(1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024;

2.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西太原 030024)

(1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024;

2.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西太原 030024)

介紹了高速列車用鋁型材的精整過(guò)程，運(yùn)用Ansys有限元分析軟件，建立該鋁型材精整過(guò)程的有限元模型，分析了鋁型材精整過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變、壓下位移等的變化規(guī)律。當(dāng)t=6 s時(shí)，應(yīng)力值開(kāi)始達(dá)到鋁型材的屈服極限σs，之后開(kāi)始進(jìn)入塑性變形;當(dāng)t＞12 s時(shí)，應(yīng)力超過(guò)了鋁型材的強(qiáng)度極限，壓下行程大于10 mm，型材發(fā)生破壞性的塑性變形。該研究為優(yōu)化異型截面型材的精整工藝提供了理論參考。

異形截面型材精整機(jī);精整壓下行程;高鐵車輛用鋁型材

0 前言

精整是指金屬塑性加工后，為滿足用戶對(duì)產(chǎn)品在表面質(zhì)量、尺寸、外形和某些性能方面的最終要求而進(jìn)行的一道重要工序。主要包括火焰清理、熱加工后的冷卻、卷取、切斷、矯直、缺陷的物理檢測(cè)等方面。精整機(jī)是完成此工序之一的重要設(shè)備。在當(dāng)前的精整技術(shù)和設(shè)備的研究中，大部分集中在鋼板，對(duì)鋁型材特別是異型截面的高鐵車輛用鋁型材的精整研究還比較少。與普通的鋼板不同，軌道交通用鋁合金特種型材，生產(chǎn)難度大，技術(shù)要求高，其不但要求大型(均有10余米長(zhǎng)，甚至30 m)、大斷面、整體、薄壁、扁寬、斷面形狀復(fù)雜、壁厚差大，而且對(duì)力學(xué)性能、焊接性能、抗腐蝕性、尺寸精度和質(zhì)量要求都特別高［1］。異型截面鋁型材經(jīng)過(guò)擠壓-拉伸矯直之后，還存在表面缺陷、斑點(diǎn)及扭曲變形，這就需要對(duì)其進(jìn)行精整加工，以達(dá)到產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

長(zhǎng)期以來(lái)，精整工藝的實(shí)施多由工人憑經(jīng)驗(yàn)和估計(jì)精整壓下行程，反復(fù)測(cè)量和試驗(yàn)，這種方法不僅效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且不易保證精度。在使用異型截面鋁型材精整機(jī)對(duì)型材進(jìn)行精整加工的過(guò)程中，對(duì)精整壓下行程的設(shè)定要求較高，否則會(huì)達(dá)不到消除型材表面缺陷，實(shí)現(xiàn)精整的目的，同時(shí)還會(huì)在精整輥與型材接觸的表面出現(xiàn)凹陷變形，嚴(yán)重影響了鋁型材的精整質(zhì)量，甚至產(chǎn)生廢品。因此，有必要對(duì)高速列車用鋁型材的彈塑性回彈進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析精整壓下行程鋁型材的精整質(zhì)量的影響，為異形截面型材精整機(jī)的工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論參考。該套系統(tǒng)是軌道車輛如地鐵、輕軌、高速列車等車體生產(chǎn)線上必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。

1 異型截面鋁型材精整機(jī)組的組成與結(jié)構(gòu)

如圖1所示，型材精整機(jī)組主要由左右機(jī)架、底座、驅(qū)動(dòng)裝置、精整裝置、壓下裝置以及電氣控制裝置等部分組成。其中驅(qū)動(dòng)裝置主要包括由上、下兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輥，鋁型材在壓力的作用下被夾持在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輥之間，在其接觸處產(chǎn)生摩擦力，并依靠此摩擦力來(lái)運(yùn)送鋁型材，從而實(shí)現(xiàn)鋁型材的勻速運(yùn)動(dòng)。精整裝置主要是由八個(gè)精整輥組成的，其中入口側(cè)4個(gè)，出口側(cè)4個(gè)，每個(gè)精整輥均安裝有分度裝置，可以實(shí)現(xiàn)任何角度的旋轉(zhuǎn)，能夠滿足多種異型截面和表面質(zhì)量的精整。所有的精整輥、驅(qū)動(dòng)輥均是由尼龍材料制成的，可以有效地避免輥?zhàn)釉阡X型材上產(chǎn)生刮痕，保護(hù)鋁型材的表面質(zhì)量。

圖1 型材精整機(jī)組圖Fig.1Picture of finishing unit

2 高速列車用鋁型材的基本參數(shù)

高速列車用鋁型材的種類繁多，但是所用的型材都具有斷面尺寸大、形狀復(fù)雜、壁厚相差懸殊、寬厚比大、長(zhǎng)度一般在10 m以上，而且形位公差和尺寸精度要求都很高。本文主要選用空心的6005A鋁型材做分析研究，其截面的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示?；拘阅軈?shù)及化學(xué)成分見(jiàn)表1、2。

圖2 6005A鋁合金三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2Three-dimensional structure of 6005A alloy

表1 6005A基本性能參數(shù)Tab.16005A performance parameters

表2 6005A鋁合金的主要化學(xué)成分Tab.2Main chemical composition of 6005A alloy%

3 鋁型材精整的Ansys分析

鋁型材的精整是通過(guò)對(duì)彎曲的型材施加一定的載荷(力或者精整壓下行程)，使工件產(chǎn)生彈塑性變形，然后卸載回彈的過(guò)程［2］。因?yàn)楦哞F車輛用鋁型材經(jīng)過(guò)擠壓、拉伸矯直之后的表面缺陷、殘余的彎曲變形程度不同，所以本文選擇表面平直的鋁型材進(jìn)行實(shí)體建模［3］。選取的6005A鋁型材的尺寸規(guī)格:截面尺寸330 mm×55 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm。采用大型有限元分析軟件，對(duì)高鐵車輛用鋁型材進(jìn)行精整壓下行程的Ansys非線性結(jié)構(gòu)分析。

針對(duì)車輛用鋁型材的寬厚比值較大及精整時(shí)壓彎量相對(duì)較小的特點(diǎn)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文進(jìn)行以下假設(shè):忽略材料沿帶寬方向的變形對(duì)彎曲變形的影響;忽略鋁型材精整速度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響;忽略鋁型材厚度方向的變形對(duì)彎曲的影響;忽略精整過(guò)程中摩擦對(duì)材料變形的影響［4］。忽略精整過(guò)程中精整輥和鋁型材的接觸點(diǎn)位置對(duì)精整的影響。

3.1 單元的定義

采用三維實(shí)體單元solid164進(jìn)行精整模擬，solid164單元是一種8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，被用于三維的顯示結(jié)構(gòu)實(shí)體，節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z方向的平移、速度和加速度的自由度［5］。該單元沒(méi)有實(shí)常數(shù)，但該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力，且有利于沙漏控制的積分縮減。

3.2 材料屬性的定義

鋁型材定義為變形體，上下四個(gè)精整輥均定義為剛體，其中下部分四個(gè)精整輥的所有的旋轉(zhuǎn)、平動(dòng)自由度均被約束。上部分的四個(gè)精整輥除了沿Z方向平動(dòng)自由度(RUBZ)不加約束之外，其余的五個(gè)自由度均被約束。分別輸入材料的密度、彈性模量、泊松比等參數(shù)。其中鋁型材的材料屬性參數(shù)見(jiàn)表2，尼龍的彈性模量E=28 GPa，μ=0.4。

3.3 鋁型材精整模型

在建立模型的時(shí)候，為了簡(jiǎn)化模型，減少網(wǎng)格的數(shù)量和計(jì)算時(shí)間。將所有的輥?zhàn)佣级x為剛體，這樣只需給出輥?zhàn)拥耐廨喞Ｐ图纯?，不需要具體的形狀結(jié)構(gòu)，并且將鋁型材長(zhǎng)度取為2 m，實(shí)際鋁型材的長(zhǎng)度一般為7～10 m。由于鋁型材的截面形狀比較復(fù)雜，模型建好之后，選用智能劃分，可以縮短網(wǎng)格劃分的時(shí)間。在ProE上建立好的鋁型材精整模型如圖3所示。

圖3 鋁型材精整模型Fig.3Aluminum profile finishing model

3.4 設(shè)定精整參數(shù)

由于將精整輥設(shè)置為剛性體，所以只能將載荷加到PART號(hào)上，而且載荷類型為速度和轉(zhuǎn)速。由于型材精整機(jī)所精整的鋁型材的品種具有一定的范圍，精整速度應(yīng)相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格，給上部分四個(gè)精整輥施加一個(gè)勻速向下的速度v=1 mm/s［6］。在實(shí)際的精整過(guò)程中，鋁型材運(yùn)行的速度比較小，為了簡(jiǎn)化模型，忽略鋁型材的進(jìn)給速度，即將其視為靜止的。

3.5 模擬精整的結(jié)果分析

圖4、圖5、圖6分別為模擬精整過(guò)程中，精整輥與鋁型材接觸的最大變形區(qū)域處的部分節(jié)點(diǎn)單元在Z方向的壓下行程、應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線圖。其中B表示的精整輥與鋁型材接觸位置處的節(jié)點(diǎn)單元，A、C為鋁型材變形區(qū)域最大撓度之間的兩節(jié)點(diǎn)單元的曲線。D、E、F分別為變形區(qū)域在縱向上選取的三個(gè)節(jié)點(diǎn)單元的曲線。比較這六條曲線可以看出，變形處的鋁型材內(nèi)部的所有節(jié)點(diǎn)隨位置的不同，其壓下行程、應(yīng)力和應(yīng)變值也不一樣，但是其形狀都基本上相似，都符合鋁型材在精整過(guò)程中的變化規(guī)律。

在精整輥以一定的壓下速度往下壓鋁型板材時(shí)，隨著精整行程的進(jìn)行，殘余應(yīng)力不斷變大，當(dāng)t=6 s時(shí)，應(yīng)力值開(kāi)始達(dá)到鋁型材的屈服極限，之后漸漸超過(guò)屈服極限，開(kāi)始進(jìn)入塑性變形，如圖7所示。

隨著塑性變形的逐漸變大，伴隨著精整過(guò)程和加工硬化，達(dá)到鋁型材的強(qiáng)度極限后，開(kāi)始發(fā)生破壞性的塑形變形。當(dāng)t＞12 s之后，應(yīng)力值超過(guò)400 MPa，已經(jīng)超過(guò)了鋁型材的強(qiáng)度極限，壓下行程大于10 mm，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)精整的理論值，此時(shí)型材已經(jīng)發(fā)生破壞性的塑性變形，型材已逐漸被壓壞，上表面、側(cè)面以及內(nèi)肋板都出現(xiàn)永久性凹坑與突凸變形，變成廢品，如圖8所示。

圖8 鋁型材破壞之后的截面圖Fig.8Aluminum profile section after damaged

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)運(yùn)用大型分析軟件ANSYS對(duì)高速列車用6005A鋁型材的表面精整過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，得出了壓下行程、應(yīng)力和應(yīng)變隨精整時(shí)間的變化的曲線圖。通過(guò)分析曲線圖?？梢缘玫戒X型材的精整加工過(guò)程中的壓下行程與鋁型材表面的精整質(zhì)量的關(guān)系，為鋁型材的精整加工提供了最佳的工藝參數(shù)參考，減少了由于人為失誤而導(dǎo)致工件的破壞與報(bào)廢。

［1］劉靜安.6005A合金大型特種型材的研制［J］，輕合金加工技術(shù)，2004(4).

［2］姚景山.傅波.基于Ansys的矩形方管壓力矯直行程的預(yù)測(cè)和分析［J］.機(jī)械工程師，2013(7):69 -71.

［3］高聰敏.帶材輥式矯直過(guò)程的有限元分析［D］.太原:太原科技大學(xué)，2008.

［4］崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［5］李駿，鄒慧君.壓力矯直過(guò)程模型的有限元分析及應(yīng)用［J］.重型機(jī)械，2004(1):28-30.

［6］周盈國(guó).帶鋼精整設(shè)備［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982:123-155.

［7］梁美嬋，何家金.軌道車輛專用大斷面鋁合金異型材的生產(chǎn)［J］.有色金屬工程，2013(3):18 -20.

［8］陳小祝，匡永祥.鋁及鋁合金在交通運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用［J］.鋁加工，1993，16(2):1-15.

［9］王云飛.國(guó)內(nèi)軌道車輛用鋁型材分析［J］.有色金屬加工，2012，41(2).

［10］唐薇，李凱.輕軌車用鋁合金型材的矯直方法［J］.鋁加工，2009(04).

高速列車用鋁型材精整工藝參數(shù)的研究

吳雨蘭1，郝建軍1，黃慶學(xué)2

Study on finishing process parameters of high-speed train aluminum profile

WU Yu-lan1，HAO Jian-jun1，HUANG Qing-xue2
(1.Academy of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China; 2.Taiyuan University of Science and Technology，Engineering Research Center of Heavy Machinery Ministry of Education，Taiguan 030024，China)

This paper introduces finishing process for high-speed train aluminum profile.Finite element model of the finishing is established based on Ansys.The changes of aluminum profile stress，strain and pressure displacement in finishing are analyzed.When t=6 s，aluminum stress value just reach to it's σs，after get into the plastic deformation;When t＞12 s，the stress passes it's ultimate strength，and then rolling reduction is more than 10 mm，the profile is in a destructive plastic deformation.The study provides a theoretical reference for optimizing finishing process of aluminum profile.

deformed section;finishing machine;high-speed train aluminum profile

TG333.4

A

1001-196X(2014)05-0029-04

2014-02-20;

2014-04-12

吳雨蘭(1989-)，女，太原科技大學(xué)碩士研究生。