中梁型鋼折彎工藝及模具設計

鮑 雷

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

1 引言

利用折彎機對板材折彎能夠獲得各種圓角及角度成形件，板材折彎件在鐵路貨車生產中應用較廣。我公司生產的某型鐵路貨車其中梁為Q450NQR1材質的類似U形狀型鋼，零件總長度為10，370mm。中梁作為鐵路貨車主要承重部分，是鐵路貨車的關鍵件，在鐵路貨車制造生產過程中，中梁一般為外購的型鋼，但是外購的中梁型鋼普遍存在扭曲、寬度尺寸超差等問題，影響整車組裝及制件的制造質量。通過立足于我車間既有設備參數及制造能力進行分析，該制件可以采用板材折彎的生產方式代替外購型鋼，實現公司制件制造質量的提升。

2 對制件圖的分析

中梁截面圖如圖1所示，經過綜合考慮，中梁使用板材折彎成形主要有以下兩種工藝方法：方法一：切割下料、折彎成形，其生產工序為：卷料開卷→板材校平→板材切割分條→條類板材取直→折彎成形；方法二：剪切下料、折彎成形，其生產工序為：卷料橫縱剪切開卷分條→條類板材取直→折彎成形。通過上述兩種工藝方法對比，方法一在生產過程中采用切割下料，生產效率較低，并且存在熱輸入，不利于切割后的直線度控制，該方法不適宜批量生產應用。因此采取方法二的制造工藝。

圖1 中梁零件截面圖

3 對制件的工藝能力計算

由于中梁寬度為200mm，高度為280mm，按照折彎件制造經驗即可得知，普通的直柄折彎上模折彎時板材與上模會產生嚴重的干涉，影響成形，因此需要制造專用的折彎模，由于中梁外形長度尺寸較長、尺寸精度高，因此折彎模設計及制造質量決定了中梁使用板材折彎的制件質量。

3.1 折彎力計算

由圖1可知，中梁共兩道彎，生產時兩道彎分別進行折彎，計算其成形力過程如下：

自由彎曲的彎曲力計算公式：

式中P——自由彎曲力，N

K——安全系數，一般取K=1.3

B——彎曲件寬度，取B=10，370mm

δ——材料厚度，取δ=7mm

σb——材料的抗拉強度，取450N/mm2

V——彎曲下模開口寬度，通常為材料厚度的6～8倍，取V=50mm

將各數值代入彎曲力計算公式，計算得P=5，945，121N。

3.2 折彎設備能力校核

折彎機的額定壓力應大于制件成形的最大壓力的1.3倍，我車間現有2，500t折彎機，最大壓力為25，000kN，有效折彎長度14，200mm，因此能夠完全滿足該制件的成形要求。

4 彎曲模結構設計

根據之前的分析計算，中梁折彎時下模開口寬度為50mm，我車間2，500t折彎機機床自身配備可編程自動調整的下模，總長14，200mm，開口尺寸在50～370mm，并且每隔20mm可調，因此下模不需要設計采購，僅需要設計采購折彎上模。

對彎曲上模結構特點進行分析、設計。

（1）直柄的折彎上模在折彎過程中與工件會產生干涉，因此需要設計鵝頸式上模。

（2）由于制件較長，因此上模要分段制造，便于生產過程中模具的安裝及拆卸。

（3）為了降低生產成本，將折彎上模設計為鵝頸轉換接頭與折彎上模組合式的結構。鵝頸轉換接頭采用45鋼制造，不需要進行淬火，表面加工光潔度也可以適當降低標準，折彎上模采用模具鋼制造，此種設計結構能夠有效降低模具制造成本。鵝頸轉換接頭與機床配合部位設計尺寸與機床原裝上模鑲塊一致，轉換接頭底部開口部位連接機床原有折彎模，實現加工時選用上模的靈活性。不需要使用鵝頸模具加工時，可以將機床原有折彎模直接與機床連接后正常生產；需要使用鵝頸模具加工時，將鵝頸轉換接頭與機床相連接，再將折彎模與鵝頸轉換接頭連接即可進行生產。

（4）折彎上模設計時進行模擬分析成形過程，避免折彎過程中產生干涉。將公司現有類似制件考慮周全，實現制件種類最大化覆蓋，能夠實現所有類似制件的折彎加工，盡最大可能減少以后此類模具的訂購。模具結構及模擬分析成形過程如圖2所示。

圖2 模具結構

5 彎曲模強度校核

針對上模為鵝頸轉換接頭與折彎上模組合式結構進行分析：折彎上模為直柄式，完全能夠承受折彎過程中的壓力載荷，不需要進行強度校核；鵝頸轉換接頭采用45鋼材質、分段拼接方法制造，在折彎時鵝頸部位承受較大的壓力載荷，為了提高折彎模設計的準確性及合理性，需要使用仿真軟件對其進行強度校核。

使用仿真軟件分析，當設計鵝頸轉換接頭每段長度為300mm時，施壓外力50t時，鵝頸部位要承受屈服強度達到448MPa，大于45鋼最小屈服強度355MPa，鵝頸部位會出現斷裂的風險。通過多次模擬仿真得出結論：鵝頸轉換接頭中部受壓力載荷屈服強度與施加壓力成線性正比關系。最終匯總仿真分析結果，綜合考慮模具制造、運輸、生產使用等因素，確定鵝頸轉換接頭每段長度600mm，能夠承受最大外力約90t（圖3所示為仿真分析施加外力100t時，鵝頸部位要承受屈服強度達到383MPa，略微大于45鋼最小屈服強度355MPa）。在我單位2，500t折彎機上生產，14，200mm長的范圍內，整體能夠達到承受約2，100t的壓力，滿足了目前各類長大板件的彎曲需要。

圖3 鵝頸轉換接頭強度校核

6 模具試驗與批量生產驗證

6.1 模具試驗

模具制造完成后，使用2，500t折彎機進行折彎試驗驗證。根據中梁制件圖，經過理論計算和分析，最終確定展開尺寸、折彎對擋線、撓度補償等關鍵工藝參數，折彎時兩道彎分別靠擋進行折彎，使制件兩側同高，兩側邊成形至直角，如圖4所示。對試驗過程及試驗件檢測梳理總結如下：

圖4 中梁折彎

（1）使用R規測量工件彎曲圓角為R8mm，符合圖紙，寬度尺寸200mm合格，在料長度方向中間部位，高度尺寸280mm兩側不同高，一側為281mm，另一側為279mm，在公差范圍內。

（2）工件表面在上模拼接部位，無明顯的壓痕、錯牙。

（3）目視外觀并使用拉線測量，工件整體無明顯扭曲現象。

（4）上模不便于吊裝，安裝時存在一定的困難。

通過分析進行如下改進：

（1）折彎前對工件進行調直，保證其直線度，折彎時調整好撓度補償參數，使280mm尺寸在料長度方向中間部位，兩側實測高度值相差在1mm范圍內。

（2）設計制造專用的上模吊具，提升上模安裝的效率，降低操作者的勞動強度。

6.2 批量生產應用情況

根據試驗件生產情況進行總結，借鑒試驗總結的展開尺寸、折彎對擋線、撓度補償等關鍵工藝參數進行批量生產，完成了公司出口澳大利亞134輛某型煤炭漏斗車中梁型鋼的生產，外觀成形尺寸穩定，一致性好，制件質量優于外購型鋼。外采中梁型鋼與板材折彎工藝方法生產的制件實物對比如圖5所示。

圖5 中梁實物

綜合批量生產過程，為便于模具后續的正確保養和使用，對操作者進行以下方面的培訓：

（1）由于上模為鵝頸拼接式結構，因此在安裝時要按照模具上刻打的拼接標記序號1、2、3…進行順序安裝，避免拼接處可能出現的錯牙問題。

（2）生產的制件變更時，由技術人員進行折彎力計算確認，確保鵝頸部位載荷強度不超過設計標準后方可使用。

7 結論

（1）通過公司出口的134輛某型煤炭漏斗車中梁型鋼的生產，驗證了中梁型鋼使用板材折彎批量生產，質量優于外購型鋼，提高了出口車的制造質量；同時也縮短了零部件生產配套周期，便于提高公司制件制造生產計劃排布的靈活性。

（2）通過與外購型鋼相比較，中梁型鋼使用板材折彎能夠有效降低成本，該研究可以推廣應用在鐵路貨車上側梁、下側梁等型鋼的板材折彎生產，代替外購型鋼，助力企業經營提質增效目標的實現。

（3）在模具設計過程中，對鵝頸拼接式彎曲成形模具進行模擬仿真強度校核，代替以往按照理論公式進行強度的計算，此方法在今后的相關模具設計中可以借鑒，以提高模具設計的準確性及成功率。