包头市轨道车辆运载量大、效率高，是我国主要交通运输方式之一。轨道车辆车体构件尺寸大、精度要求高，一般采用拉弯成形工艺制造。拉弯工艺能够在型材弯曲的同时施加切向拉力，改善截面应力状态，从而减小回弹，提高成形件轮廓精度。车体构件的高精度成形是轨道车辆车体制造的关键技术之一。现以某轨道车辆车体铝合金端梁构件为研究对象，构建了拉弯成形数值模拟模型，研究了工艺参数对该构件拉弯成形截面变形和轮廓精度的影响规律，优化了拉弯成形工艺，以对实际生产提供指导。
模型某轨道车辆车体端梁几何模型如图1所示，该构件由铝合金型材拉弯成形。基于几何模型，构建拉弯成形有限元模型如图2所示，模型由型材、夹钳和拉弯胎构成，其中拉弯胎和夹钳为不可变形壳体，型材为可变形壳体。为提高计算效率，夹钳简化为平面，型材端部通过绑定关系与夹钳连接。型材采用S4R单元进行网格划分，拉弯胎和夹钳采用R3D4单元进行网格划分。型材的本构模型选取Krupkowsky准则，屈服准则选取Mises准则。摩擦模型选取Coulomb模型，摩擦因数设置为0.1。拉弯过程中，拉弯模固定不动，夹钳的移动和转动带动型材包绕拉弯胎弯曲成形。
截面变形影响因素研究
（a）拉伸量6%
（b）拉伸量8
（c）拉伸量10%
（d）拉伸量12%
不同拉伸量时弯曲件截面变形情况如图3所示。由图3（c）可知，车体构件弯曲程度较大的B区域发生了明显的腹板塌陷和立边弯曲，截面畸变缺陷显著；弯曲程度较小的C区域和直线段A区域截面畸变程度较小。此外当拉伸量为6%和8%型材长度时，弯曲件A、B、C3个区域内截面变形情况良好，无明显截面畸变；当拉伸量为10%型材长度时，弯曲件的B区域发生了明显的腹板塌陷和立边弯曲缺陷，截面畸变严重，而A和C区域截面变形程度较小，未发生明显截面畸变；当拉伸量为12%型材长度时，弯曲件B区域截面畸变程度更加严重，且A和C区域也发生了明显的立边弯曲现象，截面发生畸变。因此随着拉伸量增加，截面畸变缺陷更加严重。对车体构件当拉伸量小于8%时，弯曲件截面变形情况良好。
拉弯过程中，型材拉伸量对成形件的回弹情况影响最为显著。弯曲件回弹量随拉伸量变化的曲线如图4所示。由图4可以看出，一定范围内，随着拉伸量的增加，回弹量减小，有利于轮廓精度的提高。然而，拉伸量对回弹的影响作用有限，且拉伸量过大容易导致截面畸变缺陷。可采用基于回弹对模具零件型面进行修正的方法来控制轮廓精度，初始模型中模具零件型面外皮曲线为理论件外皮轮廓曲线等距偏移料厚所得，初始模型中成形件的回弹量即为成形件与理论件之间的轮廓间隙。基于零件不同位置的轮廓间隙，在模具零件型面曲线上相应位置处分别进行不同倍数的反向修正，然后分别利用修正后的模具拉弯成形，比较成形件卸载后轮廓曲线与理论件轮廓曲线之间的差值，得出最佳的模具零件型面修正量。相对理论件，零件回弹后其尺寸和弯曲角度均发生了变化，最终综合反映在回弹件与理论件之间的轮廓间隙，因此基于回弹件轮廓间隙进行模具型面修正方法的同时考虑了回弹件尺寸和角度的变化。当拉伸量为8%型材长度时，成形件轮廓精度随模具零件型面修正量的变化曲线如图5所示。由图5可以看出，当修正量为1.3倍回弹量时，成形件轮廓精度明显提高，达到了使用要求。
由以上分析可知，增大拉伸量可减小回弹量，有利于轮廓精度的提高；然而，拉伸量过大易导致截面畸变、腹板塌陷，如图6所示。综合考虑，对车体构件合理的拉伸量为8%型材长度，基于该拉伸量，在V-75数控拉弯机上进行了拉弯成形试验，如图7所示，并修正了拉弯胎型面，最终得到了合格的弯曲件（见图8），目前该车体构件已成功应用于轨道车辆铝合金车体中。
（1）端梁构件拉弯成形过程中容易出现腹板塌陷和立边弯曲截面畸变缺陷，弯曲程度较大区域的截面畸变程度更严重。
（2）截面畸变程度随着拉伸量的增大而增大。对车体构件当拉伸量小于8%型材长度时，弯曲件截面变形情况良好。
（3）增大拉伸量一定程度上能够减小回弹，有利于提高轮廓精度；基于回弹对模具零件型面进行修正能够有效控制轮廓精度。对车体构件当拉伸量为8%型材长度时，合理的模具零件型面修正量为1.3倍回弹量。
