敞車底架端梁成形工藝分析及彎曲模設計

王興輝

（中車石家莊車輛有限公司 工藝技術部， 河北 石家莊 051432）

0 引 言

目前70 t級敞車是國內運輸煤炭的主要自備車型，端梁是其底架組成的重要零件，每車配有2種端梁。2種端梁外形尺寸相同，不同之處是端梁I比端梁II多1個φ17 mm的孔，端梁結構如圖1所示，材料為Q450NQR1高強度耐候鋼，該鋼的抗拉強度Rm≥550 MPa[1]，中間點畫線處允許拼接。

圖1 端梁Ⅰ結構

1 工藝分析

1.1 零件展開圖確定

根據圖1的端梁圖樣，利用中性層展開法[2]確定其展開圖，如圖2所示。

圖2 端梁Ⅰ展開圖

1.2 工藝方案確定

由圖1可知，端梁料厚6 mm，總長2 860 mm，最寬處405 mm，上面有6×φ21.5 mm（鉆孔時鉆φ20 mm，組裝時擴孔為φ21.5 mm）、5×φ17 mm（端梁II有4個）、1×φ76 mm的孔，左右兩邊的彎曲部分對稱，上下兩邊的彎曲部分不對稱，上邊是高度（5±1）mm、寬度35 mm乙字彎，下邊的中部有一個240 mm×320 mm的缺口，缺口兩側為高度70 mm的直角邊，且直角邊的彎曲線為乙字形，乙字形兩端分別為60 mm和140 mm的水平直邊，兩水平直邊之間為斜邊，屬于大型不規則復雜彎曲成形件。成形該零件考慮以下3種工藝方案[2-4]。

方案1：將端梁從中間雙點劃線處斷開，分為左、中、右3段，分別制作，然后將3段組裝焊接，再將焊縫打磨平整。

方案2：數控切割外形及φ76 mm內孔→搖臂鉆鉆孔→液壓機彎曲乙字彎→彎曲機彎曲高度為70 mm直角邊2次→中間140 mm水平直邊部分熱成形2次→兩端60 mm水平直邊部分熱成形2次。

方案3：數控切割外形及φ76 mm內孔→搖臂鉆鉆孔（6×φ20 mm、5×φ17 mm（端梁II 4×φ17 mm））→液壓機1次彎曲成形。

從3種成形工藝方案的總工步數、材料利用率、零件成形質量、生產效率等方面進行對比分析，結果如表1所示。

表1 端梁成形工藝方案對比

從表1可以看出：方案1的優點是材料利用率較高、工裝費用較低、投產周期較短，缺點是總工步、總工位、總工時、工裝數量、周轉次數多，勞動強度和占地面積大，零件成形質量一般，效率低；方案2的優點是工裝費用較低、投產周期較短，缺點是總工步、總工位、總工時、工裝數量、周轉次數較多，勞動強度和占地面積較大，材料利用率、零件成形質量一般，效率較低；方案3的優點是總工步、總工位、總工時、工裝數量、周轉次數少，勞動強度和占地面積較小，零件成形質量和效率高，缺點是材料利用率一般，工裝費用較高，投產周期較長。

綜合考慮3種方案的優缺點，在初期試制和小批量生產時采用方案2，在后期大批量生產時采用方案3，并設計制造了1副端梁1次彎曲成形模。

2 模具設計

2.1 模具結構及工作過程

端梁1次彎曲成形模的結構如圖3所示[5-8]，將上、下模座設計為外形靈活且剛性好的鑄造結構，將上、下模成形部位設計為鑲件結構，鑲件材料選用Cr12MoV模具鋼，熱處理硬度為58~62 HRC[9-10]，可以保證鑲件的強度和耐磨性，延長模具的使用壽命。根據鑲件結構的設計原則[2]，將上、下模分成48塊鑲件，其中通用直鑲件12、13各20件，下模鑲件14、15和上模鑲件18、19各2件。為了保證在進行直角邊彎曲之前耐磨板3已經導入耐磨板11一定的深度，將下模座設計為有耐磨板一側比直角邊側在水平方向高出30 mm。

圖3 端梁彎曲成形模

模具工作時，首先將數控切割及鉆孔后的板料放在下模的支承板5上，并靠緊定位塊9和定位板16，然后上模下行，耐磨板3導入耐磨板11上，上模繼續下行，上模直角邊鑲件與板料接觸，并與支承板5一起將零件夾緊，此時耐磨板3已導入耐磨板11中15 mm深并與其豎壁緊貼，可以阻止上模座1和下模座8在受到彎曲產生的側向力后發生水平移動，保證在板料彎曲時，上模座1和下模座8運行的穩定性和準確性。上模繼續下行，完成直角邊彎曲預成形，再下行完成乙字彎成形及直角邊校正，然后上模上行，在彈簧的作用下支承板及彎曲成形后的端梁被頂起，將端梁從模具上取出，完成了1件端梁的彎曲成形。

2.2 主要零件設計

2.2.1 通用直鑲件設計

由于通用直鑲件12鑲在U形槽中，為了安裝方便，在底部倒角C3 mm；為了后續維修拆卸方便，在鑲件兩端增設2個M12 mm螺紋孔，螺紋孔的作用是當鑲件上的3個螺釘拆卸后，鑲件不易從U形槽中取出時，可以將2個M12 mm螺釘擰入螺紋孔，擰到底部繼續向下擰，即可將鑲件從U形槽中頂出，將磨損的鑲件拆下，如圖4所示。

圖4 通用直鑲件

2.2.2 抗側向力及導向結構設計

（1）上、下模組件的抗側向力及導向結構設計。由于端梁在彎曲時，先是單側的直角邊彎曲，另一側并沒有對應的直角邊彎曲，此時上模組件會受到單側彎曲產生的側向力，側向力與模具沖壓方向垂直[11]，在側向力的作用下，根據力的相互作用原理，上、下模組件會產生相反方向的位移，導致直角邊彎曲間隙增大，不能保證彎曲質量。上模繼續下行彎曲乙字彎時，會導致乙字彎上、下模間隙變小，無法完成乙字彎成形；除此之外，由于在彎曲過程結束時，側向力達到的最大值約為彎曲力7倍（N側向力max=6.67F彎曲力）[11]，上模受到巨大側向力后位移過大，超出上模壓板范圍，上模還有掉落的風險，對安全生產造成不利影響。為了解決上述問題，須平衡側向力，將上模受到的側向力轉移到下模，使側向力轉變為整個系統的內力。設計模具時，在與直角邊相對應的另一邊上、下模座上分別增加平衡側向力的耐磨板3、11各2件[12]，耐磨板3為矩形結構，設有導向臺，導向臺長滑動面設有半徑為R2.5 mm且相互交叉的油槽，下部設有R8 mm的圓弧，兩側及上部設有C2 mm倒角；耐磨板11設有與導向臺滑動配合的U形導向槽，U形導向槽的3個側面均為導向面，導向面的上部三邊均設有R8 mm的圓弧，相鄰的2個導向面均垂直設置且在垂直交叉處設有φ5 mm的避讓孔，在較長導向面設有半徑為R2.5 mm且相互交叉的油槽。二者結構簡單、加工方便導向精度高，其二維結構和實物如圖5所示。上、下耐磨板之間為滑動配合，分別通過螺釘固定在上、下模座上，拆裝方便，易于后期調整；為了保證耐磨板的耐磨性和防沖擊能力，二者均采用T8工具鋼制作，且在其導向面均布石墨點，不僅避免了二者之間的粘結磨損，而且提高了導向面的耐磨性[8]；除了平衡側向力，耐磨板3、11還具有導向和定位作用，保證上、下模之間間隙和左右兩側的安裝對稱性。

圖5 耐磨板二維結構及實物

（2）前定位裝置抗側向力設計。由于單側的直角邊彎曲時，零件會產生向相對一側（乙字彎側）的側向力，導致其定位裝置被擠壓，將定位裝置設計為定位塊，且背靠下模座，讓下模座的側面承受直角邊彎曲時零件對定位裝置產生的側向力[12]。端梁成形過程中，定位塊每次都受到滑動摩擦，為了增加定位塊的硬度和耐磨性，定位塊采用Cr12MoV材質，熱處理硬度為58~62 HRC。為了減少在下模側面鉆孔數量以及減少模具鋼的使用量，降低模具制造難度和成本，也為了方便調整前后相對定位尺寸，需要在定位塊和下模座之間增加定位塊墊板，材質為Q235A，且將定位塊墊板焊接在下模座側面，除此之外為了避免上模座與定位裝置干涉，在上模座與定位裝置相對處設計避讓槽，其二維結構和實物如圖6所示。

圖6 前定位裝置二維結構及實物

2.3 模具試驗及修改

2.3.1 乙字彎處結構改進

經過試模后，發現直角邊成形良好，但是由于乙字彎存在不均勻彈塑性變形，導致乙字彎僅兩端成形高度滿足5 mm的要求，越向中部成形高度越不理想，中心乙字彎成形高度只有2 mm，不能滿足（5±1）mm的要求。因此根據乙字彎實測高度尺寸，采取補償改進措施：①在乙字彎下模鑲件下面從兩端到中間逐步墊上一定厚度的銅皮，并將接縫處打磨光滑，形成上撓；②在對應乙字彎下模鑲件的上模座上從兩端到中間每隔290 mm去除一定厚度材料，并保證接縫處光滑過渡，也形成上撓，如圖7所示。

圖7 上模增加撓度

2.3.2 90°彎曲處展開圖修正

經過試制發現高度為70 mm的直邊彎曲后，在靠近中部缺口處的尺寸不符合圖紙要求，因此進行反向修正，修正后展開圖如圖8所示。

圖8 端梁修正后的展開圖

經過上述2項改進后，再次試模，測量乙字彎處兩端和中部高度均滿足（5±1） mm的要求，高度為70 mm的直邊彎曲后的兩端和中部尺寸也滿足要求，端梁彎曲模和端梁實物如圖9所示。

圖9 端梁彎曲模與成形實物

3 結束語

實際生產證明，改進后的端梁1次彎曲成形模不僅能夠保證端梁的成形質量，還提高了端梁彎曲的生產效率，降低了操作者的勞動強度，解決了生產70 t級敞車時的瓶頸問題。模具設計時將易于拆卸的鑲件結構、抗側向力結構及上撓度結構應用在大型不規則彎曲成形模的上、下模上，實現了技術創新，解決了6 mm高強度耐候鋼材質的長大厚板一邊90°彎曲、另一邊乙字彎曲的成形問題，為類似模具設計提供借鑒。