鐵路貨車軸箱密封窗骨架沖壓工藝優(yōu)化

白山虎+陳明丹

摘要：以某鐵路貨車軸箱密封窗骨架為研究對象，針對其在沖壓生產(chǎn)時翻邊的圓角區(qū)域容易產(chǎn)生破裂的問題，基于手冊資料進(jìn)行初步分析，采用有限元法著重對展開進(jìn)行數(shù)值模擬，得出合理的展開形狀并制定沖壓工藝方案.

關(guān)鍵詞：鐵路； 貨車； 軸箱密封窗骨架； 補(bǔ)面； 曲面翻孔； 展開； 劃傷； 優(yōu)化

中圖分類號： TG386

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：Taking the axle box sealing window frame of a railway freight car as the research object， as to the problem that the cracks often occur at the fillet area with flanging during the stamping production， the initial analysis is performed on the basis of manual book， the unfolding is numerically simulated by finite element analysis method， and a reasonable expansion shape and a rational stamping process scheme are obtained.

Key words：railway； freight car； axle box sealing window frame； fill surface； curved surface burring； unfolding； scratch； optimization

0 引 言

沖壓工藝優(yōu)化目的是實現(xiàn)快速、高效生產(chǎn)，盡可能地縮短調(diào)模時間，其本質(zhì)是對沖壓成型過程中較活躍的因素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而控制金屬流動的方向，使其在模具調(diào)試之前優(yōu)先掌握最佳的工藝參數(shù).本文以軸箱密封窗為研究對象進(jìn)行工藝優(yōu)化.該件為圓弧曲面翻邊結(jié)構(gòu)，采用奧氏體304不銹鋼材質(zhì)，材料參數(shù)見表1.[1]翻邊高度20 mm，圓角過渡區(qū)域翻邊圓角半徑R=20 mm，見圖1.

1 工藝分析

為保證翻邊高度的一致性及均衡各方向的進(jìn)料阻力，在預(yù)彎工序設(shè)置工藝筋，并制定初步的工藝方案為下料→預(yù)彎→翻邊→翻孔→落料→加工，見圖2，其中翻孔工序為難點工序.

針對翻孔工序，首先查找手冊資料，通過異性翻孔系數(shù)進(jìn)行分析，由于未找

到圓弧曲面翻邊的相似工況，為借鑒現(xiàn)有的翻孔經(jīng)驗值，先簡化為平面翻孔問題.翻孔的變形程度通常以翻孔前孔徑d與翻孔后孔徑D的比值k來表示，也就是所謂的翻孔因數(shù)k=d/D.參照文獻(xiàn)[2]，不銹鋼極限翻孔因數(shù)參考值為kmin=0.61～0.57.由于是在圓弧面上翻孔，一側(cè)翻孔為90°，而另一側(cè)小于90°，這種結(jié)構(gòu)會使翻孔開裂趨勢得到減緩，所以取kmin=d/D=0.57.同時，由于與圓弧相鄰的部分直邊相當(dāng)于折彎，直邊對圓弧區(qū)翻孔具有一定的減載作用，允許比相應(yīng)圓孔翻孔因數(shù)小，一般取（0.85～0.90）k[2]，即k=0.85×kmin=0.48.翻孔高度為20 mm，由d/2+20=D/2，可得D=77 mm，也就是說翻孔圓角至少應(yīng)為38.5 mm.該件圓角R=20 mm，從翻孔因數(shù)來分析，該件的翻孔是不可實現(xiàn)的.

參考翻孔變形程度公式E=L邊-L周長，即從翻邊后邊緣被拉長的變形程度考慮，減小E值，見圖3.優(yōu)化的方向應(yīng)該是盡量縮小翻邊前、后邊緣長度差，減小LR以增大翻孔前的輪廓線長度.為此依次采用R為5，10，15，20，25，30，35 mm作為展開圓角的7種方案，并通過有限元數(shù)值模擬計算最大減薄率α，見表2.

2 展開優(yōu)化

當(dāng)R=25時，材料的流動走向見圖4.因L2邊材料流動是平直的，故優(yōu)化時無論局部增加或減少都會反映在零件上，不宜改動；L1邊材料流動是斜向的，對圓角區(qū)翻孔貢獻(xiàn)很大.根據(jù)應(yīng)變路徑圖可把翻孔后最薄位置追蹤到展開坯料位置，首先考慮降低該位置局部高度，兼顧直壁邊對翻邊的減載作用及降低高度位置，與L1邊采用大圓弧過渡，否則極易降低直壁對圓角區(qū)域補(bǔ)料能力，對翻孔不利.

在有限元分析時，翻孔的邊緣為理想的無缺陷狀態(tài).在實際生產(chǎn)中，其翻邊內(nèi)孔加工方法與翻孔是否能實現(xiàn)有很大關(guān)系，如果翻孔位置為沖裁斷面，其撕裂帶在拉應(yīng)力的作用下很容易產(chǎn)生初始裂紋源，而使翻孔提前開裂.[3]

按圖1的要求加工20×φ2的鉚釘孔及10個4×9長圓孔.經(jīng)分析計算，長圓孔均需翻孔后加工；當(dāng)鉚釘孔翻孔壓邊力為1 t時，圖1中1～4圓圈選中的4組鉚釘孔有輕微變形；當(dāng)鉚釘孔翻孔壓邊力大于2 t時，可消除鉚釘孔變形.因此，可在下料時直接把鉚釘孔切割出來，這樣可避免翻孔后在曲面上立體加工鉚釘孔（立體加工孔不僅難度較大，且精度不易保證）.

3 模具設(shè)計要點

3.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

為降低成本，可將圖2工藝流程圖中的預(yù)彎和翻邊工序用一套模具實現(xiàn)，但應(yīng)注意以下幾點.

1）保證預(yù)彎后實施翻邊.在預(yù)彎未完成的情況下，翻邊凸模不要接觸工件.也就是說，在工藝?yán)钗闯尚吻埃呁鼓Ｅc板料接觸會使工藝?yán)钍В斐砂辶洗畡樱率篃o法正常翻孔.

2）預(yù)彎與翻孔整合到一套模具.因為預(yù)彎后還要有翻孔的動作，本質(zhì)上減少預(yù)彎工序的敦實動作，所以在模具設(shè)計過程中，為保證行程一方面要使用大節(jié)距彈簧，另一方面在翻孔上模未接觸板料之前，要保證彈簧的合力至少在1 t以上.

3.2 工件劃傷控制

不銹鋼材質(zhì)在變形過程中會釋放變形熱，若不及時導(dǎo)出，其與模具鋼接觸會產(chǎn)生黏結(jié)，損傷工件表面，宜采用導(dǎo)熱性能好的材質(zhì)做模具的翻邊鑲塊.

4 結(jié)果分析

在軸箱密封窗骨架的優(yōu)化過程中，通過查找現(xiàn)有資料，用翻孔因數(shù)的經(jīng)驗計算作為判據(jù)，該件的翻孔是不可實現(xiàn)的，而經(jīng)過有限元計算和現(xiàn)場試驗，最后證明是可行的，所以必須認(rèn)同這樣的觀點，即特定的研究對象在資料中找到完全匹配的工況非常困難.從本文的翻孔因數(shù)推理中進(jìn)行各種簡化，勢必對準(zhǔn)確度有很大讓步，從圖6和7中可以看出應(yīng)用有限元法可以做出與實際工況最匹配的分析過程.

5 結(jié)束語

沖壓成型過程本身就是大位移、高度非線性的過程：[4]首先，沖壓件的形狀靠塑性變形獲得，而要獲得塑性變形必然需要超過材料的屈服強(qiáng)度才能獲得，在屈服到拉裂的過程中，應(yīng)力和應(yīng)變是非線性的；其次，沖壓成型過程伴隨邊界條件和位移的非線性.板料成形本身的非線性問題不能用線性思維去解決.控制板料成型參數(shù)的落腳點是控制板料的流動，同時，板料的流動過程必然遵循最小阻力定律，也就是說在變形的過程中，板料總是“尋找”阻力最小的路徑先變形，只有融會貫通才能孕育出合理的模具結(jié)構(gòu).

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉凡， 江楠， 張文建， 等. 國產(chǎn)奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10（S30408）拉伸試驗研究[J]. 壓力容器， 2011， 28（4）： 7-11. DOI： 10.3969/j.issn.1001-4837.2011.04.002.

LIU F， JIANG N， ZHANG W J， et al. Research on the test of homebred austenitic stainless steel 06Cr19Ni10 （S30408）[J]. Pressure Vessel Technology， 2011， 28（4）： 7-11. DOI： 10.3969/j.issn.1001-4837.2011.04.002.

[2] 中國鐵路機(jī)車車輛工業(yè)總公司. 沖壓模具設(shè)計手冊[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 1996： 237-246.

[3] 許可. 影響鋼板沖壓成形極限因素的研究[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新， 2007， 20（4）： 20-22. DOI： 10.3969/j.issn.1002-6673.2007.04.009.

XU K. Research on the infection of factor of steel sheet stamping limits[J]. Development & Innovation of Machinery & Electrical Product， 2007， 20（4）： 20-22. DOI： 10.3969/j.issn.1002-6673.2007.04.009.

[4] 林忠欽. 車身覆蓋件沖壓成型仿真[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2004： 32-33.

（編輯 武曉英）