 8 第3 章挤压弯曲一体化成型仿真与建模原则1 9 3 1 挤压一弯曲一体化成型过程的有限元仿真分析1 9 3 1 1 几何模型的建立2 0 1 v 硕上学位论文 3 1 2d e f o r m 3 d 有限元模型的建立2 0 3 1 3 有限元模型的建立和网格划分2 l 3 1 4 边界条件和参数的设置2 2 3 1 5 仿真计算中常见问题及其处理2 4 3 2 型材弯曲的力学计算模型2 4 3 2 1 简化和假设2 4 3 3 2 弯曲力矩的计算2 6 3 2 3 型材辊弯时中心层的挠曲线计算2 7 3 3 力学计算与仿真结果对比3 0 3 4 本章小结3 l 第4 章挤压一弯曲一体化设备的设计与优化3 2 4 1 对传统挤压机的改造3 2 4 1 1 对传统挤压机结构方面的改造- 3 2 4 1 2 对传统挤压机控制方面的改造3 2 4 2 弯曲设备的设计方案3 4 4 2 1 设计方案一3 4 4 2 2 设计方案二3 5 4 4 辊轮参数的优化3 5 4 4 1 辊轮直径的影响3 6 4 4 2 辊轮形状尺寸的影响3 6 4 4 3 辊轮移动速度的影响3 7 4 4 4 辊轮移动轨迹的影响3 8 4 5 实际制造的弯曲设备的结构和工作原理3 9 4 6 弯曲装置控制介绍4 0 4 7 本章小结4 3 第5 章挤压一弯曲一体化成型工艺对铝合金弯曲型材组织性能的影响4 4 5 1 引言4 4 5 2 型材弯曲成型的形状的准确性4 4 5 3 弯曲型材的表面质量4 5 5 3 1 弯曲型材的表面光滑度4 6 5 3 2 弯曲型材的表面开裂情况4 6 5 4 弯曲型材截面变形情况4 7 5 5 弯曲型材的机械性能4 7 5 6 型材的金相组织和断口形貌观测4 9 5 7 本章小结5 2 v 挤压弯曲一体化成型装霞的研制及其对铝合金型材弯曲成形性能的影响 结论5 3 参考文献5 4 致 谢5 8 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文) 5 9 v i 硕f ：学位论文 插图索引 图1 1 金属挤压的基本原理示意图1 图1 2 弯曲过程中易出现的外观上的缺陷4 图1 3 拉弯法原理示意图6 图1 4 预拉伸量与回弹角在不同弯曲半径的关系7 图1 5 应变控制拉弯工艺原理示意图8 图1 6 滚弯法原理示意图8 图1 7 双轴柔性滚弯示意图9 图1 8k b m i i l l e r 提出挤压弯曲一体化成形装置图1o 图2 16 0 6 1 铝合金挤压型材截面图( 单位：m m ) 、1 6 图2 2 试样截取位置示意图一1 7 图2 3 室温拉伸力学性能试样尺寸( 单位：m m ) 1 8 图3 1d e f o r m 分析成形问题的一般过程1 9 图3 2 有限元模型2 l 图3 3 挤压部分网格局部细化一2 2 图3 4 弯曲部分网格局部细化2 2 图3 5 边界条件示意图2 3 图3 6 辊轮与型材的接触示意图2 3 图3 7 型材辊弯成形示意图_ 2 5 图3 8 型材剖面上应变与应力分布图2 6 图3 9 模拟计算结果和力学分析的对比3 0 图3 1 0 模拟计算结果和力学分析的对比3 1 图3 1 l 型材出模口温度3l 图4 1 挤压机出模口形状3 2 图4 2 挤压机出模口形状的改造3 2 图4 3 传统挤压机操作面板3 3 图4 4 挤压机控制程序面板3 3 图4 5 挤压机分段速度控制一3 3 图4 6 挤压机模拟按钮3 3 图4 7 挤压机各部件状态3 3 图4 8 数据记录3 4 图4 9 数据查看3 4 v l i 挤压弯曲一体化成型装置的研制及其对铝合金型材弯曲成形性能的影响 图4 1 0 挤压一弯曲一体化成型设备设计方案一3 4 图4 1 1 挤压一弯曲一体化成型设备设计方案二3 5 图4 1 2 同弯曲半径下辊轮位置一3 5 图4 1 3 小直径辊轮在型材表面的压痕3 6 图4 1 4 不同尺寸的卡槽对型材上下表面的刮伤情况一3 7 图4 1 5 辊轮移动速度对变曲率弯曲的影响- 3 7 图4 1 6 不同移动轨迹3 8 图4 1 7 同移动轨迹对型材弯曲形状的影响3 8 图4 1 8 挤压弯曲设备机构示意图3 9 图4 1 9 挤压弯曲一体化实验设备一4 0 图4 2 0 丌启画面1 4 0 图4 21 主画面2 4 0 图4 2 2 “手动操作 画面4 4 1 图4 2 3 “选择画面 5 4l 图4 2 4 “轴参数”画面3 4l 图4 2 5 轴参数设定4 2 图4 2 6 速度曲线：4 2 图4 2 7 参数组l 4 2 图4 2 8 度曲线组l 4 2 图4 2 9 参数组2 4 3 图4 3 0 度曲线组2 4 3 图4 3 1 不同的联动轨迹4 3 图5 1 不同工艺下型材弯曲形状对比4 5 图5 2 弯曲型材的曲线实测与与设计的对比4 5 图5 3 表面光滑情况：4 6 图5 4 表面开裂情况一4 7 图5 5 截面变化情况4 7 图5 6 型材拉弯处金相显微组织一4 9 图5 7 型材焊合区域金相显微组织5 0 图5 8 金相试样的取样部位5l 图5 9 a 、b 及其交会处金相组织51 图5 10 型材拉伸断口形貌一5 2 硕士学位论文 表1 1 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表4 1 表5 1 表5 2 表5 3 附表索引 弯曲模在不同位置时材料的流动特点1 1 60 6l 铝合金各元素质量分数实测值16 实验条件17 挤压工具物理性质21 型材挤压工艺参数和边界条件23 不同辊轮移动速度下弯曲形状误差38 不同工艺成型的弯曲型材的机械性能的对比l 4 8 不同工艺成型的弯曲型材的机械性能的对比2 4 8 自然时效对弯睦型材的机械性能影响的变化值：一4 8 l x 1 1 弯曲型材的现状 第1 章绪论 弯曲型材具有强度高、重量轻等特点，被日益广泛地应用于航空航天、船舶、 建筑等行业。尤其目前，世界各国都在积极推进民用机动车车身、车体主要部位 的铝材化，从成本、轻量化、安全性等方面考虑，以铝合金挤压型材为主体的空 间框架结构很有发展前途i l 】。铝合金型材空间框架结构具有零部件数量少，生产周 期短，生产成本低等优点，与钢车身相比可减重4 0 5 0 ，且具有较高安全性， 有利于吸收碰撞时的能量，最大限度地保护驾、乘员安全【2 1 。铝合金型材保险杠和 框架车身都是基于挤压型材进行弯曲成型。传统工艺生产弯曲型材一般分挤压和 弯曲两步工序，而生产成本主要由弯曲决定1 3 j 。因此，从降低成本的角度出发，在 满足性能要求的前提下，实际应用中通常会避免使用弯曲形状的型材，而直接使 用直的型材来代替。但是对于结构设计，由于空气动力学、力学以及美观等方面 的需要，型材在弯曲形态下的使用是不可避免，并且与日俱增的1 4 j 。 1 2 弯曲型材的传统加工工艺 1 2 1 型材的挤压加工的技术特点 型材的挤压成型是指金属坯料在挤压力的作用下，流过与型材截面形状一致 的挤压模具，增加材料的长度、减少材料的横断面，由此获得一定截面形状和尺 寸的空心型材【5 j 。根据挤压成形时，金属在挤压筒内和出模1 3 流动方向的不同，挤 压工艺可分为正向挤压、反向挤压和复合挤压；根据坯料在挤压成型前，加热温 度的不同，可分为热挤压、温挤压、冷挤压，也即常温挤压。金属的挤压成形是 一种先进的静、净成型工艺，除切断外，几乎不需要其他后续机加工。它具有节 省原材料、降低生产能耗和缩短生产周期、提高零件性能等众多优点，因此型材 在设计和使用中被广泛的采用1 6 j 。金属挤压加工基本原理如图1 1 所示。挤压加工 方法不但可以生产截面形状简单的棒、管、型、线产品【7 l ，而且还可以生产截面形 状极其复杂的型材和管材。 图1 1 金属挤压的基本原理示意图 挤压弯曲一体化成型装置的研制及其对铝合金型材弯曲成形忤能的影响 相比其他塑性加工方法，如轧制、锻造等成形加工方法等，挤压加工的特点 主要有【8 】： ( 1 ) 在挤压过程中，相比轧制和锻造，金属在变形区处于更为强烈和均匀的三 向压缩应力状态，被加工金属本身的塑性得到更加充分的发挥。在实际应用中， 为了改善其组织结构，提高其塑性，也常用挤压法先对铸锭进行开坯。目前，挤 压仍然是以铸锭为基础直接生产产品的最优越的方法。 ( 2 ) 挤压加工方法不但可以生产截面形状较简单的棒、管、型、线等产品，还 可生产截面形状复杂的型材和管材，这是其他压力加工方法很难实现的，甚至是 不可能实现的 ( 3 ) 通过挤压生产的产品精度高，表面质量好。随着模具制造水平的的提高， 现在已经能够通过挤压加工，生产壁厚为o 6 - 4 - 0 0 1 m m ，表面粗糙度达r i 6 - 0 8 1 t m 的超薄、超高精度、高质量表面的型材。净成形大大减少和避免了后续加工工序， 同时也提高了被原材料的综合利用率和工件的良品率。 ( 4 ) 挤压加工灵活性高，仅仅通过更换挤压工、模具，就可以在同一台挤压机 上生产形状、尺寸和材料不同的产品。而更换挤压工、模具的操作过程简单，用 时较少。这种加工方法对生产小批量、多品种、不同规格产品的生产厂最为适用。 ( 5 ) 大变形的挤压过程可以提高金属的力学性能。特别是对某些具有挤压效应 的铝合金来说，其挤压加工产品在经过相应热处理后，纵向强度性能远比其他方 法加工的产品要高。挤压方法可以充分挖掘铝合金材料的性能潜力，极大的提高 了使用价值。 ( 6 ) 工艺简捷，工人可熟练掌握其操作，方便大规模生产。相比轧制、锻造等 热成形方法，挤压成型可以一次性生产具有一定截面和尺寸的零部件。 ( 7 ) 铝及铝合金塑性好，特别适合挤压成型。 ( 8 ) 容易实现自动化生产。目前在建筑行业中广泛使用的直的铝型材的挤压生 产线已实现完全自动化操作，操作人员已减少到3 名以下。 ( 9 ) 容易实现封闭化生产。当被加工材料具有放射性时，相比轧制等其他工艺 生产线，挤压生产线更容易实现封闭化，实现了生产场地的无人化。 当然，挤压加工也不可避免的存在一些不足之处： ( 1 ) 金属有效利用率不高。主要反应在挤压初始阶段的废料，和挤压终了阶段 要留压余和有挤压缩尾等，以及在挤压空心管材时穿孔料头的损失。例如，压余 量一般可占锭坯重量的15 左右，相比轧制法生产过程中，轧件的切头、尾损失 不足锭重的3 。 ( 2 ) 在正挤压加工中，锭坯长度受到一定的限制，一般锭长与直径之比控制在 4 以下，限制了产品的连续生产，在挤压方向上不能有效的保障其组织和性能的均 匀性。 2 硕l ：学位论文 ( 3 ) 加工速度低。由于挤压加工的变形量很大，金属与工、模具之间存在有巨 大的摩擦力，而且塑性变形区又完全封闭在挤压筒内部，引起金属在变形区内的 温度升高，从而有可能达到某些金属或者合金的脆性区温度，引起挤压产品的表 面出现裂纹甚至开裂等缺陷，为避免这一潜在的问题，挤压加工中，都会限制一 定的金属挤压的速度。在轧制过程中，由于各个道次变形量很小，金属和工具之 间的摩擦也比较小，生成的变形热和摩擦热都不大。因此，金属在塑性区的温度 很难接近其脆性区温度，所以实际轧制过程中一般不会限制成形速度。 ( 4 ) 连续生产律低，挤压成型前需要一系列的准备工作，比如金属坯料和工、 模具的加热等，准备环节在一个挤压周期中占用时间较长，生产效率不高。 ( 5 ) - 1 - 、模具造价高。挤压加工的工作应力非常高，可以超过金属变形抗力的 数倍。尤其在挤压垫片上，压力平均高达4 0 0 8 0 0 m p a ，甚至可达1 0 0 0 m p a 或更 高。在巨大的摩擦力以及挤压筒内，高温、高压环境的作用下，挤压工、模具的使 用寿命比其他加工方法的工、模具要低很多，为此，必须使用价格昂贵的高级耐 热合金钢来制造挤压加工工、模具，增加了生产成本。 1 2 2 型材挤压技术的发展和现状 挤压方法在金属塑性加工领域中出现的较晚，是一项新的金属加工工艺。根 据文献记载，在17 9 7 年前后，英国人首先发明了一种用于生产铅管的挤压装置， 继而将此原理应用到在电缆外面上包铅。巨大而持续的压力成为了难以解决的问 题，所以只能挤压一些相比较软、低熔点的金属，比如铅。这种情况一直延续到 l8 9 4 年，德国人ad i c k 设计和制造了第一台可以用来挤压黄铜的挤压机。从此以 后，挤压工艺逐步发展，如所用的挤压设备，水压挤压机的能力己达1 2 5 m n 。之 后随着航天航空、建筑工业以及汽车工业的飞速发展，铝合金型材的应用越来越 广泛，加快了挤压成型工艺的进一步发展，近几年一些主要的突破有【l o 】： ( 1 ) 挤压产品种类、规格多。铝合金空心型材方面，品种已达万种以上，型材、 管材都可以加工生产变截面或变壁厚的产品。 ( 2 ) 挤压设备的生产能力高。例如，设计制造了能力为2 7 0 m n 的大型水压机， 用于制造大型运输机和客机所需地整体壁板等结构材料。2 0 0 1 年，西南铝业集团 的能力为8 0 0 0 吨的油压机，生产的型材，尺寸可以达到外接圆5 0 0 m m 、长度达 2 6 5 m 。 ( 3 ) 自动化程度高。近代的挤压机已经完全摆脱了以人工操作分配器的阶段， 改为远距离集中控制、预设程序控制和带有计算机的可编程序逻辑控制等先进控 制方式，大幅度的提高生产效率，显著的减少了工作人员，甚至可以实现挤压生 产线的无人化操作。 ( 4 ) 新挤压技术的不断涌现。在铝合金挤压方面，等温挤压技术可以控制流出 挤压弯曲一体化成型装置的研制及其对铝合金型材弯曲成形性能的影响 速度，防止周期性裂纹出现在制品表面等缺陷。冷挤压技术和润滑挤压技术可以 提高挤压速度。锭接锭挤压和c o n f o r m 及c a s t s x 连续挤压，可以提高生产效率和 成材率。挤压产品出模孔后，利用其自身的挤压余热直接淬火，可以提高铝合金 型材的生产效率。“有效摩擦挤压可以有效利用常规的正挤压中锭坯与挤压筒之 间的摩擦力。 ( 4 ) 挤压理论有新的突破。相比最早的挤压法直到1 8 世纪末才出现，挤压理 论的研究缺更晚i 】。2 0 世纪初，h c 库尔纳柯夫首先进行了在挤压时，金属的 流动和压力的研究。随后，史威斯古特研究了挤压黄铜时的金属的流动规律和 挤压缩尾的形成机理，h 温科尔巧妙的利用塑胶泥研究了挤压时的流动景象。直 到2 0 世纪3 0 年代初，e 希博尔借助c 芬科尔导出的轧制变形功的解析法，最早 建立了简略计算挤压力的公式。由于在该公式中未考虑到金属的不均匀变形和摩 擦力造成的影响，因而计算结果与实际的相差甚远。之后，o 萨科斯，c h 古布金 先后利用平截面法，分别得到各自的计算挤压力的公式。然而，平截面法仍存在 不能考虑金属不均匀变形的问题。在2 0 世纪5 0 年代中期，e g 汤姆逊等人提出了 视塑性法，即将计算应力和实验测量金属流动结合起来的方法。利用视塑性法可 以成功地解决平面应变或轴对称挤压时的问题。到6 0 一7 0 年代，玛尔咖、山本等人 先后将有限元思想用于解决挤压问题。这种方法能很好的计算得出挤压成型过程 中塑性变形区的各种参数，现在己将此种方法用于分析挤压过程【i 引。2 0 世纪8 0 年代中期，r 希尔通过缜密的数学处理，将滑移线场理论运用到解决平面应变挤压 问题。此后，以w 约翰逊为主的研究人员运用了滑移线场理论，成功的解决了各 种挤压条件下的平面应变问题。 1 3 型材弯曲成形工艺概况 1 3 1 型材弯曲过程中易产生的缺陷和问题 弯曲过程中存在的一些的缺陷直接影响着型材的弯曲成形性。由于型材，特 别是截面形状复杂的型材，在弯曲过程中容易产生的很多缺陷，这大大增加了型 材的弯曲成型的难度，现有弯曲工艺不能有效地解决或者避免这些问题，是制约 型材弯曲工艺的一个重要因素。这些缺陷表现主要在3 】：回弹，减薄破裂，横截 面的变形，起皱，外层破裂和扭转等，具体形式如图1 2 所示。 百8 仨习目 ( a ) 减薄破裂( b ) 截面变形( c ) 扭转 图1 2 弯曲过程中易出现的外观上的缺陷 4 硕l ：学位论文 其中有三项是影响型材弯曲成形精度最严重的因素，很难通过现有的工艺来 避免其发生1 1 4 】： ( 1 ) 减薄破裂 冷弯成形是一个经历大转动、有限应变的过程，具有明显的复杂的几何非线 性、物理非线性、边界条件非线性特征，成形规律难以把握。当弯曲半径过小， 或是为防止回弹和内壁起皱等缺陷，而采取增大切向方向上的附加拉力，型材弯 曲凸侧面处存在很大的拉应力，从而使凸侧面出现减薄现象，直至发生破裂。随 着型材截面高度的增加，减薄破裂现象更为严重。在型材弯曲成形过程中，外侧 壁减薄破裂是型材弯曲成型能力和弯曲极限的指标之一i l 5 。 ( 2 ) 截面畸变 截面畸变是型材弯曲成形过程中最容易发生的问题。空心型材截面的抗变形 能力是由截面形状和材料决定的，空心型材在弯曲变形过程中，由于壁厚较薄， 内部没有足够的支撑时，容易引起变形现象；型材具有一定厚度，成形时受拉压 作用变形不均匀，容易产生起皱和塌陷等缺陷而无法保持原型材的截面形状。截 面畸变的产生非常难以控制，并且对回弹也造成相当大的影响。 目前减少或者消除截面畸变的方法，主要有两个方面，一是设计合理的型材 截面形状，二是生产过程中对型材的空腔进行支撑( 可以采用加芯棒或者填充物 体的办法，如工厂生产中常用如细沙等) ，增加型材截面的刚度【i 引。 ( 3 ) 回弹 回弹是所有弯曲成形过程中普遍存在的一个问题，也是最难解决的一个问 题。出现回弹的主要原因是由于塑性变形区和弹性变形区同时存在，另外还有少 量的弹性变形区。因此，当卸荷后，型材自然会产生弹性回复，零件获得的弯曲 形状发生变化，导致出现回弹现象l l7 1 。型材具有比较复杂的截面形状，在弯曲 成形过程中存在着截面变形、破裂等问题，这些问题的综合作用，会对回弹产生 一定的影响。同时，复杂的截面形状型材的弯曲变形过程中的中性层难以确定， 无法用传统的经验公式计算，因此型材的弯曲回弹更加复杂i l 引。 尤其在实际生产中，保压成型之后的卸荷过程完全由操作者靠经验进行，没 有可靠的、明确的、数量化的操作规范，卸荷后型材会产生不确定的回弹。 减小和防止回弹的方法从原理上看可基本分为两种。第一种方法以增大弯曲 变形来补偿回弹量，保证回弹后的零件形状的准确性。这类方法的主要措施是修 正模具的形状，减小零件的弯曲曲率或增大弯曲角，从而使回弹后的零件符合形 状和尺寸要求【l9 1 。第二类方法是通过控制工件上的应力情况来达到控制回弹的 目的。比较常见的措施就是在工件上施加额外的切向拉应力，改变工件截面上的 应力分布情况，使得弹性回复变得均匀和缓和，从而达到较小回弹的目的【2 0 1 。 回弹是在弯曲成形中决定工件精度最重要的原因。由于影响回弹的因素很多，是 挤压弯曲一体化成型装置的研制及其对铝合金型材弯曲成形性能的影响 相互作用和影响的综合结果预测，且贯穿整个弯曲变形过程，导致回弹问题非常 复杂，难于预测，是型材拉弯成形研究的热点和难点，国内外许多学者进行了深 入的研究和探讨。 除上述外观缺陷外，型材在弯曲部分的凸侧会残留有拉应力，在凹侧会残留 有压应力，这些残余应力会影响到弯曲型材的正常使用，甚至不利于后续的加工 和热处理1 2 。比如在热处理过程中，在热作用的影响下，残余应力会得到释放， 导致型材的形状和力学性能发生不好的或者不可预计的变化。 所以，对型材的弯曲变形，我们希望通过一种新的工艺，尽量避免上述缺陷 和不足，以减轻弯曲型材在使用过程产生的不良影响。 1 3 2 传统弯曲工艺 传统的型材弯曲工艺从成形原理上来说，基本分成两种f 2 2 1 ：一种是依靠工、 模具的形状成形，如拉弯等；另一类是依靠工、模具和工件之间的相对运动成形， 如滚弯等，以下将详细说明对以拉弯和辊弯为代表的两种型材弯曲工艺的过程和 特点，并分析各自的优点和缺点。 1 3 2 1 拉弯法( s t r e t c hb e n d i n g ) 拉弯法是工业应用中使用最广泛的一种型材弯曲工艺【2 3 1 ，通常分为预拉伸、 弯曲和补拉三个步骤，其中补拉工序不是必须的，可在生产中根据实际情况来决 定有无，拉弯工艺流程如图1 3 所示。 。须抛捧 彤材 f 纡龋 磁终 f ：l f 0 图1 3 拉弯法原理不意图 首先利用夹紧装置将型材的两端固定，然后对型材施加一个比较大的预拉伸 力，这个力稍高于型材材料的屈服强度；然后开始移动夹紧装置或成形模具，当 型材接触到成形模具时，就会在型材的中间部位产生一个成形力矩，以力矩作用 区为界，型材被分为两个成形区域，随着央紧装置或成形模具的继续移动，其产 生的成形力矩越来越大，在成形力矩的作用下，型材的变形程度也越来越大，当 型材变形到希望的形状时，夹紧装置或成形模具的移动停止并保持状态一段时间。 6 硕士学位论文 型材弯曲成形完成后，并不是立即卸掉拉伸力、取出型材，而是继续加大拉伸力， 对已经弯曲变形的型材再进行一次拉伸，从而最终成型。 拉弯工艺之需要一部工序就可以实现弯曲比较大的弧度，这是其他弯曲工艺 需要多步工序才能做到的。 拉弯工艺的回弹量比较小。在整个弯曲变形过程中，自始至终都存在一个拉 伸力，使得中性层由型材中心部位向内侧移动，甚至可以使整个剖面都变成拉应 力作用区，避免因型材内外层拉、压应力不同而产生弯矩作用，因此可以有效的 减小回弹1 2 4 1 。但是由于拉伸力的存在，增大了型材外层发生内凹的趋势，会对型 材的弯曲质量造成不良影响。 文献【2 5 】通过计算机模拟仿真，进行了成形极限和成形精度两个方面的研究， 总结出了预拉伸量在不同曲率半径情况下对弯曲变形的影响，并得出预拉伸量的 计算原则。 在拉弯各种工艺参数中中最重要的是：横截面形状、曲率半径和预拉伸量。 在这些参数中横截面形状和曲率半径是由设计决定的，是拉弯工艺不可能改变的 参数，因此选择适当的预拉伸量是决定了弯曲变形质量。研究表明，越大的型材 曲率半径、越小的预拉伸量，壁厚的减薄程度也越小。而对于弯曲回弹，回弹量 和预拉伸量在弯曲半径在5 0 0 m m 1 0 0 0 m m 范围内有如图1 4 的关系。 泳 、， 嘏 霰 融 弋_ l jl 一r = 5 0 0 fii lli r = 7 5 0 l - k r = 10 0 r ) j i 7” r 1v 丫 i-i1 01234567 89 预拉伸罱( ) 图1 4 预拉伸量与回弹角在不同弯曲半径的关系 从图1 4 中可以看出，尽管弯曲半径不同，但是曲线均存在一个突然下降的区 域，预拉伸量通过这一区域后，继续增大预拉伸量不再对回弹角有明显的影响。 这是因为由于预拉伸量的增大，导致型材的应变中性层逐渐内移，当预拉伸量增 大到使中性层移出型材内表面后，再增大预拉伸量对回弹角影响不大【2 引。 拉伸量的确定受成形极限和成形精度两方面因素的影响。当拉伸量较小或者 不足时，型材会出现底部起皱、贴模差、成形精度低等缺陷。因此，拉伸量应至 少能保证型材的弯曲成形，即不出现脱模和底部起皱现象，这拉弯工艺最基本的 要求。因此，把能够保证型材在拉弯过程中既不出现脱模和底部起皱的等缺陷又 可以完成弯曲变形所需的最小拉伸量定位其为下限预拉伸量。型材拉弯工艺中预 8 7 6 5 4 3 2 l o 挤压弯曲一体化成型装置的研制及其对铝合会型材弯曲成形性能的影响 拉伸量不应小于下限拉伸量，并根据成形的精度要求，进步增大拉