文/張瑞喜，陳雄大·齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司

單元制動缸前蓋的工藝分析及模具設計

文/張瑞喜，陳雄大·齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司

張瑞喜，高級工程師，主要從事沖壓工藝和模具設計，主持完成的沖壓車間光電保護裝置的研究和應用，模具安全結構的研究和推廣，滑槽磨耗板的工藝分析及模具設計，K2交叉桿成形技術的試驗研究和模具設計等5項科技創(chuàng)新成果獲得齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司廠級成果一等獎，獲發(fā)明專利1項、實用新型專利1項，共發(fā)表論文7篇。

單元制動缸前蓋是裝在大噸位KM98漏斗鐵路貨車制動系統(tǒng)上的關鍵受力制動部件，其質量的好壞直接影響制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，表面質量的優(yōu)劣影響工件的商品化。工件板料厚度為5mm，材質為Q215-A。工件圖如圖1所示，前蓋45mm的凸緣成形時不對稱，φ178與45mm的凸緣相連的根部180°的范圍內(nèi)上下波動時而出現(xiàn)縮頸斷裂的現(xiàn)象，φ130頂部出現(xiàn)縮頸的現(xiàn)象等質量問題，廢品率高達24%。隱含縮頸的質量問題，可能影響鐵路貨車運行的安全。

工藝分析

前 蓋的材質是Q215-A，若采用二次成形工藝，第一次壓形的拔模斜度設計為10°，R5的圓角設計為R10；第二次壓形按工件的幾何尺寸（含膨脹量）設計，可以保證工件的型腔尺寸，減少工件表面的拉傷。二次成形需兩套模具，技術準備周期長，制造成本也隨之增大；另外，二次成形就必須二次加熱，工件將脫碳，機械性能下降。第二次成形需以第一次壓型工件的外部型腔定位，兩次定位基準具有隨機波動性，工件將有局部壓痕的缺陷，故采用一次熱壓成形工藝。工件成形的深度為29.7mm，是板料厚度的近6倍，型腔φ178下部尺寸為自由公差尺寸，可以走上差，φ130上部尺寸為自由公差尺寸，可以走下差，模具可以設計拔模斜度為6°，上下口尺寸相差3mm，減少工件出現(xiàn)縮頸的趨勢，方便工件的卸料，減少了兩次定位基準的隨機波動性，提高生產(chǎn)工效。

圖1 前蓋工件圖

圖2 單元制動缸前蓋熱壓模示意圖

模具設計

工件展開尺寸的計算

按照厚度不變質量相等的物理學原理，利用Pro/E Wildfire軟件生成工件的三維實物，最大直徑φ354.6mm取整為φ355mm，計算其質量為4.543kg，利用無限逼近的方法，計算工件的理論展開尺寸為φ374mm，考慮模具成形的過程中工件的變薄情況，展開尺寸需減少3mm，工件壓形后進行落料，搭邊量按板厚的2倍計算，工件的直徑需加大20mm，工件的展開尺寸為φ391mm（374－3＋20），取整為φ395mm。前蓋是外側拉延和中間脹形結合的工件，工件成形后落料并沖制中間φ76mm的圓孔。為便于金屬材料脹形的補充，中間預先鉆φ20mm的工藝孔，孔附近區(qū)域板料在成形過程中始終處于雙向受拉的狀態(tài)，切向拉應力為最大主應力，而且此區(qū)域在成形過程中厚度的減薄量最大；徑向拉應變代數(shù)值逐漸增大，切向拉應變代數(shù)值逐漸減少，邊緣處的坯料近似處于單向拉伸變形狀態(tài)，預制工藝孔遏制減薄的趨勢，防止工件產(chǎn)生縮頸的質量問題。

模具間隙的確定

熱壓模具結構簡圖如圖2所示，按《沖壓模具設計手冊》的規(guī)定，單側最小間隙為0.5mm，雙側間隙值為1.0mm，鐵路貨車前蓋料厚為5mm，板料加熱后，由于膨脹厚度增加，膨脹系數(shù)按7‰計算，厚度膨脹量為7‰×5=0.035mm。模具的理論雙邊間隙量為1.0＋0.07=1.07，凸模的尺寸按工件的型腔尺寸設計，間隙取在凹模上，方便工件的卸料。

拉延圓角的確定

工件的圓角為R3，對于有彎曲的拉延件，其最小拉延圓角應為材料厚度的1～2倍，上下鑲塊最小彎曲半徑為R3設計為R5，減少局部變薄縮頸斷裂的趨勢。

數(shù)學模型

圖3 數(shù)學模型圖

模具設計制造的數(shù)學模型，如圖3所示。數(shù)學模型是根據(jù)工藝分析和設計的間隙值、拉延圓角、拔模斜度和7‰膨脹率確定的，數(shù)學模型是Pro/E模具設計的核心和基礎，模具的上、下鑲塊按數(shù)學模型的復制幾何的設計理念進行設計，鑲塊的材質采用Dc53（瑞典模具材料牌號）的材料，熱處理后的變形為負回彈，比熱處理前尺寸小一點，增大了模具的間隙，減小模具成形過程中出現(xiàn)縮頸斷裂的趨勢。在進行數(shù)學模型的變動時，應保證上下鑲塊等部件隨之變動。

通氣孔的排布

上下鑲塊排布φ10mm通氣孔，可消除工件底部不平的趨勢，保證底面0.5mm的平面度的要求，同時增大散熱面積，消除熱應力，穩(wěn)定型部尺寸。

剛性校形

模具壓形終了時，保證凸凹模和工件的剛性接觸，對工件具有校形作用，保證工件的平面度符合產(chǎn)品圖紙的技術要求。

加熱溫度和保壓時間的控制

板料加熱溫度控制在870～920℃，比普通熱壓件的溫度略高30～50℃，減少工件的成形力，考慮模具無壓邊裝置，模具壓型終了時保壓時間不低于3s，便于型腔尺寸的穩(wěn)定。

模具試驗調(diào)整

模具制造完畢并安裝調(diào)試后，將板料的展開尺寸由φ405mm優(yōu)化為φ395mm，板料中間的預制工藝孔φ20mm優(yōu)化為φ25mm，模具的拔模斜度6°調(diào)整到8°，即可順利用于生產(chǎn)。

結束語

通過單元制動缸前蓋的工藝分析，確定采用一次熱成形的工藝方案，根據(jù)工件尺寸和工藝進行模具設計。熱壓模的間隙值可以適當放大為板料厚度的5%。模具現(xiàn)已批量使用，效果良好，提高了生產(chǎn)效率，根除了工件的廢品率，拓展了單元制動缸前蓋的成形工藝。