黃連吉

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161002）

1 引言

鐵路貨車單元制動(dòng)缸缸體（有10"、9.25"和8"3種）是鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)的重要零部件，生產(chǎn)批量大，質(zhì)量要求高，其制造工藝的可靠性直接影響到整車的制動(dòng)效果和行車安全。單元制動(dòng)缸缸體是材質(zhì)為08Al（10"和9.25"板厚為7mm，8"板厚為6.5mm）的典型的帶法蘭的直壁圓筒形拉伸零件，8"單元制動(dòng)缸缸體如圖1所示。沖壓工序?yàn)椋翰昧稀Ｆ健懈钕铝稀斐尚巍懈睿渲欣斐尚喂ば蚴潜ＷC制件質(zhì)量的關(guān)鍵工序。

圖1 8"單元制動(dòng)缸缸體示意圖

在前期10"和9.25"制動(dòng)缸缸體試制和批量生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了起皺、拉裂、法蘭部分平面度不良、縮頸和表面劃傷等問題等質(zhì)量缺陷，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次試模和修模才達(dá)到制件質(zhì)量要求。拉伸方法的選擇、毛坯料的尺寸、拉伸系數(shù)分配、設(shè)備狀態(tài)、壓邊力大小、模具結(jié)構(gòu)以及凸凹模鑲塊尺寸、間隙、結(jié)構(gòu)都直接影響制件的成形質(zhì)量。

2 拉伸成形工藝分析及相關(guān)分析計(jì)算

2.1 計(jì)算毛坯料直徑

毛坯在拉伸前后其面積并不相等，相反，由于它受到材料力學(xué)性能、模具鑲塊幾何形狀、潤滑狀況、拉伸件的尺寸及幾何形狀、拉伸系數(shù)等多種因素的影響，拉伸后毛坯面積一般要增加5%～9%，而首次多拉入凹模的成形部分的材料約為5%，所以，實(shí)際毛坯尺寸宜適當(dāng)減小。根據(jù)10"和9.25"制動(dòng)缸現(xiàn)場試驗(yàn)情況，實(shí)際毛坯尺寸D與制件圖的展開理論尺寸相等或略小時(shí)，效果較好。根據(jù)體積不變原則，利用繪圖法求得D≈440mm，即取D=4400-4mm。

2.2 判斷是否采用壓邊圈和拉伸次數(shù)

（1）確定是否使用壓邊圈。

是否需要壓邊圈通常用表1所列條件確定。

表1 采用或不采用壓邊圈條件[1]

首次拉伸（t/D）×100=（6.5/440）×100=1.48＜1.5，所以需要壓邊圈。

（2）拉伸次數(shù)確定。

根據(jù)前期現(xiàn)場試驗(yàn)情況，這種制件在首次拉伸時(shí)，凹模應(yīng)該采用圓角相對(duì)較大，這樣才會(huì)有利于材料的流入，而且制件的毛坯相對(duì)厚度較大，應(yīng)采用拉伸高度基本不變，減小拉伸圓角和半徑的方法。

假設(shè)該制件可兩次拉伸成形，建立的首次拉伸成形制件模型如圖2所示。該模型的建立遵循以下幾個(gè)原則：

圖2 首次拉伸成形制件模型

a.首次拉入凹模材料應(yīng)多5%～6%。

b.底部圓角為R15mm（R8.5mm+R6.5mm，若3次拉伸成形，則應(yīng)為R21.5mm），底部直徑與制件圖底部直徑相等，為?201mm，這樣有利于2次拉伸成形和定位。

c.為有利于第二次拉伸成形，最大限度地調(diào)整H值和減小d值，并保證第二次拉伸的成形部分面積大于第一次拉伸成形部分面積。

利用JSTAMP軟件仿真分析，根據(jù)取得較好效果的分析結(jié)果確定了H、d和R值。JSTAMP軟件是以通用求解器LS-DYNA為核心的高精度鈑金沖壓成形有限元分析軟件。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，選擇2次拉伸時(shí)不需要壓邊進(jìn)行分析。

從仿真分析結(jié)果（見圖3和圖4）來看：該制件通過2次拉伸就可以達(dá)到制件要求。當(dāng)H=149.5mm，d=214mm，R=25mm時(shí)，1次拉伸的最大減薄率為17.3%，2次拉伸的最大減薄率為18.2%，均沒有出現(xiàn)拉裂和起皺現(xiàn)象，取得最佳效果。

圖3 第一次拉伸仿真分析結(jié)果a——板厚分布圖 b——起皺分布圖

圖4 第二次拉伸仿真分析結(jié)果a——板厚分布圖 b——起皺分布圖

此時(shí)的首次拉伸系數(shù)m1=214/440=0.486＜0.500（10鋼有凸緣圓筒件第一次拉伸時(shí)的最小拉伸系數(shù)），考慮到08Al的延展性由于10鋼的延展性，且進(jìn)行的是錐形拉伸，所以認(rèn)為分析結(jié)果可信。

3 設(shè)備選擇

3.1 壓邊力

式中F——壓邊面積，81367.2mm2

q——單位壓邊力，3MPa

經(jīng)計(jì)算Q=244.1kN。

3.2 拉伸力

式中K——系數(shù)，K1=1，K2=0.5

d——拉伸直徑，d1=214mm，d2=205.5mm

t——材料厚度，t=6.5mm

σb——抗拉強(qiáng)度，σb=350MPa

經(jīng)計(jì)算，P1=1,529.5kN，P2=734.3kN

根據(jù)JSTAMP軟件分析結(jié)果：首次拉伸力為2，463.8kN。

3.3 設(shè)備選擇

最大工藝力為應(yīng)為壓邊力和拉伸力之和，即：Pmax=P+Q=2,707.9kN。根據(jù)車間現(xiàn)有設(shè)備，選用3,500kN油壓機(jī)。

4 拉伸模設(shè)計(jì)

4.1 第一次拉伸模設(shè)計(jì)

圖5所示為缸體第一次拉伸模的結(jié)構(gòu)簡圖，該模具根據(jù)3,500kN為雙動(dòng)壓力機(jī)的特點(diǎn)，將模具設(shè)計(jì)成設(shè)備壓邊結(jié)構(gòu)，卸料方式也利用設(shè)備的頂出裝置。該制件成形是根據(jù)凸模成形，為降低制造成本和簡化鑲塊結(jié)構(gòu)，凹模未采用整體隨形結(jié)構(gòu)，采用部分隨形結(jié)構(gòu)。為減小制件表面拉傷，凸凹模間隙為7.15mm，并將凹模固定壓板的螺紋沉孔設(shè)計(jì)在制件的外側(cè)。為減少空隙對(duì)制件成形因空間的逐步減小而產(chǎn)生的摩擦力和局部壓力和制件產(chǎn)生縮頸的趨勢，在拉伸凸凹模上開設(shè)空氣通道孔[3]。為提高硬度和耐磨性，提高制件的表面質(zhì)量，凸凹模的材質(zhì)為Cr12MnVo模具鋼，并進(jìn)行滲氮處理。

圖5 缸體第一次拉伸模的結(jié)構(gòu)簡圖1.壓邊裝置 2.上模體 3.下模體 4.凹模 5.壓邊圈6.凸模固定座 7.凸模 8.頂出裝置

4.2 第二次拉伸模設(shè)計(jì)

圖6所示為缸體第二次拉伸模的結(jié)構(gòu)簡圖。該模具沒有壓邊，卸料利用設(shè)備頂出裝置。凸凹模材質(zhì)，間隙和通氣孔的設(shè)置和第一次拉伸相同。為了便于操作方便和簡化模具結(jié)構(gòu)，將模具凹模置于模具上方，凸模置于模具下方。為控制制件凸緣表面的平面度，將凸凹模及磨耗板設(shè)計(jì)為反變形結(jié)構(gòu)。

5 工程驗(yàn)證

模具制造完成后，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，第一次拉伸和第二次拉伸均未出現(xiàn)拉裂、拉傷等質(zhì)量缺陷，但在第一次拉伸卸料困難，且拉伸后制件外表面有一道印痕,如圖7所示。經(jīng)分析是由于在拉伸過程中，制件與鑲塊工作面中間的相對(duì)滑動(dòng)和板料的變形，分子運(yùn)動(dòng)加劇，產(chǎn)生大量和摩擦熱和變形熱，使溫度升高[4]，制件變形，拉伸制件在過凹模底部的時(shí)候，與其接觸位置的直徑略大于凹模直徑，導(dǎo)致卸料困難，卸料后再外表面留下一道印痕。針對(duì)該問題解決辦法是定制整體凹模隨形鑲塊，并在試制期間,在制件與凹模之間墊塑料，如圖8所示，減小拉伸過程中制件與鑲塊工作面之間的摩擦力和吸收部分拉延熱，同時(shí)增大壓邊力，防止因壓邊力影響，造成材料失穩(wěn)，出現(xiàn)起皺的質(zhì)量缺陷。

圖7 有印痕的拉伸件

圖8 墊塑料進(jìn)行第一次拉伸

在批量生產(chǎn)初期，第二次拉伸后的制件外表面出現(xiàn)了拉傷問題，如圖9所示，而且越來越嚴(yán)重。經(jīng)觀察，發(fā)現(xiàn)模具凹模圓角表面變得粗糙。采取了打磨拋光凹模圓角的措施，使用打磨拋光后的凹模鑲塊拉伸幾個(gè)制件后，拉傷問題再次出現(xiàn)。經(jīng)分析，應(yīng)該是制件拉伸過程中，產(chǎn)生的摩擦熱和變形熱達(dá)到某一極限時(shí)，在較大壓邊力作用下，拉伸件上的微量材料粘連在凹模圓角處，使凹模圓角表面變得粗糙，造成拉伸件拉傷，從而使更多的金屬顆粒粘于凹模，使拉伸件的拉傷更加嚴(yán)重。找到原因后，仍采用在拉伸件與凹模之間墊塑料（見圖10）來減小拉伸過程中制件與鑲塊工作面之間的摩擦力和吸收部分拉延熱的方式解決這個(gè)問題。

圖9 拉伸后制件外表面拉傷

圖10 墊塑料進(jìn)行第二次拉伸

通過以上方法，很好地解決了第二次拉伸出現(xiàn)的拉傷問題，同時(shí)，對(duì)批量生產(chǎn)過程中拉伸成形后的制件進(jìn)行了抽檢切割取樣（見圖11）并對(duì)拉伸變薄最大的底部圓角部分厚度進(jìn)行了測量，其厚度之均大于5.8mm，完全滿足了制件圖紙要求，取得了理想的效果，拉伸成形及切割后的制件實(shí)物如圖12所示。

圖11 拉伸成形后制件切割試樣

圖12 拉伸成形及切割后的制件實(shí)物圖

6 結(jié)論

目前，拉伸后的制件表面再無拉傷問題，制件已經(jīng)商品化。兩副拉伸模一次調(diào)試成功，現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)產(chǎn)8個(gè)月，取得了良好的技術(shù)效果，達(dá)到了預(yù)期的理想目標(biāo)。同時(shí)，該件是典型的拉伸件，具有一定的代表性，本文所研究的拉伸成形工藝方案可在此類制件的工藝方案制定中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。