馬冬莉，李寶旺

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)軌道車輛的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的車輛生產(chǎn)模式難以滿足現(xiàn)代工藝發(fā)展的潮流，為了提高軌道車輛車體質(zhì)量，保證行車安全，車輛生產(chǎn)質(zhì)量受到越來(lái)越多的企業(yè)關(guān)注[1]。某客車內(nèi)邊頂板如圖1所示，材料為Q195A、厚度為5 mm，屈服強(qiáng)度為195 MPa，抗拉強(qiáng)度為315～430 MPa，延伸率為33%。成形后要求各表面平整，不允許存在劃痕、皺紋、裂紋、凹坑、塌陷等缺陷。通過(guò)對(duì)制件的沖壓工藝進(jìn)行分析，采用DynaForm軟件的BSE模塊計(jì)算制件的展開尺寸，設(shè)計(jì)了1副邊頂板復(fù)合成形模。

圖1 邊頂板結(jié)構(gòu)

1 成形工藝分析及方案確定

由圖1可以看出，邊頂板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：厚度薄、尺寸多、形狀復(fù)雜（存在多處彎曲，其中周邊3個(gè)邊的階梯成形與縱向彎曲方向垂直）。制件的成形難點(diǎn)主要在于階梯成形與縱向彎曲成形的交匯點(diǎn)處，若處理不好，交匯點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放射性波紋，影響制件的表面質(zhì)量。

制件成形有3種方案，每種方案均分兩步完成。

方案1：利用1副模具一次壓制成形，其原理是利用雙動(dòng)液壓機(jī)的滑塊動(dòng)作實(shí)現(xiàn)凸模與凹模鑲件的運(yùn)動(dòng)，分2次完成制件的成形。此方案必須在雙動(dòng)液壓機(jī)上進(jìn)行。

方案2：利用2副模具成形制件，第1副模具彎曲制件縱向的2個(gè)角度，第2副模具以第1次彎曲的2個(gè)彎曲邊為定位基準(zhǔn)，進(jìn)行制件周邊的成形。此方案生產(chǎn)效率低，前后2次成形定位基準(zhǔn)不統(tǒng)一，容易導(dǎo)致縱向彎曲方向和周邊的階梯不垂直，并且2副模具增加了制造成本。

方案3：利用1副模具進(jìn)行復(fù)合成形，此方案原理同第1種方法，只是將雙動(dòng)液壓機(jī)滑塊的2個(gè)動(dòng)作通過(guò)改變模具結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

企業(yè)現(xiàn)有大型成形設(shè)備只有1 250 kN單動(dòng)液壓機(jī)，結(jié)合制件數(shù)量和設(shè)備負(fù)荷，確定采用第3種成形方案，但是模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度較大。

2 制件展開尺寸計(jì)算及驗(yàn)證

DynaForm軟件的BSE模塊基于全增量理論，假定制件的整個(gè)成形過(guò)程是按比例加載，僅考慮最初的形狀和變形完成后的最終形態(tài)，而不分析中間的變形狀態(tài)。此方法計(jì)算時(shí)間短，需要建立的分析模型相對(duì)簡(jiǎn)單，因此廣泛應(yīng)用于制件的成形分析[2]。按照二維圖紙?jiān)贑REO中建立邊頂板的三維模型，另存為.igs格式并導(dǎo)入DynaForm，在BSE模塊中抽取中間曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。通過(guò)計(jì)算得到邊頂板的初始展開尺寸，并導(dǎo)入AutoCAD軟件。利用初始展開尺寸激光下料，采用邊頂板復(fù)合成形模成形。成形后測(cè)量發(fā)現(xiàn)制件四周翻邊尺寸偏大，最大的部位偏大約2 mm，通過(guò)對(duì)展開尺寸不合適的位置進(jìn)行增減及擬合，得到邊頂板最終的展開尺寸如圖3所示。

圖2 邊頂板網(wǎng)格

圖3 修正后邊頂板展開尺寸

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 模具結(jié)構(gòu)

圖4所示為邊頂板復(fù)合成形模結(jié)構(gòu)。為縮短模具制造周期，降低生產(chǎn)成本，該模具除上模座、凸模、上模鑲件、凹模鑲件、托料板和下模座外，其余均采用標(biāo)準(zhǔn)件。同時(shí)為便于模具后期維修，模具工作部位采用鑲拼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即3個(gè)邊的階梯成形和縱向彎曲是在相互獨(dú)立的凸凹模中完成。成形時(shí)，為使落料件定位準(zhǔn)確，模具設(shè)計(jì)了可調(diào)的定位裝置，且周圈定位。

圖4 模具結(jié)構(gòu)

3.2 工作原理

模具工作過(guò)程如下：液壓機(jī)上滑塊帶動(dòng)上模座上行，使上模和下模分離，同時(shí)液壓機(jī)液壓墊通過(guò)頂桿將托料板頂起，使托料板上平面與凹模鑲件在同一個(gè)平面上，以便放置坯料。將激光切割好的坯料放在托料板和凹模組成的平面上，采用定位板定位。液壓機(jī)上滑塊帶動(dòng)上模下行，在導(dǎo)向組件6的作用下，凸模首先與板料接觸，進(jìn)而與托料板夾緊板料并帶其下行。下行過(guò)程中由于彈簧的初始預(yù)壓力大于液壓機(jī)液壓墊的液壓力，此時(shí)彈簧不變形，首先進(jìn)行縱向彎曲成形。當(dāng)托料板到達(dá)最低位與限位塊接觸時(shí)，縱向彎曲成形完成。上模座在液壓機(jī)滑塊的帶動(dòng)下繼續(xù)下行，在下模座的作用下托料板凸模施加一個(gè)反向力，使其具有相對(duì)上模座向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，凸模克服彈簧的初始預(yù)壓力壓縮彈簧，在上模鑲件與凹模鑲件共同作用下完成周邊的階梯成形；成形結(jié)束后，滑塊帶動(dòng)上模上行，然后從模具中取出成形的制件。

3.3 模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.3.1 模具零件材料的選擇

模具零件材料的選擇對(duì)模具使用壽命具有決定性作用，由于成形制件尺寸較大，模具工作部位的尺寸也較大，結(jié)合產(chǎn)量要求，為降低制造成本，模具工作部位采用鑲拼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸較大的模具零件材料為鑄Mo-Cr，如凸模，尺寸較小的模具零件材料為T10A，如上模鑲件。

3.3.2 模具工作部位設(shè)計(jì)

模具工作部位設(shè)計(jì)是復(fù)合成形模設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，影響制件的成形形狀、尺寸、精度、成形力和回彈等，其設(shè)計(jì)是否合理對(duì)解決成形過(guò)程中缺陷起著決定性作用[3,4]。

（1）凸模采用整體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)彈簧和卸料螺釘與上模座連接，并能與上模座相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為防止凸模上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)方向發(fā)生偏移，根據(jù)凸模形狀在其周邊安裝自潤(rùn)滑耐磨板進(jìn)行導(dǎo)向。

（2）為節(jié)省材料，上模鑲件和凹模鑲件分別采用分體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺釘分別與上、下模座固定，凹模鑲件按照制件外形設(shè)計(jì)成階梯形狀。

（3）托料板采用整體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)卸料螺釘與下模座連接，通過(guò)頂桿作用能與下模座相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為防止托料板上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)方向發(fā)生偏移，在四周安裝6塊自潤(rùn)滑耐磨板進(jìn)行導(dǎo)向。

3.3.3 模具零件間隙和通氣孔

模具工作零件的間隙是成形過(guò)程最重要的參數(shù)，其大小對(duì)成形力、回彈和制件成形質(zhì)量有重要影響。間隙過(guò)小時(shí)，所需的成形力大，模具零件損壞加劇，且容易擦傷制件表面或使制件變??；間隙過(guò)大時(shí)，成形后制件回彈大，降低制件尺寸與形狀精度。因此設(shè)計(jì)模具時(shí)需要選擇合理的間隙[3]。

由于制件成形時(shí)緊貼凸模，而外形最大處由凹模成形，根據(jù)制件的公差要求，以凹模為尺寸基準(zhǔn)，對(duì)凸模進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，其單邊間隙取1.1t（t為料厚）。

通氣孔的作用是便于脫模，且防止制件底面不平。對(duì)于非圓形件，可以設(shè)置2個(gè)及以上的通氣孔，應(yīng)將通氣孔設(shè)置在易清理的位置，避免被潤(rùn)滑劑和贓物賭塞[4]。

3.3.4 導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)模具中，凸模與上模座、托料板和下模座之間沒有導(dǎo)向裝置。對(duì)于非對(duì)稱件，容易在成形時(shí)發(fā)生偏移，導(dǎo)致制件棱線滑移，出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象。

邊頂板為非對(duì)稱制件，成形時(shí)凸模與托料板受側(cè)向力，為確保成形過(guò)程中模具零件位置準(zhǔn)確、制件不發(fā)生偏移，在凸模四周安裝8塊自潤(rùn)滑耐磨導(dǎo)板與上模座導(dǎo)向，托料板四周安裝6塊自潤(rùn)滑耐磨導(dǎo)板與下模座導(dǎo)向。成形過(guò)程中上、下模座為凸模和托料板提供有效的支撐，確保制件無(wú)偏移。自潤(rùn)滑耐磨導(dǎo)板具有定位準(zhǔn)確、導(dǎo)向精度高的特點(diǎn)。

3.3.5 彈簧的選擇

為實(shí)現(xiàn)制件先成形縱向彎曲，再成形周邊階梯，凸模與上模座間的彈簧需要克服縱向彎曲的成形力和托料板對(duì)制件施加的壓力，因此彈簧必須保證有足夠的壓料力完成縱向彎曲。

制件彎曲力：Pz=0.7KBt2σb/(r+t)=0.7×1.3×1 675×1.52×350/(10+1.5)=104 378 N

式中，Pz——材料在沖壓行程結(jié)束時(shí)的自由彎曲力，N；B——彎曲件的寬度，mm；t——彎曲件的料厚，mm；σb——材料的抗拉強(qiáng)度，取350 MPa；r——內(nèi)彎曲半徑，mm；K——安全系數(shù)，一般K取1.3[4]。

壓料力：Q=0.3Pz=0.3×104 378=31 313.4 N

彈簧需要克服的成形力和壓料力總和：P=Pz+Q=104 378+31 313.4=135 691.4 N

彈簧選用型號(hào)為TB60×80的扁線螺旋彈簧，彈性系數(shù)為882 N/mm，最大壓縮量為16 mm，數(shù)量為33個(gè)，預(yù)壓5 mm。制件深度最深為9 mm，16-5=11 mm＞9 mm。彈簧總彈力：F彈=33×5×882=145 530 N＞135 691.4 N，彈簧滿足使用要求。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

在復(fù)合成形模上成形制件，并對(duì)成形制件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其尺寸滿足工藝要求，成形后制件表面平整，沒有劃痕、皺紋和裂紋，四角處沒有凹坑、塌陷等缺陷，滿足外觀質(zhì)量要求，成形效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用DynaForm軟件對(duì)邊頂板進(jìn)行展開尺寸計(jì)算，通過(guò)修正得到最終合格的展開尺寸。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，模具結(jié)構(gòu)合理、動(dòng)作可靠、制件成形質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，其結(jié)構(gòu)可為同類制件的成形提供借鑒。