客車邊頂板沖壓工藝及模具設(shè)計

馬冬莉，李寶旺

（中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 引 言

隨著國內(nèi)軌道車輛的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的車輛生產(chǎn)模式難以滿足現(xiàn)代工藝發(fā)展的潮流，為了提高軌道車輛車體質(zhì)量，保證行車安全，車輛生產(chǎn)質(zhì)量受到越來越多的企業(yè)關(guān)注[1]。某客車內(nèi)邊頂板如圖1所示，材料為Q195A、厚度為5 mm，屈服強度為195 MPa，抗拉強度為315～430 MPa，延伸率為33%。成形后要求各表面平整，不允許存在劃痕、皺紋、裂紋、凹坑、塌陷等缺陷。通過對制件的沖壓工藝進行分析，采用DynaForm軟件的BSE模塊計算制件的展開尺寸，設(shè)計了1副邊頂板復(fù)合成形模。

圖1 邊頂板結(jié)構(gòu)

1 成形工藝分析及方案確定

由圖1可以看出，邊頂板的結(jié)構(gòu)特點為：厚度薄、尺寸多、形狀復(fù)雜（存在多處彎曲，其中周邊3個邊的階梯成形與縱向彎曲方向垂直）。制件的成形難點主要在于階梯成形與縱向彎曲成形的交匯點處，若處理不好，交匯點處會產(chǎn)生放射性波紋，影響制件的表面質(zhì)量。

制件成形有3種方案，每種方案均分兩步完成。

方案1：利用1副模具一次壓制成形，其原理是利用雙動液壓機的滑塊動作實現(xiàn)凸模與凹模鑲件的運動，分2次完成制件的成形。此方案必須在雙動液壓機上進行。

方案2：利用2副模具成形制件，第1副模具彎曲制件縱向的2個角度，第2副模具以第1次彎曲的2個彎曲邊為定位基準，進行制件周邊的成形。此方案生產(chǎn)效率低，前后2次成形定位基準不統(tǒng)一，容易導(dǎo)致縱向彎曲方向和周邊的階梯不垂直，并且2副模具增加了制造成本。

方案3：利用1副模具進行復(fù)合成形，此方案原理同第1種方法，只是將雙動液壓機滑塊的2個動作通過改變模具結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

企業(yè)現(xiàn)有大型成形設(shè)備只有1 250 kN單動液壓機，結(jié)合制件數(shù)量和設(shè)備負荷，確定采用第3種成形方案，但是模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度較大。

2 制件展開尺寸計算及驗證

DynaForm軟件的BSE模塊基于全增量理論，假定制件的整個成形過程是按比例加載，僅考慮最初的形狀和變形完成后的最終形態(tài)，而不分析中間的變形狀態(tài)。此方法計算時間短，需要建立的分析模型相對簡單，因此廣泛應(yīng)用于制件的成形分析[2]。按照二維圖紙在CREO中建立邊頂板的三維模型，另存為.igs格式并導(dǎo)入DynaForm，在BSE模塊中抽取中間曲面進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。通過計算得到邊頂板的初始展開尺寸，并導(dǎo)入AutoCAD軟件。利用初始展開尺寸激光下料，采用邊頂板復(fù)合成形模成形。成形后測量發(fā)現(xiàn)制件四周翻邊尺寸偏大，最大的部位偏大約2 mm，通過對展開尺寸不合適的位置進行增減及擬合，得到邊頂板最終的展開尺寸如圖3所示。

圖2 邊頂板網(wǎng)格

圖3 修正后邊頂板展開尺寸

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

3.1 模具結(jié)構(gòu)

圖4所示為邊頂板復(fù)合成形模結(jié)構(gòu)。為縮短模具制造周期，降低生產(chǎn)成本，該模具除上模座、凸模、上模鑲件、凹模鑲件、托料板和下模座外，其余均采用標準件。同時為便于模具后期維修，模具工作部位采用鑲拼結(jié)構(gòu)設(shè)計，即3個邊的階梯成形和縱向彎曲是在相互獨立的凸凹模中完成。成形時，為使落料件定位準確，模具設(shè)計了可調(diào)的定位裝置，且周圈定位。

圖4 模具結(jié)構(gòu)

3.2 工作原理

模具工作過程如下：液壓機上滑塊帶動上模座上行，使上模和下模分離，同時液壓機液壓墊通過頂桿將托料板頂起，使托料板上平面與凹模鑲件在同一個平面上，以便放置坯料。將激光切割好的坯料放在托料板和凹模組成的平面上，采用定位板定位。液壓機上滑塊帶動上模下行，在導(dǎo)向組件6的作用下，凸模首先與板料接觸，進而與托料板夾緊板料并帶其下行。下行過程中由于彈簧的初始預(yù)壓力大于液壓機液壓墊的液壓力，此時彈簧不變形，首先進行縱向彎曲成形。當托料板到達最低位與限位塊接觸時，縱向彎曲成形完成。上模座在液壓機滑塊的帶動下繼續(xù)下行，在下模座的作用下托料板凸模施加一個反向力，使其具有相對上模座向上運動的趨勢，凸模克服彈簧的初始預(yù)壓力壓縮彈簧，在上模鑲件與凹模鑲件共同作用下完成周邊的階梯成形；成形結(jié)束后，滑塊帶動上模上行，然后從模具中取出成形的制件。

3.3 模具設(shè)計要點

3.3.1 模具零件材料的選擇

模具零件材料的選擇對模具使用壽命具有決定性作用，由于成形制件尺寸較大，模具工作部位的尺寸也較大，結(jié)合產(chǎn)量要求，為降低制造成本，模具工作部位采用鑲拼結(jié)構(gòu)設(shè)計，尺寸較大的模具零件材料為鑄Mo-Cr，如凸模，尺寸較小的模具零件材料為T10A，如上模鑲件。

3.3.2 模具工作部位設(shè)計

模具工作部位設(shè)計是復(fù)合成形模設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，影響制件的成形形狀、尺寸、精度、成形力和回彈等，其設(shè)計是否合理對解決成形過程中缺陷起著決定性作用[3,4]。

（1）凸模采用整體式結(jié)構(gòu)，通過彈簧和卸料螺釘與上模座連接，并能與上模座相對運動。為防止凸模上、下運動時方向發(fā)生偏移，根據(jù)凸模形狀在其周邊安裝自潤滑耐磨板進行導(dǎo)向。

（2）為節(jié)省材料，上模鑲件和凹模鑲件分別采用分體式結(jié)構(gòu)，通過螺釘分別與上、下模座固定，凹模鑲件按照制件外形設(shè)計成階梯形狀。

（3）托料板采用整體式結(jié)構(gòu)，通過卸料螺釘與下模座連接，通過頂桿作用能與下模座相對運動。為防止托料板上、下運動時方向發(fā)生偏移，在四周安裝6塊自潤滑耐磨板進行導(dǎo)向。

3.3.3 模具零件間隙和通氣孔

模具工作零件的間隙是成形過程最重要的參數(shù)，其大小對成形力、回彈和制件成形質(zhì)量有重要影響。間隙過小時，所需的成形力大，模具零件損壞加劇，且容易擦傷制件表面或使制件變薄；間隙過大時，成形后制件回彈大，降低制件尺寸與形狀精度。因此設(shè)計模具時需要選擇合理的間隙[3]。

由于制件成形時緊貼凸模，而外形最大處由凹模成形，根據(jù)制件的公差要求，以凹模為尺寸基準，對凸模進行適當調(diào)整，其單邊間隙取1.1t（t為料厚）。

通氣孔的作用是便于脫模，且防止制件底面不平。對于非圓形件，可以設(shè)置2個及以上的通氣孔，應(yīng)將通氣孔設(shè)置在易清理的位置，避免被潤滑劑和贓物賭塞[4]。

3.3.4 導(dǎo)向裝置設(shè)計

傳統(tǒng)模具中，凸模與上模座、托料板和下模座之間沒有導(dǎo)向裝置。對于非對稱件，容易在成形時發(fā)生偏移，導(dǎo)致制件棱線滑移，出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象。

邊頂板為非對稱制件，成形時凸模與托料板受側(cè)向力，為確保成形過程中模具零件位置準確、制件不發(fā)生偏移，在凸模四周安裝8塊自潤滑耐磨導(dǎo)板與上模座導(dǎo)向，托料板四周安裝6塊自潤滑耐磨導(dǎo)板與下模座導(dǎo)向。成形過程中上、下模座為凸模和托料板提供有效的支撐，確保制件無偏移。自潤滑耐磨導(dǎo)板具有定位準確、導(dǎo)向精度高的特點。

3.3.5 彈簧的選擇

為實現(xiàn)制件先成形縱向彎曲，再成形周邊階梯，凸模與上模座間的彈簧需要克服縱向彎曲的成形力和托料板對制件施加的壓力，因此彈簧必須保證有足夠的壓料力完成縱向彎曲。

制件彎曲力：Pz=0.7KBt2σb/(r+t)=0.7×1.3×1 675×1.52×350/(10+1.5)=104 378 N

式中，Pz——材料在沖壓行程結(jié)束時的自由彎曲力，N；B——彎曲件的寬度，mm；t——彎曲件的料厚，mm；σb——材料的抗拉強度，取350 MPa；r——內(nèi)彎曲半徑，mm；K——安全系數(shù)，一般K取1.3[4]。

壓料力：Q=0.3Pz=0.3×104 378=31 313.4 N

彈簧需要克服的成形力和壓料力總和：P=Pz+Q=104 378+31 313.4=135 691.4 N

彈簧選用型號為TB60×80的扁線螺旋彈簧，彈性系數(shù)為882 N/mm，最大壓縮量為16 mm，數(shù)量為33個，預(yù)壓5 mm。制件深度最深為9 mm，16-5=11 mm＞9 mm。彈簧總彈力：F彈=33×5×882=145 530 N＞135 691.4 N，彈簧滿足使用要求。

3.4 現(xiàn)場驗證

在復(fù)合成形模上成形制件，并對成形制件的尺寸進行測量，發(fā)現(xiàn)其尺寸滿足工藝要求，成形后制件表面平整，沒有劃痕、皺紋和裂紋，四角處沒有凹坑、塌陷等缺陷，滿足外觀質(zhì)量要求，成形效果良好。

4 結(jié)束語

利用DynaForm軟件對邊頂板進行展開尺寸計算，通過修正得到最終合格的展開尺寸。經(jīng)生產(chǎn)實踐驗證，模具結(jié)構(gòu)合理、動作可靠、制件成形質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，具有良好的經(jīng)濟效益，其結(jié)構(gòu)可為同類制件的成形提供借鑒。