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摘要：本文选取某轨道车辆车顶连接梁为典型件，分析了6005A铝合金U型截面型材的压弯成形过程，探究了铝合金U型截面型材主要成形缺陷的成因及控制方法，确定了铝合金U型截面型材弯曲变形过程中的材料流动规律。研究结果表明：铝合金U型截面型材在弯曲成形过程中，拉伸变形区厚度减小，压缩变形区厚度增大，中性层上移；在满足某轨道车辆车顶连接梁成形精度要求的前提下，在模具间隙为1.1t时，型材厚度极限值为4.37mm，立边高度极限值为155.4mm,弯曲半径极限值为400mm。因此，该研究为轨道车辆车体构件的成形工艺和结构特征设计提供了理论依据，并具有对铝合金型材压弯模具设计的一定指导意义。
关键词：铝合金型材；压弯成形；U型截面；数值模拟
进入二十一世纪以来，我国的制造业水平迅速提高，地铁、高铁等轨道车辆逐渐普及到更多的城市。目前轨道客车车体材料主要包括铝合金和不锈钢等。随着轨道车辆设计制造技术的快速发展，为了满足轻量化和节能降耗的需求，以铝合金为代表的轻金属合金得到了广泛的使用，与钢材相比，6005A铝合金材料重量轻、减重效果明显、吸收冲击能力强、使用安全、耐蚀性强、易于回收，更加满足轨道车辆轻量化发展的需求。随着铝合金材料的应用日益广泛，轨道车辆行业对铝合金型材的创新性工艺研究越来越重视。
型材弯曲成形的失效形式主要有起皱、截面畸变和轮廓精度差等。采用Abaqus有限元软件研究了某地铁车辆用角型截面不锈钢型材弯曲成形工艺，分析了型材立边高度、模具间隙及拉伸量对起皱趋势变化影响规律，研究结果认为，模具间隙减小能够一定程度地降低起皱缺陷，但不能彻底消除；拉伸量对起皱缺陷具有重要影响，拉伸量增加能够有效抑制起皱缺陷；采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对45钢非对称槽型材收边弯曲过程的截面畸变问题进行了数值模拟研究，分析了型材翼缘部分的横向偏移随纵向和径向位置变化的分布关系。研究结果认为，型材不同节点位置的横向偏移与该节点位置至中性层的距离近似呈正比，型材翼缘末端的偏移量最大；利用Pam Stamp有限元软件进行了铝合金矩形管材弯曲成形过程的数值模拟研究，分析了模具最大作用力、管材截面畸变、成形件回弹的变化规律。研究结果认为，随着预拉力增大，模具最大作用力、管材截面畸变均随之增大，成形件的回弹变形量相应减小；在同样的预拉伸条件下，管材壁厚增大可有利于减轻截面畸变程度。但目前大尺寸6005A铝合金U型截面型材失稳类缺陷的规律探究较少。
本文选取某轨道车辆车顶连接梁(以下简称车顶连接梁)作为典型件，分析了铝合金U型截面型材弯曲变形过程中材料的流动规律以及压弯成形过程中出现的主要缺陷，并确定了型材厚度、立边高度与弯曲半径的几何尺寸范围及极限值，从而为大型铝合金弯曲类零件的生产提供理论依据。
1有限元模型的建立及材料流动分析
1.1铝合金U型截面型材的零件特征及有限元模型
1.1.1零件特征
车顶连接梁成形后的全长约1800mm，轮廓形状总体为中央隆起，两端下垂的构型，高度方向上的落差为178.5mm。其截面轮廓复杂，近似为U形，截面宽度167mm，立边高度100mm，型材厚度8mm。主要成形部分为弯曲半径为800mm的弯曲段，由于车顶连接梁尺寸较大，在弯曲成形过程中易出现起皱、截面畸变、轮廓精度差等缺陷。
1.1.2有限元建模
依据国家标准GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，首先对6005A铝合金进行单向拉伸试验以得到其力学性能的相关数据，试验的拉伸试样厚度为10mm。试验设备为WDW-200型微机控制电子万能试验机，拉伸速度为2mm/min，从而得到6005A铝合金试样的应力-应变曲线，将其转换为真实应力-应变曲线，用于后续的铝合金材料模型。
为了便于数值模拟研究，将车顶连接梁截面形状进行合理简化，并基于Abaqus模拟平台，建立车顶连接梁压弯成形的有限元模型。铝合金材料模型的创建采用Krupkowsky公式以描述6005A铝合金材料的应力-应变关系。由于铝合金U型截面型材结构对称，为节省计算时间，提高计算效率，选取所建立的车顶连接梁压弯成形有限元模型的一半进行分析。将铝合金U型截面型材设置为可变形壳体，采用S4R单元对铝合金U型截面型材进行离散化处理，近似全局网格尺寸为3mm，圆角处的网格尺寸细化为1mm。网格划分后，铝合金U型截面型材网格单元数量为13813个，节点数量为14314个；模具设置为解析刚体，将模具质心设置为参考点，并与模具进行刚体约束，采用S4R单元进行网格划分，近似全局网格尺寸为10mm，圆角处的网格尺寸细化为3mm。由于Simpson法则和Gauss求积可以精确的求解线性问题，当使用相同数量的截面点时，Gauss求积比Simpson法则提供更高的精度，所以将壳体厚度方向设置5个Gauss积分点，以达到更高的模拟精度。各表面之间采用Coulomb摩擦模型，摩擦系数设置为0.1。压弯成形过程采用动态显式算法进行计算，将铝合金U型截面型材对称面的边界条件设置为关于XY面对称，凹模完全固定，凸模沿Y轴负方向运动，运行速度设置为60mm/s，压弯成形过程压弯成形过程由凸模将铝合金U型截面型材压入凹模之中完成。
1.2铝合金材料流动分析
铝合金U型截面型材弯曲变形时，中性层外侧的区域受到拉应力的作用产生变形，中性层内侧的区域受到压应力的作用产生变形，两区域分别称为拉伸变形区和压缩变形区。铝合金U型截面型材变形过程中，模具运动迫使紧贴模具的材料变形，其产生的连带作用使内部材料也随之变形，在凸凹模的限制下，材料表面紧贴模具型面流动，完成型材最终成形。由数值模拟获得的铝合金U型截面型材变形后的立边厚度分布情况可知，在成形过程中，随着弯曲变形的进行，在长度方向上，弯曲变形区域上表面受拉，下表面受压，型材厚度(图纸尺寸8mm)以中性面为界发生变化，中性面以上的铝合金U型截面型材拉伸变形区(即弯曲段的上表面)壁厚减小，中性面以下的铝合金U型截面型材压缩变形区(即弯曲段的下表面)壁厚增加，而且中性层向铝合金U型截面型材上表面一侧移动。弯曲变形结束后，铝合金U型截面型材顶端向内收缩，立边处有一定程度的外翘。而由于铝合金U型截面型材较长，立边较高，在弯曲成形时，中性层上移造成平行立边方向的压力传递不均，立边内层材料所受的切向压应力易达到临界值，导致铝合金U型截面型材立边出现起皱缺陷。
2铝合金U型截面型材的成形缺陷分析
2.1铝合金U型截面型材的成形缺陷
立边弯曲段在成形过程中受力集中，易出现立边起皱缺陷。为解决这一成形缺陷问题，将模具间隙由型材厚度的125%调整到110%。由调整模具间隙后的模拟结果可知，弯曲段最大厚向位移量由2.98mm减至0.7mm，起皱缺陷基本消除。根据上述模拟结果，进行铝合金U型截面型材成形试验，所获得的铝合金U型截面型材压弯成形试件弯曲段立边没有出现起皱，且立边表面光滑，成形质量良好。
2.2铝合金U型截面型材的成形极限
型材成形性和板材成形性不同，除成形工艺对其成形性的影响之外，铝合金U型截面型材的截面尺寸也同样是影响其成形性的重要因素。对于铝合金U型截面型材来说，型材厚度、立边高度与弯曲半径均为影响弯曲成形效果的关键性因素。因此，有必要开展铝合金U型截面型材的型材厚度、立边高度与弯曲半径的几何尺寸范围及极限值的数值模拟研究。在保证型材弯曲成形效果的前提下，为此类铝合金型材的创新性工艺研究提供理论基础。
2.2.1型材厚度
为了衡量成形后的起皱程度，铝合金U型截面型材的起皱高度被定义为在节点沿垂直立边方向的最大位移差。通过数值模拟，我们可以看到不同型材厚度的铝合金U型截面型材在弯曲段立边处的起皱情况。随着型材厚度的减小，立边底部与模具接触面积减小，立边底部缺少支撑。在变形过程中，铝合金U型截面型材立边下部材料会不断向内流动，然而铝合金U型截面型材在高度方向上却受到凸模的限制，而其立边顶部材料则有向外流动的趋势，导致立边出现起皱缺陷。
通过数值模拟可以得知，不同厚度的铝合金U型截面型材在成形后的模拟情况不同。随着型材厚度降低，铝合金U型截面型材弯曲段与凹模接触时所受应力更大，使立边内层材料所受的切向压应力更容易达到临界值，从而导致成形后的起皱缺陷变得更为明显。当型材厚度为10mm时，无明显褶皱出现，厚向位移起伏很小，基本无起皱缺陷出现；当型材厚度为8mm时，厚向位移起伏更加密集，起伏程度仍较低；当型材厚度为6mm时，出现一定数量的起皱高度峰，最大厚向位移差值为0.7mm，在误差允许范围之内；当型材厚度为4mm时，弯曲段上出现密集且严重的褶皱，最大起皱量达到1.08mm，超出误差允许范围，出现起皱缺陷。由此可见，型材厚度是影响起皱缺陷的重要因素，应严格控制型材厚度，避免铝合金U型截面型材出现起皱缺陷。将型材厚度分别为10mm、8mm、6mm、4mm时的起皱量进行曲线拟合，可得到起皱量与型材厚度的变化关系曲线。在该变化关系曲线上，当起皱误差最大允许值为1mm时，车顶连接梁型材厚度的许用极限值为4.37mm。
此外，随着型材厚度的减小，车顶连接梁的截面畸变也随之增大，当型材厚度降低到4mm时，车顶连接梁在Z轴方向发生严重的截面畸变。因此，对于该车顶连接梁，型材厚度最小值应大于4mm，否则截面畸变严重，不满足成形质量要求。
综上所述，在满足车顶连接梁成形精度要求的前提下，其型材厚度的许用极限值为4.37mm。
2.2.2立边高度
铝合金U型截面型材进行弯曲时，截面的形状发生变化。随着立边高度增加，立边的压缩变形区更大，而且压应力大小随立边高度的增大而增高。铝合金U型截面型材变形时不稳定性升高，厚度与宽度方向位移变化量增大，同样对起皱程度有很大影响。而且受到凹模与成形件之间的模具间隙限制，容易出现截面畸变、立边垂直度差等成形缺陷。
当立边高度为70mm时，立边保持平直，截面形变很小，无明显褶皱出现；当立边高度为100mm时，立边基本垂直，无明显畸变，厚度方向形变较小且很密集；当立边高度为130mm时，弯曲段末端出现起皱高度峰，立边略微塌陷，垂直度出现偏差，出现一定程度的截面畸变；当立边高度为160mm时，厚向位移起伏明显且密集，起皱量达到1.43mm，左侧立边明显塌陷，垂直度误差达到1.56mm，截面畸变明显，出现明显的成形缺陷。由此可见，随着立边高度达到160mm时，成形后出现的起皱、截面畸变与立边的垂直度差等缺陷，使其难以与其他零件进行装配，达不到成形要求。将立边高度分别为70mm、100mm、130mm、160mm时的截面畸变程度进行曲线拟合，可得到截面畸变程度与立边高度的变化关系曲线。在该变化关系曲线上，随着立边高度增加，铝合金U型截面型材的立边塌陷程度与垂直度误差都逐渐增大。当截面畸变程度允许值小于3mm时，车顶连接梁型材立边高度的许用极限值为155.4mm。
2.2.3弯曲半径
铝合金U型截面型材压弯成形后内部存在残余应力，因此成形件卸载后，内部残余应力释放会产生回弹。随着弯曲半径增加，铝合金U型截面型材的回弹值也越来越大，轮廓精度随之变差。铝合金U型截面型材的回弹程度可用铝合金U型截面型材的顶部直线段、中部弯曲段、尾部直线段三个区域的回弹变形量来表示。由数值模拟获得的铝合金U型截面型材回弹量与弯曲半径的模拟情况可知，当弯曲角度不变时，将弯曲半径从R=500mm增大至R=1000mm，回弹量最大位置出现在尾部直线段，对应回弹量由3.032mm增加为11.2mm。由铝合金U型截面型材不同位置回弹量的变化趋势可知，顶部直线段回弹量△U1和中部弯曲段△U2回弹量增大趋势相比尾部直线段△U3较小，铝合金U型截面型材尾部直线段处于自由端，是铝合金U型截面型材全部变形区域回弹叠加的结果，因此回弹量最大。
但弯曲半径也不能无限减小，弯曲半径减小到400mm时，立边出现明显的成形缺陷，这是由于弯曲角度不变，弯曲半径减小，铝合金U型截面型材的相对变形幅度增大，更易出现截面畸变引起的失稳变形。
随着弯曲半径从1000mm减小到400mm，回弹量与形变量两方面都发生相对应的变化，当弯曲半径达到1000mm时，回弹量大，成形件轮廓精度较差。而弯曲半径小于400mm时，立边出现明显变形，达不到成形要求。因此车顶连接梁的弯曲半径许用最小值为400mm。
3结论
(1)6005A铝合金U型截面型材在弯曲成形过程中，中性层随着变形发生上移，拉伸变形区厚度减小，铝合金U型截面型材局部受力不均，出现减薄；压缩变形区厚度增大，出现明显起皱现象，采用适当的模具间隙可改善型材的弯曲成形效果。
(2)通过铝合金U型截面型材的截面尺寸对弯曲成形影响规律的研究可知，在模具间隙为1.1t条件下，当立边高度与弯曲半径不变时，随着型材厚度由10mm减小到4mm，起皱量增大；当型材厚度与弯曲半径不变时，随着铝合金U型截面型材立边高度由70mm增大到160mm，起皱量与截面畸变程度均增大；当型材厚度与立边高度不变且弯曲角度固定时，随着铝合金U型截面型材弯曲半径由500mm增大到1000mm，弯曲后回弹量增大。
(3)为满足车顶连接梁的成形精度要求，在模具间隙为1.1t条件下，型材厚度许用极限值为4.37mm，立边高度许用极限值为155.4mm，弯曲半径的许用最小值为400mm。
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