機車前圍板蒙皮沖壓成形模具設計及數值模擬

王大勇，于雷，滕穎麗，黃永紅( .大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連608; .中國北車集團大連機車車輛有限公司工藝部，遼寧大連608)*

機車前圍板蒙皮沖壓成形模具設計及數值模擬

王大勇1，于雷1，滕穎麗1，黃永紅2
( 1.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連116028; 2.中國北車集團大連機車車輛有限公司工藝部，遼寧大連116028)*

分析機車前圍板蒙皮成形工藝，設計沖壓成形模具，利用DYNAFROM有限元軟件模擬仿真機車前圍板蒙皮沖壓成形過程，證明有限元法具有實用性.利用數值模擬結果，驗證沖壓模具凹型面、凸型面空間復雜曲面尺寸、定位等設計可行性，為實際生產中的模具設計、工藝參數的制定提供參考，減少試模次數，降低生產成本.

沖壓;模具設計;有限元

0 引言

我國軌道機車車輛工業經歷了跨越式的發展，已經從單一的依靠蒸汽機車到自主研制了“東風”系列內燃機車、“韶山”系列電力機車，形成了軌道機車車輛的系列化、型譜化和同種車型的標準化.截至2008年底，全國鐵路機車保有量達到1 8437臺，形成機車型號多樣化，同一型號批量小的特點.當前機車前圍板蒙皮加工方法多為震錘機的加工方式，震錘機是一種半手工的加工方式，對師傅手工技能要求高，人工需求量大.隨著我國軌道機車車輛工業的發展，對機車蒙皮的加工方式更趨于高精度、大型化.因此，基于數值模擬的機車前圍蒙皮板沖壓成形模具設計的研究，對實現機車前圍板的沖壓成形有一定的指導意義.設計機車前圍板蒙皮模具時，以傳統的沖壓成形的模具設計方法為基礎，針對機車領域機車前圍板蒙皮的批量小、曲面復雜程度相對不高、技術經濟性等一系列的特點來設計模具，保證成形質量的同時，突出技術經濟性.

1 工藝分析

圖1 機車前圍板蒙皮零件結構圖

首先對前圍板零件圖進行工藝分析，根據零件圖，分析沖壓件的結構、尺寸大小、使用的材料等，是否符合沖壓工藝性要求，計算成形過程中成形力的大小.機車前圍板蒙皮零件示意圖，如圖1所示.零件結構類似半球形曲面，形狀復雜，從俯視圖中可以看出，工件變形區域為變截面，曲率半徑最小為37 mm，最大為113 mm，模具加工成本高，由于回彈的問題，尺寸精度不易保證，沖壓成形有一定難度.綜合工廠現有設備和技術經濟性等多方原因，最終確定采用無壓邊圈一次沖壓成形單工序模，沖壓工藝流程為:下料－拉深－修整.

2 模具型面設計

2.1凹模型面設計

凹模型面是依據機車前圍板蒙皮的型面特點對局部進行改進完成設計的，如圖2所示，凹模型面由兩個小變形區和一個大變形區組成.根據機車前圍板蒙皮的三維模型特點，模面的設計要易于板料的流動入模，使板料發生一定的塑性變形時，容易控制起皺、拉裂等質量問題.為了使模具間隙趨于均勻，流動速度趨于一致，利于板料定位，防止板料移動，保證沖壓過程順利完成，凹模型面的四個頂角要盡量在一個平面上.根據機車前圍板蒙皮表面形貌特點，沖壓過程中可能出現的回彈等質量問題，對局部進行改進，變形區進行5°的補償.

2.2凸模型面設計

凸模型面是依據凹模型面和零件的型面特點設計的.如圖2所示，機車前圍板蒙皮是類似半球形的曲面，曲面上并無明顯的凸模圓角，在設計過程中考慮更多的是凸模型面位置，如何更好的方便板料入模.圖3為機車前圍板蒙皮凸模型面.

3 模具的結構設計

3.1凹模的結構設計

機車前圍板蒙皮凹模采用整體式［1］，為了使凹模工作時可靠、穩定，采用螺栓－壓板的固定方式.這樣可以保證固定的可靠性，便于更換和拆裝.

機車前圍板蒙皮凹模的三維模型如圖4所示，由于在機車領域形面的更新換代快，批量小，模具的技術經濟性尤為重要，為了減輕重量提升技術經濟性，機車前圍板蒙皮模具的內部結構采用支撐板組焊的方式，根據圖2機車前圍板蒙皮三維視圖和凹型面的位置，支撐板的布置以大變形區域為主支撐區，依次向兩側排列如圖所示.內部結構如圖5所示.

圖4 機車前圍板蒙皮凹模三維模型

圖5 機車前圍板蒙皮凹模三維模型內部結構

3.2凸模的結構設計

機車前圍板蒙皮凸模也采用整體式，為了使凸模工作時可靠、穩定，采用機械式螺栓－壓板的固定方式.

機車前圍板蒙皮凸模內部結構同樣采用布置支撐板的方法，支撐板的布置以板料大變形區域為主支撐區，依次向兩側排列如圖6所示.

圖6 機車前圍板蒙皮凸模內部結構

為了方便支撐板的定位，提升模具強度，支撐板采用拼接的方式，在橫板和豎板分別開凹槽，為了方便觀察，取凸模三塊橫板中的一塊，四塊豎板中的一塊，圖7、8為橫板和豎板的二維視圖，從圖中可以清晰的看出支撐板的拼接方式.

3.3沖壓方向的選擇

沖壓方向就是指凸模的運動方向和板料在凹模中的位置關系，沖壓方向的選擇決定了機車前圍板蒙皮成形是否能夠順利完成.沖壓方向決定了板料能否全部流入凹模，能否使得沖壓件的各部分拉深深的均勻.如果沖壓方向選擇的不合理，會出現坯料移動等不良現象，影響成形質量.沖壓方向應使板料各部分的進料速度均勻，充分發揮板料的塑性性能［2］.

在沖壓開始時，盡量使模具與板料的接觸點比較多，使板料受力均勻.盡量保證接觸位置靠近模具的中心位置，保證模具產生較小的側向力，使沖壓穩定，根據機車前圍板蒙皮的實際特點綜合考慮，選取的沖壓方向如圖9所示.

圖9 機車前圍板蒙皮沖壓成形方向

3.4模具間隙的確定

根據機車前圍板蒙皮沖壓成形零件圖的相關尺寸，以凹模為基準，凸模配作相應的尺寸.一般冷沖壓的凸凹模間隙為1.1～1.2倍板料厚度，對于機車前圍板蒙皮，為了使成形的尺寸形狀更精確和避免表面拉傷，凸凹模的間隙為1.1倍的板料厚度.

3.5模具材料的選擇

組成模具的零件主要有兩類:①工藝零件，直接參與工藝過程并和坯料有直接接觸零件;②結構零件，不直接參與完成工藝過程，也不和坯料有直接接觸，只對模具完成工藝過程起保護作用.在模具材料的選擇上，主要考慮是否滿足耐磨性和強韌性工作要求，是否滿足可加工性、可鍛造性、熱處理性能等要求，最后是技術經濟性.綜合多方面原因工藝零件材料選取45鋼，結構零件選取16Mn.

4 模擬分析

隨著計算機技術的高速發展，有限元方法有了良好的基礎，并在當今各個領域都有重要的作用.有限元數值模擬可以很好的解決非線性接觸的金屬材料塑性成形問題，大大的縮短模具設計和調整的時間以及減少制造成本［3］.

4.1幾何模型的建立

由于有限元軟件前處理建立三維模型的功能有限，不能在DYNAFORM中直接建模和修改，只能在專業的三維CAD軟件Proe中建模，然后將建好的模型導入到CAE軟件DYNAFORM中.

仿真分析時，不將整個模具三維模型導入，只導入模具曲面進行仿真模擬，由于模具內部結構比較復雜，為了減少計算時間，不用將整個模具的三維模型都導入，只需提取曲面就可以準確的完成仿真過程.板料的模型采用三維實體，通過在Proe中實體的拉伸等操作完成.模擬時需要用到的零件有凸模、凹模、板料.裝配模型如圖10所示.

圖10 數值模擬裝配模型

4.2網格劃分

圖11所示，單元類型凸模、凹模為殼體單元，板料為實體單元，劃分模具和板料的最小網格尺寸均為0.5 mm，最大為5 mm，設置沖壓力為1 000 kN.摩擦系數為0.125，板料網格總數為17 639.

圖11 模型的網格劃分

4.3材料屬性的定義

將建好的凸模、凹模、板料三個零件的幾何模型以.igs格式導入到DYNAFROM中，分別定義凸模、凹模、板料，然后定義板料材料屬性.凸凹模為殼體單元，板料為實體單元.本課題的鋼板是09CuPCrNiA，鋼板的屈服強度357 MPa，楊氏模量204 000 MPa，泊松比0.27，與軋制方向成0°角方向的塑性應變比0.28，與軋制方向成45°角方向的塑性應變比1.267，與軋制方向成90°角方向的塑性應變比0.988.

4.4結果分析與驗證

從圖12回彈量偏移云圖中可以看到，板料的最大回彈量出現在大變形區，回彈量最大值為1. 7 mm，小于對外覆蓋件回彈量2 mm的要求［4-7］.根據模擬結果，制作沖壓模具，對機車前圍板蒙皮沖壓成形的試驗檢驗，結果表明試制的機車前圍板蒙皮成形質量良好，表面無明顯缺陷.

圖12 回彈偏移量云圖

5 結論

( 1)借助有限元模擬軟件DYNAFORM對模具凹型面、凸型面進行空間復雜曲面尺寸、定位等設計可行性驗證，模具設計滿足要求;

( 2)數值模擬成形過程中，機車前圍板蒙皮沖壓成形回彈量為1.7 mm，小于2 mm;

( 3)通過實驗驗證，模具設計符合要求.

［1］中國機械工程學會.中國模具設計大典［M］.南昌:江西科學技術出版社，2003: 350-400.

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［4］徐丙坤，施法中.板料沖壓成形回彈的數值模擬［J］.北京航空航天大學學報，2001( 2) : 194-197.

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［7］MAKER BRADLEY N，ZHU XINHAI.Input Parameters for Metal Forming Simulation using LS-DYNA［M］.Livermore: Software Technology Corporation，2000: 1-10.

FEA and Mold Design of Locomotive Front-End Panel Skin in Stamping Process based on Numerical Simulation

WANG Dayong1，YU Lei1，TENG YingLi1，HUANG Yonghong2
( 1.Liaoning Key Material Laboratory for Railway，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 2.Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.CNR Group，Dalian 116022，China)

Stamping process of locomotive front-end panel skin was analyzed，and the stamping process mold was designed.DYNAFORM software is used to simulate and study the stamping process of locomotive frontend panel skin.The study proves that FEA is practical，and the stamping mold complex surface size，location and other design feasibility can be obtained.It is also can be used as a reference to the mold design and setting technical parameter to decrease the time of trying dies and reduce the product cost.

stamping; process; mold design; FEA

A

1673-9590( 2016) 01-0060-04

2015-03-30

王大勇( 1971－)，男，副教授，碩士，主要從事金屬塑性成形技術的研究

E-mail: wangdy@ djtu.edu.cn.