摘要： 為保證某型鐵路罐車封頭冷沖壓成形質(zhì)量，設(shè)計(jì)了具有圓形拉延筋、矩形拉延筋和不設(shè)置拉延筋3種結(jié)構(gòu)形式的拉延模具型面；使用有限元方法，對(duì)3種模具結(jié)構(gòu)形式下封頭的沖壓成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，對(duì)比了封頭起皺趨勢(shì)、 成形回彈和料厚變化等模擬結(jié)果，并根據(jù)仿真結(jié)果選擇合理的模具結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了試驗(yàn).研究結(jié)果表明：采用矩形拉延筋進(jìn)行封頭沖壓成形，能更有效的避免封頭出現(xiàn)起皺、鼓包等成形缺陷，而且成形后回彈量較小；矩形拉延筋模具沖壓試驗(yàn)所得封頭無(wú)成形缺陷，測(cè)得封頭最小料厚為9.6 mm，最大料厚為10.5 mm，與模擬結(jié)果基本一致；采用矩形拉延筋模具進(jìn)行該型封頭冷沖壓成形是有效的.

關(guān)鍵詞： 罐車封頭；冷沖壓；拉延筋；有限元模擬

中圖分類號(hào)： TG306文獻(xiàn)標(biāo)志碼： AStampForming of Heads of Railway Tank CarsLUO Zhengzhi1，ZENG Jing2，HUANG Liebing3，QIN Shengmou4

（1. School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China； 2. Traction Power State Key Laboratory， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China； 3. Research Centre， Chongqing Bei Ben HeavyDuty Truck Co. Ltd.， Chongqing 401329，China； 4. Chongqing CISDI Engineering Supervision Co. Ltd.， Chongqing 400013， China）

Abstract：In order to ensure the cold stamping quality of railway tank car heads， die surfaces with three different types of draw bead structures at the die entrance， including round draw bead， rectangular draw bead and no draw bead， were designed for the head stamping process. Then， the head stamping processes for the three types of die entrances were simulated using the finite element method. The simulation results were analyzed and compared in terms of wrinkles， springback， and thickness variation. On this basis， a reasonable die structure was selected and manufactured for stamping experiments. The result shows that the die entrance with rectangular draw bead could effectively avoid wrinkles and blowups， and has a smaller spring back. The stamping experiment results with the rectangular draw bead indicate that the stamped heads has no defects； the minimum thickness is 9.6 mm， and the maximum thickness is 10.5 mm， which consist with the computational results. Therefore， adopting the die with rectangular draw bead for cold stamping of railway tank car heads is effective.

Key words：tank car heads； cold stamping； draw bead； finite element simulation

鐵路罐車封頭是罐體的主要承力部件，其力學(xué)性能好壞直接影響鐵路罐車的運(yùn)行安全.為此，罐車封頭制造生產(chǎn)過(guò)程中，要保證材料壁厚變化合理和材料強(qiáng)度足夠.罐車封頭由于尺寸大、材料較厚，因此，封頭的成形加工一直是罐體成型的難點(diǎn)和重點(diǎn).目前對(duì)封頭的成形方法中，常見方法為分瓣式焊接成形、旋壓成形和沖壓成形.由于鐵路罐車運(yùn)行使用過(guò)程中具有特殊力學(xué)性能要求和需求量較大的特點(diǎn)，罐車封頭加工采用沖壓成形的方式更適合其運(yùn)行可靠性和大批量生產(chǎn)[13].

罐車封頭沖壓成形常用熱壓工藝和冷壓工藝.熱壓工藝是在高溫下進(jìn)行封頭沖壓成形，該工藝下材料塑性好，易于成形，但封頭表面易產(chǎn)生氧化皮，力學(xué)性能降低；受熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和變形應(yīng)力影響，封頭形狀和尺寸精度不易控制[45].冷壓工藝在常溫下成形，材料加工硬化有利于提高封頭強(qiáng)度，成形后形狀準(zhǔn)確，尺寸穩(wěn)定性好，生產(chǎn)效率高.因此，封頭生產(chǎn)中常采用冷壓成形工藝.但冷壓工藝易產(chǎn)生起皺和鼓包等成形缺陷.為此，常采用壓邊圈和拉延筋來(lái)避免和控制封頭冷沖壓成形過(guò)程中的成形缺陷[6].

有限元方法已成為材料成形研究的重要方法[78].文獻(xiàn)[910]中使用模擬仿真手段對(duì)厚壁封頭成形進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1113]中對(duì)沖壓成形中的回彈現(xiàn)象進(jìn)行了模擬.

本文以某型鐵路罐車封頭為例，采用有限元法對(duì)其冷壓成形過(guò)程進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究拉延模具型面采用圓形拉延筋、矩形拉延筋和無(wú)拉延筋時(shí)，不同模具結(jié)構(gòu)形式對(duì)封頭最終成形質(zhì)量的影響.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)第48卷第4期羅征志等：鐵路罐車封頭沖壓成形研究1封頭沖壓成形中拉延筋作用原理封頭冷壓成形中，拉延筋主要作用是增加材料成形時(shí)的阻力.通過(guò)合理設(shè)計(jì)與調(diào)整拉深筋的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)，可有效地控制成形時(shí)板料各部分的變形阻力及狀態(tài)[14].封頭板料拉延筋位置變形原理如圖1所示.

圖1拉延筋原理

Fig.1Schematic of draw bead

由圖1可知，由于A、C、E點(diǎn)彎曲，板料經(jīng)過(guò)拉延筋后的拉延筋阻力由B、D、F點(diǎn)反彎曲力和AB、CD、EF段摩擦力，以及因加工硬化引起的再變形抗力增量共同作用而產(chǎn)生.

設(shè)置拉延筋后，板料成形時(shí)所需的阻力可不再依靠板料與壓邊圈間的摩擦阻力，壓邊圈只需提供拉延筋的壓筋力及板料變形時(shí)對(duì)拉延筋產(chǎn)生的上浮力，使成形時(shí)所需壓邊力大幅減小，從而使成形工藝對(duì)設(shè)備噸位、模具剛度及壓料面等方面的要求大大降低.

拉延筋常見的基本形式為矩形和半圓形，如圖2所示.當(dāng)板料通過(guò)半圓形拉延筋時(shí)，發(fā)生3次彎曲和反彎曲過(guò)程；板料通過(guò)矩形拉延筋時(shí)，發(fā)生4次彎曲和反彎曲變形.因此，矩形拉延筋的阻力更大.同時(shí)，矩形拉深筋對(duì)潤(rùn)滑條件不敏感，適用于在拉深過(guò)程中潤(rùn)滑條件變化，而拉深阻力保持穩(wěn)定的場(chǎng)合.

根據(jù)封頭尺寸和材料厚度大、材料冷壓成形難度相對(duì)較大的特點(diǎn)，結(jié)合拉延筋工作原理和模具結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了圖3所示的拉延筋形式進(jìn)行封頭沖壓成形，并分別進(jìn)行成形模擬分析.

圖2拉延筋形狀

Fig.2Shape of draw bead

圖3封頭沖壓成形拉延筋形式

Fig.3Drawbead types for head stamping

2有限元模型建立本文研究直徑Φ3 000 mm的橢圓形封頭冷壓成形.坯料材料為Q345R，料厚為10 mm，下料直徑為Φ3 900 mm.2.1Q345R材料性能Q345R材料化學(xué)組成和主要力學(xué)性能參數(shù)見表1和表2所示.

表1Q345R材料化學(xué)組成

Tab.1Chemical composition of Q345R

名稱CSSiMn PVTiwB/%0.190.010.321.460.0170.002 40.028

表2Q345R材料力學(xué)性能

Tab.2Mechanical properties of Q345R

性能

指標(biāo)屈服強(qiáng)度

/MPa 拉伸強(qiáng)度

/MPa延伸率

/%沖擊功

/JQ345R≥345≥550≥28135

2.2有限元模型根據(jù)圖3所示拉延筋形式，建立罐車封頭零件沖壓成形分析有限元模型.封頭是中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算效率，計(jì)算模型取1/4，設(shè)置對(duì)稱邊界條件.

構(gòu)建得到封頭沖壓計(jì)算有限元模型如圖4所示.有限元模型單元為240 167個(gè)，節(jié)點(diǎn)為247 059個(gè).

圖4封頭沖壓有限元模型

Fig.4Finite element model of head stamping

2.3邊界條件模擬過(guò)程中，凸模、凹模及壓邊圈設(shè)置為剛性體，板料單元采用BT殼單元，接觸類型為單向面面接觸，摩擦條件為庫(kù)侖摩擦，板料與所接觸剛體的摩擦因數(shù)為0.12.壓邊過(guò)程中壓邊圈速度為250 mm/s，拉深過(guò)程中，凸模速度為 500 mm/s，壓邊力為20 MN.3封頭沖壓成形模擬結(jié)果分析將3種拉延筋形式下的封頭沖壓成形過(guò)程數(shù)值模擬后，對(duì)結(jié)果中的成形質(zhì)量、料厚變化和成形回彈進(jìn)行分析比較.3.1起皺趨勢(shì)圖5為封頭在不同模具入口形式下的成形圖.

圖5（a）表明，無(wú)拉延筋情況下，封頭起皺明顯，不僅在凸緣面上起皺嚴(yán)重，而且在壁部也有較明顯的起皺.封頭底部區(qū)域變形不充分，將造成零件脫模后回彈變形嚴(yán)重.可見，封頭成形中，不使用拉延筋而單純靠壓邊力作用，不能有效抑制封頭拉延起皺缺陷.

（a） 無(wú)筋（b） 圓筋（c） 矩形筋

圖5封頭成形圖

Fig.5Forming limit diagram of head stamping

圖5（b）表明，圓形拉延筋作用下，封頭凸緣面及入口部位起皺明顯，但起皺區(qū)域明顯較少，壁部區(qū)域無(wú)明顯起皺，但材料有起皺趨勢(shì).封頭底部區(qū)域變形較充分.成形質(zhì)量相對(duì)無(wú)拉延筋時(shí)成形質(zhì)量明顯改善.

圖5（c）表明，矩形拉延筋作用下，封頭凸緣面起皺不明顯，壁部和凹模入口處也無(wú)明顯起皺.封頭底部區(qū)域材料變形充分.封頭成形質(zhì)量比無(wú)拉延筋和圓形筋時(shí)更好.

上述分析表明，矩形拉延筋作用下所得的封頭橢圓型面，無(wú)起皺且材料塑性變形充分，封頭整體成形質(zhì)量較好.3.2封頭厚度變化沿封頭底部向封頭凸緣區(qū)域均勻選取節(jié)點(diǎn)如圖6（a）所示，繪制成形后，可得到不同凹模入口形式下產(chǎn)品料厚變化曲線，如圖6（b）所示.

（a） 節(jié)點(diǎn)位置（b） 厚度變化曲線圖6封頭材料厚度變化

Fig.6Thickness variation of heads with deferent draw beads圖6表明， 3種凹模入口形式下，成形后材料厚度變化趨勢(shì)基本一致，凸緣部位材料厚度有一定的增加，內(nèi)部型面區(qū)域材料厚度均有一定的減小.最大材料厚度在凸緣邊緣，最大值接近10.6 mm，材料變薄最大區(qū)域位于型面直壁與橢圓面相切部位.其中，無(wú)拉延筋時(shí)材料厚度變化幅度較小，有拉延筋時(shí)材料厚度變化較大.圓形筋和矩形筋模具成形所得封頭材料厚度變化數(shù)值較接近，最薄處材料厚度約為9.5 mm，但圓形拉延筋在直壁和封頭底部區(qū)域的材料厚度變薄量更大.模擬分析結(jié)果表明，矩形拉延筋時(shí)，材料厚度變化更加合理，材料變形充分，能有效抑制變形后回彈.

3種凹模入口形式下封頭減薄率分布云圖如圖7所示.根據(jù)GB/T 25198—2010壓力容器封頭標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)封頭成形減薄率要求，直徑Φ3 000 mm，料厚10 mm封頭，材料變薄率應(yīng)小于15%.

圖7表明， 3種情況下材料最大減薄率均小于15%，滿足GB/T 25198—2010壓力容器封頭標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)封頭成形減薄率要求.但矩形拉延筋作用下所得產(chǎn)品在橢圓型面區(qū)域料厚減薄率分布更趨于均勻.

圖7封頭材料變薄率

Fig.7Thinning rate of heads with deferent draw beads

3.3成形回彈封頭沖壓回彈將對(duì)罐體組焊質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，模具成形零件的形狀和尺寸、潤(rùn)滑條件、設(shè)備壓邊力和材料性能等都對(duì)封頭沖壓成形回彈有一定影響.在工廠設(shè)備確定，罐車材料已定的條件下，模具成形零件形狀尺寸的改進(jìn)，成為控制封頭沖壓回彈量的主要方法.本文中封頭成形回彈分析后，將回彈前后結(jié)果沿某截面截取剖面線，對(duì)3種凹模入口形式的回彈前后截面進(jìn)行比較，圖8為放大10倍的封頭回彈前后截面視圖.

圖8表明，無(wú)拉延筋作用時(shí)，封頭變形后產(chǎn)生較明顯的回彈，而且回彈后零件截面形狀發(fā)生較大的形態(tài)變化，無(wú)拉延筋時(shí)回彈量最大值為3.88 mm.有拉延筋作用時(shí)，成形零件回彈前后形狀基本一致，圓形拉延筋時(shí)回彈量最大值為3.11 mm，矩形拉延筋時(shí)回彈量最大值為 2.06 mm.可見，矩形拉延筋作用下，回彈后零件形狀保持較好，回彈量較小，變形后回彈抑制效果明顯.

圖8封頭回彈對(duì)比圖

Fig.8Comparison of heads springback with deferent drawbeads

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比封頭有限元成形分析結(jié)果表明，矩形拉延筋模具結(jié)構(gòu)防止了產(chǎn)品橢圓型面起皺，變形后回彈變形量小，材料厚度分布合理，能夠較好保證封頭成形質(zhì)量.因此采用矩形拉延筋進(jìn)行封頭沖壓模具設(shè)計(jì)制造，并進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，圖9為冷壓罐車封頭產(chǎn)品.由圖9可知，產(chǎn)品無(wú)起皺和鼓包等成形缺陷.使用智能超聲波測(cè)厚儀對(duì)成形后封頭進(jìn)行厚度測(cè)量，封頭最薄處料厚為9.6 mm，最大料厚為10.5 mm.該料厚測(cè)量值與數(shù)值模擬分析所得結(jié)果基本一致.

圖9封頭產(chǎn)品

Fig.9Test specimen of heads

5結(jié)束語(yǔ)本文中為某型鐵路罐車橢圓形封頭設(shè)計(jì)了帶圓形拉延筋、矩形拉延筋和無(wú)拉延筋等不同的模具結(jié)構(gòu)形式.用有限元數(shù)值模擬手段，對(duì)不同模具結(jié)構(gòu)沖壓封頭成形過(guò)程進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1） 拉延筋結(jié)構(gòu)形式對(duì)封頭成形有很大影響，不同拉延筋作用下，封頭起皺、回彈和材料厚度都有較大差異；

（2） 矩形拉延筋時(shí)，封頭無(wú)起皺和鼓包缺陷，成形后回彈量較小，材料厚度變化范圍在9.5～10.6 mm之間，滿足壓力容器封頭成形質(zhì)量要求；

（3） 使用矩形拉延筋模具進(jìn)行封頭沖壓試驗(yàn)，所得封頭試樣無(wú)成形缺陷，測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模擬分析結(jié)果的有效性和可靠性.

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