梁策 趙宏偉 李義? 梁繼才

(1.吉林大學 汽車材料教育部重點實驗室， 吉林 長春 130022； 2.吉林大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130022；3.吉林大學 機械科學與工程學院， 吉林 長春 130022； 4.吉林大學 輥鍛工藝研究所， 吉林 長春 130022)

德國西門子公司對動車空氣阻力的測試結(jié)果表明，當速度提高1倍時，空氣阻力提高約2倍.對此，為了減輕車體重量，車頭骨架選用鋁合金等輕量化材料和流線型降阻設計，以有效減少運行空氣阻力、列車交會壓力波和保證運行穩(wěn)定性等問題.除此之外，高速列車頭部構型通常均設計成復雜的三維構型，以滿足減少空氣阻力、降低會車壓力波等要求.作為列車車頭結(jié)構支撐件的車頭骨架，其零件形狀也不再是簡單的二維平面的規(guī)則形狀，而是具有三維空間曲線的復雜構型[1- 4]，圖1所示為我國引進的德國高鐵，其車頭骨架由縱梁16根、橫梁126根鋁型材構件焊裝而成，構件的曲率、截面變化較多，由整根型材經(jīng)過三維彎曲、扭轉(zhuǎn)而成，既是車頭的主要結(jié)構支撐件，同時也是側(cè)墻、端墻的連接構件，其形狀精度直接決定著整個車頭的制造精度，因此，對成形精度、產(chǎn)品質(zhì)量要求都很高.這種三維構型的構件，在高鐵技術引進前5年，完全由德國西門子公司控制，提供進口制件，且國外工藝技術對我國嚴格保密.

目前所發(fā)相關文獻仍然局限于型材的二維拉彎成形，國內(nèi)的諸多公司對型材三維拉彎進行的研究也僅局限于二維拉彎后，將制件取下再經(jīng)工人利用夾具實現(xiàn)三維變形，不僅費工費時，勞動強度大，其廢品率也很高.因此，文中提出一種新的工藝方法來實現(xiàn)型材三維變形制件復雜的成形.

圖1 三維構型的車頭結(jié)構及骨架示意圖

Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional configuration of front frame and its brace skeleton

1 柔性拉彎成形技術原理及優(yōu)勢

文獻[5]中，研究者首先在國內(nèi)進行了無模多點成形技術研究，主要解決板材多點成形問題，目前已獲得了很好的應用，但僅限于板材，無法進行型材的拉彎成形.文中提出的為無模多點柔性拉彎成形工藝，作為一種國內(nèi)外新型的鋁型材成形方法，主要對傳統(tǒng)拉彎工藝中的整體模具和拉彎機械臂進行創(chuàng)新設計.其主要原理是根據(jù)型材變形的加工需要，優(yōu)化設計模具頭體形面，使其適合制件變形要求.優(yōu)化內(nèi)容主要包括模具形面構型設計、模具頭體布放、頭體間距確認、頭體個數(shù)選取等.通過調(diào)整一系列空間位置可調(diào)的多點模具頭體，使其包絡面分別在水平和垂直方向上構成目標零件所需的彎曲形狀，通過驅(qū)動夾鉗帶動型材的貼模運動來實現(xiàn)型材的彎曲成形，具體成形過程及相關研究已在文獻[6- 9]中進行了詳細敘述.柔性拉彎成形工藝同時滿足了型材拉彎和制造業(yè)對柔性生產(chǎn)兩方面的需求，為復雜截面型材成形復雜幾何造型零件提供了一種新的生產(chǎn)方式.

1.1 柔性拉彎成形基本原理

型材的多點柔性成形是將型材在水平和垂直方向上分別進行彎曲的成形過程.基于離散后的多點模具，柔性拉彎成形工藝實現(xiàn)了型材水平和垂直方向一次性拉彎成形，其成形原理及產(chǎn)品檢測如圖2至圖5所示.

本研究通過簡單變形過程實現(xiàn)型材三維變形制件復雜的成形.成形過程如下：①依據(jù)成形制件要求和理論研究對多點模具頭體進行空間調(diào)形；②對制件毛坯進行預拉伸變形，使其進入塑性狀態(tài)，消除或減少后續(xù)工步的變形回彈；③制件毛坯貼模前空中扭轉(zhuǎn)變形，此工序變形主要為實現(xiàn)三維變形做初步預變形準備；④制件毛坯水平面內(nèi)靠模拉彎成形；⑤制件毛坯垂直面內(nèi)靠模拉彎成形；⑥對成形件補拉伸；⑦卸載取件；⑧測量回彈，局部小修.對卸載后的成形件進行回彈測量，根據(jù)回彈數(shù)據(jù)再對多點模具形面、位置等參數(shù)進行調(diào)整，再次進行拉彎實驗，直到成形件回彈誤差小于規(guī)定范圍值，獲得符合加工標準的成形零件，這一過程一般3次之內(nèi)就可完成.

圖2 柔性三維拉彎成形多點模具座體布放示意圖

Fig.2 Schematic diagram of setting position of the multi-point dies in flexible 3D stretch-bending forming

圖3 拉彎成形裝備中模具頭體與模具座體的安裝

Fig.3 Installation of multi-points dies and unit-bodies in stretch-bending forming

圖4 型材拉彎成型過程

圖5 拉彎后制件的輪廓度誤差檢測

Fig.5 Profile tolerance error detection of parts after stretch-bending forming

1.2 多點柔性拉彎成形工藝特點及優(yōu)勢

柔性拉彎成形工藝的提出彌補了傳統(tǒng)拉彎成形工藝柔性差、不能實現(xiàn)型材復雜三維變形制件一次成形的缺點.傳統(tǒng)拉彎工藝只能進行平面拉彎成形[10- 11]，或者僅實現(xiàn)變形量很小的三維拉彎成形，復雜三維變形部分是在二維拉彎后，毛坯卸載，放到另外夾具或胎具上進行人工掰扭，這樣的后期成形是在無前期塑性狀態(tài)下進行的，即解除預拉伸塑性條件下成形的，極易產(chǎn)生回彈，所以制件成形質(zhì)量差、廢品率高，工人勞動強度大，技術要求高[12- 15].

文中提出的技術是對使用整體模具的傳統(tǒng)拉彎工藝的一次變革.該工藝繼承了拉彎工藝的高效性，同時吸收了多點成形技術的先進成形思想，其特點和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①柔性制造；②可實現(xiàn)型材的三維制件一次成形；③模具形面可重構，修模容易.可重構的模面結(jié)構帶來的另一個好處就是增加了一種回彈控制的方法.傳統(tǒng)工藝中整體模具的修模過程是一個十分費時、費力的過程，且有時甚至會造成模具的報廢.通過回彈補償?shù)姆椒ㄕ{(diào)整多點模具的包絡面，可以快速實現(xiàn)模面的重構，新產(chǎn)品研發(fā)投資少、見效快，并可實現(xiàn)精確成形[16- 18].

“奶娘踩罡”還融入畬族特有的舞蹈動作，如踹腳、瞞頭、甩手、手訣（雷訣）等，其中“鎖鏈罡”舞步尤為獨特，舞者以右腳二指夾住左腳大拇指，單腳扭步，形似鏈條搖動，連續(xù)快速轉(zhuǎn)身，令人目不暇接，嘆為觀止，這是畬族的“獨步舞”。 可以將獨步舞等畬族舞蹈特有的極具特點的幾種舞蹈動作和傳統(tǒng)舞蹈段落融入到音樂學等專業(yè)必修的形體課教學中。

2 多點模具頭體調(diào)形工藝參數(shù)的計算方法

2.1 多點模具頭體水平方向調(diào)形參數(shù)計算

圖6所示為水平方向上多點模具與型材的幾何關系.根據(jù)文獻[19]的計算思路，文中針對柔性單元體的結(jié)構設計，對調(diào)形參數(shù)進行了定義.已知多點模具具有4個自由度，分別為沿Y軸、Z軸移動和旋轉(zhuǎn)自由度，因此，將單元體上多點模具旋轉(zhuǎn)的水平銷軸和垂直銷軸的交點定義為單元體調(diào)形控制點，將調(diào)形工藝參數(shù)定義為Ui(xi,yi,zi,θyi,θzi)，其中pi(xi,yi,zi)為空間位置參數(shù)，單元體X軸方向上xi固定，yi、zi分別為Y軸、Z軸移動參數(shù)，是單元體調(diào)形可控參數(shù).θi(θyi,θzi)為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，表示繞Z軸、Y軸旋轉(zhuǎn)角度，隨型材不同位置的彎曲曲率變化.

圖6 水平方向上多點模具與型材的幾何關系

Fig.6 Geometric relationship between multi-points dies and the workpiece in the horizontal direction

將水平方向上經(jīng)過各調(diào)形控制點的曲線定義為單元體水平調(diào)形線rmpd(u)受多點模具的制約，圖中表示了水平方向上單元體調(diào)形曲線rmpd(u)與成形件水平線r(u)的幾何關系.當水平方向成形結(jié)束時，成形件水平線r(u)理論上應為覆蓋調(diào)形控制點的曲線rmpd(u)的等距線，方程為

r(u)=rmpd(u)±Rhnm(u)

(1)

式中，Rh為多點模具的旋轉(zhuǎn)半徑，nm(u)為水平調(diào)形線rmpd(u)的單位主法向量.若已知成形件水平線，求單元體調(diào)形參數(shù)，式(1)可以變?yōu)?/p>

rmpd(u)=r(u)±Rhnr(u)

(2)

式中，nr(u)為水平調(diào)形線r(u)的單位主法向量，單位主法向量的計算公式為

(3)

設成形件需要單元體的數(shù)量為N+1個，各單元體的間距為d，xi(i=0,1,2,…,N)為單元體調(diào)形控制點X軸坐標，則Y軸坐標為

yi=rmpdy(u)|xi,i=0,1,2,…,N

(4)

多點模具水平方向上的旋轉(zhuǎn)角度為

(5)

2.2 多點模具頭體垂直方向調(diào)形參數(shù)計算

圖7所示為垂直方向上多點模具與型材的幾何關系.與水平方向上的調(diào)形不同的是：垂直方向上成形件垂直線c(u)與單元體調(diào)形曲線cmpd(u)重合.即在XZ平面上，多點模具的旋轉(zhuǎn)不會造成調(diào)形控制點的偏移，因此，垂直方向上垂直線經(jīng)過各單元體的調(diào)形控制點.

c(u)=cmpd(u)

(6)

調(diào)形控制點Z軸坐標參數(shù)表示為

zi=cmpd(u)|xi,i=0,1,2,…,N

(7)

垂直方向旋轉(zhuǎn)角度為

(8)

圖7 垂直方向上多點模具與型材的幾何關系

Fig.7 Geometric relationship between multi-points dies and the workpiece in the vertical direction

根據(jù)單元體調(diào)形曲線與成形件特征曲線的幾何關系，可以確定各單元體的調(diào)形參數(shù).其中位置參數(shù)調(diào)形確定了單元體在Y軸上T型槽的位置，以及Z軸上高度控制絲杠的調(diào)形高度，實現(xiàn)了單元體的位置調(diào)形.根據(jù)柔性三維拉彎成形工藝的成形原理可知，垂直方向上多點模具在單元體上的旋轉(zhuǎn)是隨著型材的不斷彎曲合模而運動至目標角度，因此在初始化的調(diào)形過程中，在調(diào)形單元體位置參數(shù)的同時，還需要將水平方向上的旋轉(zhuǎn)參數(shù)進行調(diào)形，垂直方向上的旋轉(zhuǎn)參數(shù)將由夾鉗的運動軌跡和模具頭體上死點等協(xié)調(diào)控制.但無論是在水平方向上還是在垂直方向上，旋轉(zhuǎn)參數(shù)的計算與夾鉗的運動軌跡規(guī)劃密不可分.

3 結(jié)論

(1)文中提出了將三維拉彎成形問題分解成制件在空中預先扭轉(zhuǎn)，然后再分別進行水平和垂直方向上的拉彎成形，從而將復雜問題簡單化，并成功實現(xiàn)了三維制件一次性拉彎成形.

(2)提出的成形工藝方法對于解決拉彎成形制件回彈控制問題十分方便.傳統(tǒng)的成形方法模具形面是固定的，制件變形量不符合要求時需要反復修改模具形面、反復試模，文中提出的型材多點柔性拉彎成形可實現(xiàn)模具形面的快速重組，根據(jù)文中提出的水平方向及垂直方向調(diào)形參數(shù)的計算方法可簡化調(diào)形工藝，且適用性強.

(3)本研究成果在高鐵、建筑、航空等領域所使用的大型型材類制件拉彎成形方面均有明顯的技術優(yōu)勢.

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