立體連接板的成形工藝與模具設計

呂浩源，宋連芹

（長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

0 引言

圖1 所示立體連接板，是新型城軌客車側墻立柱與車頂邊梁和底架邊梁之間的重要連接件，其左視圖投影為扇形，主視圖（沿側墻縱向看的安裝位置）方向為大圓弧曲面，而曲面法向橫斷面剖視圖為禮帽型。該零件大端與上、下邊梁搭接焊，小端與側墻立柱對接焊，R9982 曲面要求與外墻板貼合，故其形狀尺寸的好壞直接影響車體組成的焊接強度。該零件材質為X2CrNiN18-7 不銹鋼[1]，材料厚度t=3mm，抗拉強度σb=650MPa，屈服強度σs=380MPa，延伸率δ=40%。

圖1 連接板零件圖

因為零件的形狀比較復雜，上、下端開口且不對稱，單件成形時存在沖壓方向難以確定、模具側向力難以平衡、制件形狀尺寸難以保證等問題，所以需要采取合理的工藝措施和特殊的模具結構，才能保證零件的順利成形。

1 成形工藝分析與工藝方案的確定

1.1 工藝分析與制件圖設計[2-3]

因零件帶有R49 曲面凸緣，而R85 處類似于筒形件，所以首先確定需要采用拉深工藝來進行成形，而且應以R85 柱面的軸線方向為沖壓方向。因零件左右對稱（從左視圖看）而上下不對稱，為使拉深過程中模具的水平分力對稱平衡，以便簡化模具結構并有利于坯料的定位和成形，應將零件在上下方向做鏡像，兩件拼合一次成形。為保證R49 凸緣處拉深時不開裂，兩件拼接處除留夠剖分余量外，還應增加適當的工藝補充料。因拼合后制件的上下端仍為開口狀態，拉深時R9939 曲面易出現起皺問題，為保證R9939 曲面的成形質量，應在制件的兩端頭設置拉深檻來增加阻力。為簡化模具結構，現將兩端頭補充為與B-B 剖面相似的帽型結構，并將凸緣面設計成與R9982 在同一柱面內。通過以上分析研究，設計了成形工序的制件圖，如圖2 所示。

圖2 成形工序制件圖

1.2 工藝計算與坯料圖設計[4-5]

（1）因為本工序制件在橫向的伸長量不大，所以坯料的總長尺寸可以在制件圖橫向對稱剖面內，按純彎曲變形來展開計算，取整后為540mm。

（2）同樣道理，制件圖中部的坯料寬度也可以在B-B 剖面內按純彎曲變形來展開，取整后為200mm。而制件橫頭內側四角處的展開，可以取與B-B 剖面展開后距R85 圓心相等的尺寸。

（3）坯料的總寬尺寸不能僅考慮增加修邊量，還應充分考慮在R85 的筒形面成形時，因相鄰區域材料轉移而產生的收縮。根據以往內曲翻邊件的經驗，自由端向內的收縮量可達20mm～30mm（模具驗證實測的收縮量約 25mm），按保守估算每端增加40mm，將坯料的總寬尺寸定為320mm。

（4）四處R85 的筒形面合在一起，恰好相當于一個 ?170 的筒形件擴孔翻邊，且 0≤d0＜20。從 R85的弧段中點到其圓心做一連線，再從R85 的圓心做直徑為d0的圓，以二者交點為 R45 圓弧邊中點的徑向展開點，再過此交點做d0圓的切線，做一圓弧與兩側的直線展開邊及切線邊均相切，如此先求得初始坯料展開圖，如圖3 所示。

圖3 初始坯料圖

取d0=0，則過渡圓弧半徑R0≈34mm。然后參照內孔翻邊時的應力應變狀態分析并按內側自由端向中心收縮20mm 來驗算危險邊緣的延伸率，得到δ=（l-l0）/l0×100%≈（187-141）/141×100%≈33%（按四分之一邊長計算），小于δmax=40%的材料極限延伸率，滿足邊緣的拉伸條件，故工藝方案可行。如取d0=20 才能滿足邊緣的拉伸條件，則表明R45 凸緣面將因缺料而無法成形，工藝方案失敗。

通過以上的分析計算和之后的模具驗證調整，確定了最終的坯料展開圖，如圖4 所示。

圖4 最終坯料圖

1.3 完整工藝方案的確定[6]

拉深力的估算：P=kLtσb≈1×1712×3×650 ≈3338.4（kN）

壓邊力的估算：Q=Fq≈72218×4.5≈325（kN）

退件力的估算：P1=kP=0.01×3338.4≈33（kN）

機床噸位選擇：P總=P+P1+Q=3338.4+33+325=3696.4（kN）

按 P總≤（0.7～0.8）P壓的條件，最小可選擇 5MN的壓力機，但綜合考慮模具的結構尺寸要求、工件的成形特點和企業的現有設備情況，決定在8MN 液壓機上進行成形。

零件完整工藝流程為： 激光切割下料→模具拉深成形→等離子分割→鉚工調修型面→機加工外輪廓。

2 拉深模具的設計

2.1 模具的結構特點

根據連接板組合體的工序圖，設計了拉深模具，其結構如圖5 所示。為一套凸模在下、凹模在上、帶有曲面壓料板的拉深模。考慮到模具的尺寸較大，采用了四個導柱來為上、下模導向；為獲得相對穩定的壓邊力，下模采用了機床氣墊力壓邊；考慮到工件的外輪廓需要機加工，定位精度要求不高，為簡化模具結構，在壓料板與凸模之間未采用精確的導向，而是留有1mm 的單邊間隙，以保證壓料板的順利升降；上模采用了彈簧力來退件。因工件的材料厚度較大，強度較高，為保證模具的耐磨性，避免或減輕制件的劃痕，凸、 凹模組成及壓料板鑲塊均采用了淬透性好、硬度高、變形小的Cr12MoV 合金模具鋼[7]。

圖5 連接板拉深模

2.2 模具的工作過程

首先設定好氣墊的壓邊力，然后通過托桿14 升起壓料板10，使壓料板鑲塊的最低點高于凸模組成13 的最低點10mm 以上，再將涂好拉深油的坯料放到壓料板鑲塊上11，靠緊三處擋料銷15 來定位。開動機床使上模隨滑塊下行接觸坯料，利用機床的氣墊力通過曲面壓料板和凹模組成9，首先對R9982大圓弧面進行彎曲成形，然后上模繼續下行，凸模組成13 接觸坯料，開始拉深過程，當上、下模完全閉合時工件的成形即告完成。開啟機床使上模隨滑塊上行，當凹模完全脫離凸模后，在退料彈簧7 恢復力的作用下，通過退件板8 將工件從凹模內退下，之后隨著壓料板的再一次升起而脫離凸模，然后由上料方向的同一側取出成形好的工件。如此循環操作來進行批量生產。

2.3 模具的調試過程

（1）模具尺寸的調整。最初的凸、凹模尺寸，是以制件圖外表面尺寸為基準，將間隙開在凸模上的。凸、 凹模型腔的高度尺寸也是按制件圖名義尺寸設計的。在模具驗證過程中，發現制件的實際槽型斷面，寬度縮小0.7mm～0.8mm，高度縮小 0.4mm～0.5mm。于是重新更換凸模并修改凹模，改為以制件圖內表面尺寸為基準，將間隙開在凹模上，同時將凸、凹模型腔的高度尺寸加大0.5mm，從而保證了制件的尺寸。

（2）模具間隙的調整。最初設計的凸、凹模單面間隙，各處均采用了Z=1.1t。在模具驗證過程中，發現R85 筒形面側壁上有輕微擦傷，于是將四處R85圓弧部分的間隙加大到Z=1.15t，擦傷隨即消除。雖然筒形面的斜度略有增大，但因此處不與其他零件配合，產品圖上沒有斜度要求，故可不作處理。

（3）壓邊力的調整。參照理論計算值，通過增大和減小壓邊力的對比試驗，發現當壓邊力過大時，立面和凸緣面的劃痕較為明顯，而當壓邊力過小時，頂面和凸緣面的平度就會變差。最后確定了保證制件成形效果和表面狀態最佳的壓邊力為：Q=300kN。

經以上調整后，所沖壓的制件已基本達到了技術要求，只是與側墻立柱對接的帽型斷面有約1mm的敞口和R49 凸緣面有約1mm 的上翹。通過鉚工簡單調修后，即可得到完全合格的制件。機械加工后的成品零件，如圖6 照片所示。

圖6 成品零件照片

2.4 模具的設計要點

（1）由于零件材質塑性較好，帽型斷面的上、下圓角R8 均可一次拉深到位，無需再進行二次整形。

（2）由于凸模局部斷面小而高度大，必須采用分塊組合的形式，以便于機械加工和熱處理淬火。

（3）由于凸模局部斷面小，其與凸模座之間的定位，不適合柱銷結構，設計上采用了鍵槽結構。

（4）因工件的成形是分步進行的，坯料先進行彎曲然后再進行拉深，故R9982 大圓弧面的回彈量很小，可以忽略不計，相關各曲面圓弧半徑均按制件圖尺寸設計。

（5）為了保證R9982 大圓弧面的成形效果，應保證退件板完全彈開時，其下表面最低點不超出凹模組成的最低點，以防止坯料因局部受力而先產生翹曲。

3 結束語

通過本例的實際生產驗證，表明形狀較為復雜的立體連接板，通過合理的工藝組合和正確的分步成形，完全可以在一套拉深模上，經一次成形而得到理想的制件。這一成功的實例，可以借鑒到具有類似結構的復雜成形件的工藝方案上。

[1]董曉萍.歐洲標準——不銹鋼BS EN 10088-2：2005.上海晨輝公司，2005.

[2]洪慎章，周 琦.不銹鋼儀器盒拉深成形工藝[J].鍛壓裝備與制造技術，2004，39（3）.

[3]張 穎，王義林.汽車覆蓋件成雙沖壓工藝方法的研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2006，41（2）.

[4]肖景容，姜奎華.沖壓工藝學[M].北京：機械工業出版社，2008.

[5]董 智，趙 欣，等.厚板大直徑圓筒拉延成形工藝及模具設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2001，36（1）.

[6]賈玉申.沖壓模具設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[7]張絲雨.最新金屬材料牌號、性能、用途及中外牌號對照速用速查實用手冊.北京：中國科技文化出版社，2005.