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摘要：文章提出了一种铝合金车端部排水管成型工艺的简化方法，由压型工艺简化为折弯后手工弯曲再焊接成型的方法，然后通过对零件外形的处理得到可展的三维模型，从而实现产品的自动展平。
关键词：钣金成型;工艺简化;钣金展开;自动展平
Key words： sheet metal forming;process simplification;sheet metal unfold;automatic flattening
0 引言
钣金件具有轻便、强度高、可批量生产和成本低等特点，随着钣金件的应用越来越广，钣金成型工艺的设计也成为产品开发过程中很重要的一部分。一方面要使得钣金满足产品的功能和外观等要求;另一方面可以简化模型进而简化生产工艺，达成生产成本低以及生产效率高的目的[1]。铝合金车端部排水管焊接在端墙外侧，主要作用是排出顶棚积水，对零件本身的强度和精度要求不高，只需要做出侧弯的角度从而与侧墙的弧度相匹配。如果采用压型工艺，则需要设计模具将压力机的垂直运动转化为模具的水平运动来完成零件的成型，模具结构复杂，且要在成型时对内部进行填充，防止截面变形，工艺过于复杂。本文提出了一种简易的成型方法来实现端部排水管的弯曲变形，并获得了可展的三维模型，实现了产品的自动展平。
1 地铁钣金件成型方法简介
地铁车辆车体结构由大量钣金件构成，在保证车体强度的同时还能实现车体轻量化。目前轨道交通行业的成型工艺主要包括：折弯、拉弯、翻边、拉深等。下面主要介绍折弯成型和拉弯成型2种工艺。
1.1 折弯成型
折弯成型是将平直板材或管材等型材的毛坯或半成品，用模具或其他工具弯成具有一定角度或一定形状制件的加工方法，是冲压的基本工序之一。
1.1.1 折弯件展开尺寸的计算
弯曲圆角区内，材料外层的纤维受拉，伸长，内层的纤维受压，缩短，而材料纤维长度不变的那一层，称为中性层。中性层位置见图1。当材料厚度、弯曲圆角半径和弯曲方法不同时，中性层的位置也不同。一般认为，圆角区内的中性层是弯曲件内圆角半径的同心圆，其半径按下式计算：
R=r+K*t
式中 R——从弯曲件内圆角半径的中心至中性层的距离;r——弯曲件内圆角半径;K——中性层系数，它与相对弯曲圆角半径r/t关系见表1;t——材料厚度。
弯曲件的展开长度，是根据弯曲中性层长度不变的原理进行计算的。其展开长度等于直线部分的长度与弯曲部分中性层的长度之和。（表1）
1.1.2 折弯机的模压成型
通过折弯模具除可进行常规的一定角度的弯曲成型以外，还可进行模压成型，对于地铁成型件中最为常见的压马腿结构尤为适用。图2为西安6号线的窗中板，其一侧有1.5mm深的马腿搭接结构，如果设计压力机上使用的模具则需要配上下模板及定位装置，模具尺寸较大，操作不便，而通过折弯模的设计则可以完全避免这些问题，模具长度500mm一段，上模方便，且可以实现设备自动定位，只要马腿深度不变，马腿长度可通过折弯机定位档位置进行调节。折弯模结构如图3所示。此外，还可通过调整工艺顺序避免新做模具，如图4所示门上梁，利用折弯模先压两侧马腿后再进行折弯，便可少制造一套模具。
1.2 拉弯成型
拉弯成型是指坯料在弯曲的同时加以切向拉力，边拉伸边弯曲，改变坯料截面内的应力为拉应力的一种弯曲成型工艺。该工艺能够改善构件截面内的应力分布，减小回弹，提高成型精度，同时消除起皱现象，是大曲率半径构件成型的有效方法。目前，在地铁车辆中顶棚弯梁、侧墙立柱、端顶弯梁、门扣柱均由拉弯成型。
型材拉弯成型是由成型件尺寸、型材截面形状、材料性能、成型工艺参数等多因素耦合交互作用的复杂成型过程，成型件的质量较难控制。单纯地采用试验研究和理论解析方法，难以准确地、有把握地解决拉弯成型的生产实际问题。应用有限元软件模拟型材拉弯成型过程，能够比较准确预测变形趋势及可能发生的起皱、破裂等成型缺陷，在回弹等的计算上也有一定的精度，借助有限元仿真分析能够对工艺参数进行优化，从而提高零件成型质量。
Cyril Bath公司生产的拉弯机自带软件为PS2F软件。该软件能够对型材张臂式拉弯过程进行仿真，对型材拉弯的可行性进行判断，根据型材零件的形状特点和摩擦接触状态来自动优化夹钳加载轨迹，能够计算回弹量，并对模具型面进行相应的补偿。根据仿真优化的结果及具体的型材拉弯设备，PS2F软件能够自动生成相应的数控代码，从而驱动机构的可靠运动，并且避免了仅凭个人经验及通过试验确定加工参数的困难。通过数值模拟可以计算拉弯过程中截面的收缩量，为夹头设计提供参考，同时可以依据经验获得预期回弹的拉弯胎轮廓曲线。模拟生成的拉弯程序以位移和角度显示，方便调整。图5是拉弯生产的顶棚弯梁。
2 零件分析
图6所示零件为尼日利亚阿布贾内燃动车组端部排水管（左），右件与其为对称结构。材质为铝合金5083-H111，板厚3mm。成型后的角度卡样板检查间隙应小于1mm。
3 工艺分析
弯曲件的传统成型方法是折弯后进行压型，但此件为水平方向弯曲，需通过模具结构将压力机的垂直运动转化为模具的水平运动，从而实现零件的弯曲成型，模具结构复杂、成本高。由于该零件只是起到排水作用，对其强度要求不高，且數量较少，经工艺分析决定对成型工艺进行简化，通过折弯后手工弯曲再焊接获得所需角度。要想在零件折弯后通过较小的力对其弯曲，则意味着在弯曲处只能是单层板。假设图6，A-A剖的P面在弯曲角度相交处有一道宽度等于板厚的焊缝，如图7所示。表面看来零件需要折两道弯以实现该角度，但由于M面垂直于纸面，在该焊缝越过折弯线的情况下，若零件处于自由状态则该焊缝将会张开角度使M面回弹，使本来呈一定角度的两道弯变成一道弯，如图8所示。因此端部排水管的成型问题简化为折一道弯后由手工进行弯曲至图7的状态然后进行焊接成型。
4 可展三维模型的创建和自动展平
对成型工艺进行简化后问题转化为如何获得正确的展开料尺寸使得零件在折弯后进行弯曲时，焊缝合拢能够恰好获得零件所需的弯曲角度，从而减少操作工序，避免每个零件弯曲时都需要卡样板后再进行焊接。由于折弯角度为45°，因此图8中的角度绝不是零件上下两个角度4.834°和3.872°的简单加和。如果采用传统的手工几何展开算法，则费时且误差大，需要多次下料试折弯直至获得准确的角度。而采用三维的计算机辅助自动展平下料会更加准确、直观。目前被企业广泛采用的三维数字化建模软件主要有Pro/E、UG和CATIA等[2]。如果完全按图纸进行建模，则由于弯曲圆弧R1005.5的存在无法实现软件的自动展平。考虑到工艺上的可行性，需要对模型进行优化处理，将圆弧两侧的切线延长相交，从而获得可展的三维模型。应用Creo软件进行三维建模，通过扫描功能生成优化的三维模型，然后将实体模型转化为钣金零件，在切线相交处拉伸出焊缝后即可实现钣金件的自动展平，如图9所示，并且方便地输出其坯料二维图，供激光切割下料。
5 结论
从上述的分析可以看出，通过对端部排水管成型工艺的简化，避免了复杂模具的设计及制造，在满足工艺要求的情况下通过折弯后手工弯曲再焊接的方法实现了零件的成型，节约了大量成本。同时为获得零件的精确展开图，对模型进行了优化，建立了可展的三维模型，应用Creo软件自动展平，获得了供激光下料的坯料二维图。通过实际生产证明，该方法简便易行，大大缩短了生产制造周期。
参考文献：
[1]刘玲.钣金件加工工艺的优化设计[J].新技术新工艺，2016，12，81.
[2]金朝海，周贤宾.基于PS2F的铝型材拉弯回弹研究[J].塑性工程学报，2007，3，2.
[3]周建华.一种天圆地方钣金的自动展平方法[J].制造业自动化，2009，5，108.
关键词：钣金成型;工艺简化;钣金展开;自动展平
Key words： sheet metal forming;process simplification;sheet metal unfold;automatic flattening
0 引言
钣金件具有轻便、强度高、可批量生产和成本低等特点，随着钣金件的应用越来越广，钣金成型工艺的设计也成为产品开发过程中很重要的一部分。一方面要使得钣金满足产品的功能和外观等要求;另一方面可以简化模型进而简化生产工艺，达成生产成本低以及生产效率高的目的[1]。铝合金车端部排水管焊接在端墙外侧，主要作用是排出顶棚积水，对零件本身的强度和精度要求不高，只需要做出侧弯的角度从而与侧墙的弧度相匹配。如果采用压型工艺，则需要设计模具将压力机的垂直运动转化为模具的水平运动来完成零件的成型，模具结构复杂，且要在成型时对内部进行填充，防止截面变形，工艺过于复杂。本文提出了一种简易的成型方法来实现端部排水管的弯曲变形，并获得了可展的三维模型，实现了产品的自动展平。
1 地铁钣金件成型方法简介
地铁车辆车体结构由大量钣金件构成，在保证车体强度的同时还能实现车体轻量化。目前轨道交通行业的成型工艺主要包括：折弯、拉弯、翻边、拉深等。下面主要介绍折弯成型和拉弯成型2种工艺。
1.1 折弯成型
折弯成型是将平直板材或管材等型材的毛坯或半成品，用模具或其他工具弯成具有一定角度或一定形状制件的加工方法，是冲压的基本工序之一。
1.1.1 折弯件展开尺寸的计算
弯曲圆角区内，材料外层的纤维受拉，伸长，内层的纤维受压，缩短，而材料纤维长度不变的那一层，称为中性层。中性层位置见图1。当材料厚度、弯曲圆角半径和弯曲方法不同时，中性层的位置也不同。一般认为，圆角区内的中性层是弯曲件内圆角半径的同心圆，其半径按下式计算：
R=r+K*t
式中 R——从弯曲件内圆角半径的中心至中性层的距离;r——弯曲件内圆角半径;K——中性层系数，它与相对弯曲圆角半径r/t关系见表1;t——材料厚度。
弯曲件的展开长度，是根据弯曲中性层长度不变的原理进行计算的。其展开长度等于直线部分的长度与弯曲部分中性层的长度之和。（表1）
1.1.2 折弯机的模压成型
通过折弯模具除可进行常规的一定角度的弯曲成型以外，还可进行模压成型，对于地铁成型件中最为常见的压马腿结构尤为适用。图2为西安6号线的窗中板，其一侧有1.5mm深的马腿搭接结构，如果设计压力机上使用的模具则需要配上下模板及定位装置，模具尺寸较大，操作不便，而通过折弯模的设计则可以完全避免这些问题，模具长度500mm一段，上模方便，且可以实现设备自动定位，只要马腿深度不变，马腿长度可通过折弯机定位档位置进行调节。折弯模结构如图3所示。此外，还可通过调整工艺顺序避免新做模具，如图4所示门上梁，利用折弯模先压两侧马腿后再进行折弯，便可少制造一套模具。
1.2 拉弯成型
拉弯成型是指坯料在弯曲的同时加以切向拉力，边拉伸边弯曲，改变坯料截面内的应力为拉应力的一种弯曲成型工艺。该工艺能够改善构件截面内的应力分布，减小回弹，提高成型精度，同时消除起皱现象，是大曲率半径构件成型的有效方法。目前，在地铁车辆中顶棚弯梁、侧墙立柱、端顶弯梁、门扣柱均由拉弯成型。
型材拉弯成型是由成型件尺寸、型材截面形状、材料性能、成型工艺参数等多因素耦合交互作用的复杂成型过程，成型件的质量较难控制。单纯地采用试验研究和理论解析方法，难以准确地、有把握地解决拉弯成型的生产实际问题。应用有限元软件模拟型材拉弯成型过程，能够比较准确预测变形趋势及可能发生的起皱、破裂等成型缺陷，在回弹等的计算上也有一定的精度，借助有限元仿真分析能够对工艺参数进行优化，从而提高零件成型质量。
Cyril Bath公司生产的拉弯机自带软件为PS2F软件。该软件能够对型材张臂式拉弯过程进行仿真，对型材拉弯的可行性进行判断，根据型材零件的形状特点和摩擦接触状态来自动优化夹钳加载轨迹，能够计算回弹量，并对模具型面进行相应的补偿。根据仿真优化的结果及具体的型材拉弯设备，PS2F软件能够自动生成相应的数控代码，从而驱动机构的可靠运动，并且避免了仅凭个人经验及通过试验确定加工参数的困难。通过数值模拟可以计算拉弯过程中截面的收缩量，为夹头设计提供参考，同时可以依据经验获得预期回弹的拉弯胎轮廓曲线。模拟生成的拉弯程序以位移和角度显示，方便调整。图5是拉弯生产的顶棚弯梁。
2 零件分析
图6所示零件为尼日利亚阿布贾内燃动车组端部排水管（左），右件与其为对称结构。材质为铝合金5083-H111，板厚3mm。成型后的角度卡样板检查间隙应小于1mm。
3 工艺分析
弯曲件的传统成型方法是折弯后进行压型，但此件为水平方向弯曲，需通过模具结构将压力机的垂直运动转化为模具的水平运动，从而实现零件的弯曲成型，模具结构复杂、成本高。由于该零件只是起到排水作用，对其强度要求不高，且數量较少，经工艺分析决定对成型工艺进行简化，通过折弯后手工弯曲再焊接获得所需角度。要想在零件折弯后通过较小的力对其弯曲，则意味着在弯曲处只能是单层板。假设图6，A-A剖的P面在弯曲角度相交处有一道宽度等于板厚的焊缝，如图7所示。表面看来零件需要折两道弯以实现该角度，但由于M面垂直于纸面，在该焊缝越过折弯线的情况下，若零件处于自由状态则该焊缝将会张开角度使M面回弹，使本来呈一定角度的两道弯变成一道弯，如图8所示。因此端部排水管的成型问题简化为折一道弯后由手工进行弯曲至图7的状态然后进行焊接成型。
4 可展三维模型的创建和自动展平
对成型工艺进行简化后问题转化为如何获得正确的展开料尺寸使得零件在折弯后进行弯曲时，焊缝合拢能够恰好获得零件所需的弯曲角度，从而减少操作工序，避免每个零件弯曲时都需要卡样板后再进行焊接。由于折弯角度为45°，因此图8中的角度绝不是零件上下两个角度4.834°和3.872°的简单加和。如果采用传统的手工几何展开算法，则费时且误差大，需要多次下料试折弯直至获得准确的角度。而采用三维的计算机辅助自动展平下料会更加准确、直观。目前被企业广泛采用的三维数字化建模软件主要有Pro/E、UG和CATIA等[2]。如果完全按图纸进行建模，则由于弯曲圆弧R1005.5的存在无法实现软件的自动展平。考虑到工艺上的可行性，需要对模型进行优化处理，将圆弧两侧的切线延长相交，从而获得可展的三维模型。应用Creo软件进行三维建模，通过扫描功能生成优化的三维模型，然后将实体模型转化为钣金零件，在切线相交处拉伸出焊缝后即可实现钣金件的自动展平，如图9所示，并且方便地输出其坯料二维图，供激光切割下料。
5 结论
从上述的分析可以看出，通过对端部排水管成型工艺的简化，避免了复杂模具的设计及制造，在满足工艺要求的情况下通过折弯后手工弯曲再焊接的方法实现了零件的成型，节约了大量成本。同时为获得零件的精确展开图，对模型进行了优化，建立了可展的三维模型，应用Creo软件自动展平，获得了供激光下料的坯料二维图。通过实际生产证明，该方法简便易行，大大缩短了生产制造周期。
参考文献：
[1]刘玲.钣金件加工工艺的优化设计[J].新技术新工艺，2016，12，81.
[2]金朝海，周贤宾.基于PS2F的铝型材拉弯回弹研究[J].塑性工程学报，2007，3，2.
[3]周建华.一种天圆地方钣金的自动展平方法[J].制造业自动化，2009，5，108.