文/張顯鶴·湖南省邵陽學院機械與能源工程系

制動缸缸體成形工藝分析及模具設(shè)計

文/張顯鶴·湖南省邵陽學院機械與能源工程系

問題的提出

在大噸位鐵路貨車的制動技術(shù)中，制動缸缸體的成形拉延質(zhì)量至關(guān)重要，缸體底部經(jīng)常出現(xiàn)縮頸、斷裂和直壁垂直度超差等質(zhì)量缺陷，危及行車的安全。

工藝分析

圖1 制動缸缸體工件圖

圖1 所示為制動缸缸體的產(chǎn)品圖，材質(zhì)為08AL，屈服強度為205MPa，抗拉強度為340MPa，板料的厚度為7mm，成形深度為149.5mm，保證內(nèi)徑的同軸度φ0.14mm，保證活塞運動具有良好的密封性和勻速性，內(nèi)壁需加工，深度137mm，成形深度和加工深度兩者的差值為12.5mm，其圓角實際最大尺寸R應為12.5mm，產(chǎn)品圖紙的圓角為R8。按照沖壓模具設(shè)計手冊的工藝要求，工件底部的工藝圓角R的最小值為板料厚度的1倍，成形底部的工藝圓角已到最小極限尺寸R7mm，等于產(chǎn)品圖紙的成形工藝圓角R7，凸模圓角設(shè)計成R7是可以的。凹模上部的工藝圓角R的最小值為板料厚度的2倍，所以成形上部的工藝圓角最小極限尺寸應為R14，考慮到筒壁加工車刀圓角的實際情況，去掉2mm，其凹模圓角實際最大尺寸R應為10.5mm（12.5mm-2mm），上部（凹模）的理論工藝圓角R14mm大于凹模圓角實際最大尺寸R10.5mm，為保證產(chǎn)品圖紙的技術(shù)要求，上部（凹模）的工藝圓角只能調(diào)整到R8mm。為保證φ330mm平面的平面度，成形后對表面進行加工，厚度7mm加工到6mm，保證上平面與側(cè)壁的垂直，達到活塞運動時的密封和良好的制動效果。

板料展開尺寸的計算

理論展開尺寸的計算

工件底部圓角R7mm，凸緣直徑φ330mm，板料厚度7mm，內(nèi)徑φ250mm，深度156.5mm，生成三維工件的質(zhì)量為10.81kg，則理論展開尺寸為φ501mm，如圖2所示。

圖2 制動缸缸體理論展開圖

實際展開尺寸的計算

模具落料單邊的搭邊量或機械加工余量按板料厚度1.5倍計算，則直徑加大21mm，考慮到板料拉延實際必然變薄的情況，則實際展開尺寸取整為φ520mm。

拉延次數(shù)的確定

材料的相對厚度為1.36%(7/515)，凸緣相對直徑為1（250/250），根據(jù)沖壓模具設(shè)計手冊的規(guī)定，第一次拉延最小系數(shù)為0.53，第二次拉延最小系數(shù)為0.75，工件第一次拉延次數(shù)m=250/520=0.481，0.481＜0.53＜0.75，模具應采用二次拉延的工藝方法。

拉延系數(shù)的分配

m1=290/520=0.5583，m2=250/ 290=0.862，0.558＞0.53，0.862＞0.75，拉延系數(shù)越小變形程度越大，所以說拉延系數(shù)的分配是可行的。一次拉延模是二次拉延模成功拉延的基礎(chǔ)，圖3所示是一次拉延工件圖。

圖3 一次拉延工件圖

預制V形缺口

一次拉延后，工件徑向邊緣開設(shè)12個均布的V形開口(在二次拉延后落料或車削掉)，如圖4所示。這些工藝開口保證φ330mm上平面不出現(xiàn)皺褶的質(zhì)量缺陷，為二次拉延創(chuàng)造邊界條件。因零件的上下圓角為R8mm和R7mm，直壁垂直底平面，在加工時必然存在板料變薄的現(xiàn)象。為避免模具設(shè)計試驗生產(chǎn)階段制件開裂的風險，從根本上確保制件的成形質(zhì)量，用Deform-3D和Jstamp三維成形軟件進行3次模擬分析，每次的成形模擬相當于在模具上試驗一次，從而減少實際試驗次數(shù)。經(jīng)試驗，將板料的展開尺寸調(diào)整到φ504mm（小于計算的實際展開尺寸），滿足產(chǎn)品二次拉延的工藝要求。重新核定模具設(shè)計的拉延系數(shù)，將總拉延系數(shù)m確定為0.496（250/504），系數(shù)變大，成形時變形程度小，產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的趨勢減小。預制V形缺口，相當φ379mm尺寸的縮小，增大拉延系數(shù)，減小二次成形工件的變形程度，保證工件不出現(xiàn)縮頸和斷裂的質(zhì)量缺陷。

圖4 缸體二次拉延前開設(shè)缺口工件圖

一次拉延模具設(shè)計

一次拉延模為正拉延，采用350t雙動油壓機設(shè)備壓邊成形，壓邊力根據(jù)需要隨時任意調(diào)節(jié)，實現(xiàn)模具壓邊力調(diào)節(jié)的柔性化，消除使用碳素彈簧和聚氨酯彈簧壓邊力調(diào)節(jié)困難的局限，保證φ330mm上平面不出現(xiàn)皺褶的質(zhì)量缺陷，為內(nèi)壁加工具有足夠的余量創(chuàng)造先決條件。圖5是一次拉延模具的結(jié)構(gòu)示意圖，上模體固定在設(shè)備的外滑塊上，壓邊圈固定在設(shè)備的內(nèi)滑塊上，壓邊圈在設(shè)備的壓邊裝置的作用下向下運動，壓邊圈上的壓邊鑲塊接觸并壓住板料后，凸模再繼續(xù)向下運動成形工件。

工件在三維數(shù)值模擬時凸緣兩翼向下約0.96mm，故模具采用向上0.4mm的反變形上，當模具壓形結(jié)束后，校正工件的凸緣部位，保證工件上平面回彈后的平面度控制在0.5mm。一次拉延件上部拉延到φ290mm，底部的尺寸為φ251mm。φ251mm略大于二次拉延件(產(chǎn)品圖)底部的尺寸φ250mm，保證二次拉延的直壁在切點下僅有微微的轉(zhuǎn)動，減少在R切點處再次拉延出現(xiàn)縮頸的可能。

拉延是靠凸模成形的，凹模的設(shè)計厚度為55mm，分層處倒R3mm圓角，大于成形高度的1/3，其余部位依靠凸模成形，避免工件成形過程中處于整個深度曲面的滑動，盡量減少劃痕，消除應力集中對拉延的影響，在模具凸模和凹模中心部位開設(shè)排氣孔，減小空氣阻力的影響，快速散發(fā)拉延熱，消除產(chǎn)生縮頸和斷裂的質(zhì)量缺陷。

圖5 制動缸缸體一次拉延模結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)束語

經(jīng)過上述試驗分析，可知：⑴拉延成形在可能的情況下預制工藝槽或工藝孔，能夠保證成形流暢；⑵對直壁接近90°的、帶有凸緣的筒形拉延件的實際展開尺寸可按理論展開尺寸計算。該模具已試驗完畢并投入使用，取得了良好的技術(shù)效果，為大噸位鐵路貨車制動技術(shù)的應用提供了技術(shù)支持。