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        中梁型鋼折彎工藝及模具設(shè)計(jì)

        2022-02-23 01:13:38
        模具制造 2022年1期
        關(guān)鍵詞:生產(chǎn)

        鮑 雷

        (中車齊齊哈爾車輛有限公司,黑龍江齊齊哈爾161002)

        1 引言

        利用折彎?rùn)C(jī)對(duì)板材折彎能夠獲得各種圓角及角度成形件,板材折彎件在鐵路貨車生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。我公司生產(chǎn)的某型鐵路貨車其中梁為Q450NQR1材質(zhì)的類似U形狀型鋼,零件總長(zhǎng)度為10,370mm。中梁作為鐵路貨車主要承重部分,是鐵路貨車的關(guān)鍵件,在鐵路貨車制造生產(chǎn)過(guò)程中,中梁一般為外購(gòu)的型鋼,但是外購(gòu)的中梁型鋼普遍存在扭曲、寬度尺寸超差等問(wèn)題,影響整車組裝及制件的制造質(zhì)量。通過(guò)立足于我車間既有設(shè)備參數(shù)及制造能力進(jìn)行分析,該制件可以采用板材折彎的生產(chǎn)方式代替外購(gòu)型鋼,實(shí)現(xiàn)公司制件制造質(zhì)量的提升。

        2 對(duì)制件圖的分析

        中梁截面圖如圖1所示,經(jīng)過(guò)綜合考慮,中梁使用板材折彎成形主要有以下兩種工藝方法:方法一:切割下料、折彎成形,其生產(chǎn)工序?yàn)椋壕砹祥_(kāi)卷→板材校平→板材切割分條→條類板材取直→折彎成形;方法二:剪切下料、折彎成形,其生產(chǎn)工序?yàn)椋壕砹蠙M縱剪切開(kāi)卷分條→條類板材取直→折彎成形。通過(guò)上述兩種工藝方法對(duì)比,方法一在生產(chǎn)過(guò)程中采用切割下料,生產(chǎn)效率較低,并且存在熱輸入,不利于切割后的直線度控制,該方法不適宜批量生產(chǎn)應(yīng)用。因此采取方法二的制造工藝。

        圖1 中梁零件截面圖

        3 對(duì)制件的工藝能力計(jì)算

        由于中梁寬度為200mm,高度為280mm,按照折彎件制造經(jīng)驗(yàn)即可得知,普通的直柄折彎上模折彎時(shí)板材與上模會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉,影響成形,因此需要制造專用的折彎模,由于中梁外形長(zhǎng)度尺寸較長(zhǎng)、尺寸精度高,因此折彎模設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量決定了中梁使用板材折彎的制件質(zhì)量。

        3.1 折彎力計(jì)算

        由圖1可知,中梁共兩道彎,生產(chǎn)時(shí)兩道彎分別進(jìn)行折彎,計(jì)算其成形力過(guò)程如下:

        自由彎曲的彎曲力計(jì)算公式:

        式中P——自由彎曲力,N

        K——安全系數(shù),一般取K=1.3

        B——彎曲件寬度,取B=10,370mm

        δ——材料厚度,取δ=7mm

        σb——材料的抗拉強(qiáng)度,取450N/mm2

        V——彎曲下模開(kāi)口寬度,通常為材料厚度的6~8倍,取V=50mm

        將各數(shù)值代入彎曲力計(jì)算公式,計(jì)算得P=5,945,121N。

        3.2 折彎設(shè)備能力校核

        折彎?rùn)C(jī)的額定壓力應(yīng)大于制件成形的最大壓力的1.3倍,我車間現(xiàn)有2,500t折彎?rùn)C(jī),最大壓力為25,000kN,有效折彎長(zhǎng)度14,200mm,因此能夠完全滿足該制件的成形要求。

        4 彎曲模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        根據(jù)之前的分析計(jì)算,中梁折彎時(shí)下模開(kāi)口寬度為50mm,我車間2,500t折彎?rùn)C(jī)機(jī)床自身配備可編程自動(dòng)調(diào)整的下模,總長(zhǎng)14,200mm,開(kāi)口尺寸在50~370mm,并且每隔20mm可調(diào),因此下模不需要設(shè)計(jì)采購(gòu),僅需要設(shè)計(jì)采購(gòu)折彎上模。

        對(duì)彎曲上模結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)。

        (1)直柄的折彎上模在折彎過(guò)程中與工件會(huì)產(chǎn)生干涉,因此需要設(shè)計(jì)鵝頸式上模。

        (2)由于制件較長(zhǎng),因此上模要分段制造,便于生產(chǎn)過(guò)程中模具的安裝及拆卸。

        (3)為了降低生產(chǎn)成本,將折彎上模設(shè)計(jì)為鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與折彎上模組合式的結(jié)構(gòu)。鵝頸轉(zhuǎn)換接頭采用45鋼制造,不需要進(jìn)行淬火,表面加工光潔度也可以適當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn),折彎上模采用模具鋼制造,此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠有效降低模具制造成本。鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與機(jī)床配合部位設(shè)計(jì)尺寸與機(jī)床原裝上模鑲塊一致,轉(zhuǎn)換接頭底部開(kāi)口部位連接機(jī)床原有折彎模,實(shí)現(xiàn)加工時(shí)選用上模的靈活性。不需要使用鵝頸模具加工時(shí),可以將機(jī)床原有折彎模直接與機(jī)床連接后正常生產(chǎn);需要使用鵝頸模具加工時(shí),將鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與機(jī)床相連接,再將折彎模與鵝頸轉(zhuǎn)換接頭連接即可進(jìn)行生產(chǎn)。

        (4)折彎上模設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行模擬分析成形過(guò)程,避免折彎過(guò)程中產(chǎn)生干涉。將公司現(xiàn)有類似制件考慮周全,實(shí)現(xiàn)制件種類最大化覆蓋,能夠?qū)崿F(xiàn)所有類似制件的折彎加工,盡最大可能減少以后此類模具的訂購(gòu)。模具結(jié)構(gòu)及模擬分析成形過(guò)程如圖2所示。

        圖2 模具結(jié)構(gòu)

        5 彎曲模強(qiáng)度校核

        針對(duì)上模為鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與折彎上模組合式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析:折彎上模為直柄式,完全能夠承受折彎過(guò)程中的壓力載荷,不需要進(jìn)行強(qiáng)度校核;鵝頸轉(zhuǎn)換接頭采用45鋼材質(zhì)、分段拼接方法制造,在折彎時(shí)鵝頸部位承受較大的壓力載荷,為了提高折彎模設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及合理性,需要使用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

        使用仿真軟件分析,當(dāng)設(shè)計(jì)鵝頸轉(zhuǎn)換接頭每段長(zhǎng)度為300mm時(shí),施壓外力50t時(shí),鵝頸部位要承受屈服強(qiáng)度達(dá)到448MPa,大于45鋼最小屈服強(qiáng)度355MPa,鵝頸部位會(huì)出現(xiàn)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)多次模擬仿真得出結(jié)論:鵝頸轉(zhuǎn)換接頭中部受壓力載荷屈服強(qiáng)度與施加壓力成線性正比關(guān)系。最終匯總仿真分析結(jié)果,綜合考慮模具制造、運(yùn)輸、生產(chǎn)使用等因素,確定鵝頸轉(zhuǎn)換接頭每段長(zhǎng)度600mm,能夠承受最大外力約90t(圖3所示為仿真分析施加外力100t時(shí),鵝頸部位要承受屈服強(qiáng)度達(dá)到383MPa,略微大于45鋼最小屈服強(qiáng)度355MPa)。在我單位2,500t折彎?rùn)C(jī)上生產(chǎn),14,200mm長(zhǎng)的范圍內(nèi),整體能夠達(dá)到承受約2,100t的壓力,滿足了目前各類長(zhǎng)大板件的彎曲需要。

        圖3 鵝頸轉(zhuǎn)換接頭強(qiáng)度校核

        6 模具試驗(yàn)與批量生產(chǎn)驗(yàn)證

        6.1 模具試驗(yàn)

        模具制造完成后,使用2,500t折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行折彎試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)中梁制件圖,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和分析,最終確定展開(kāi)尺寸、折彎對(duì)擋線、撓度補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵工藝參數(shù),折彎時(shí)兩道彎分別靠擋進(jìn)行折彎,使制件兩側(cè)同高,兩側(cè)邊成形至直角,如圖4所示。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)件檢測(cè)梳理總結(jié)如下:

        圖4 中梁折彎

        (1)使用R規(guī)測(cè)量工件彎曲圓角為R8mm,符合圖紙,寬度尺寸200mm合格,在料長(zhǎng)度方向中間部位,高度尺寸280mm兩側(cè)不同高,一側(cè)為281mm,另一側(cè)為279mm,在公差范圍內(nèi)。

        (2)工件表面在上模拼接部位,無(wú)明顯的壓痕、錯(cuò)牙。

        (3)目視外觀并使用拉線測(cè)量,工件整體無(wú)明顯扭曲現(xiàn)象。

        (4)上模不便于吊裝,安裝時(shí)存在一定的困難。

        通過(guò)分析進(jìn)行如下改進(jìn):

        (1)折彎前對(duì)工件進(jìn)行調(diào)直,保證其直線度,折彎時(shí)調(diào)整好撓度補(bǔ)償參數(shù),使280mm尺寸在料長(zhǎng)度方向中間部位,兩側(cè)實(shí)測(cè)高度值相差在1mm范圍內(nèi)。

        (2)設(shè)計(jì)制造專用的上模吊具,提升上模安裝的效率,降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

        6.2 批量生產(chǎn)應(yīng)用情況

        根據(jù)試驗(yàn)件生產(chǎn)情況進(jìn)行總結(jié),借鑒試驗(yàn)總結(jié)的展開(kāi)尺寸、折彎對(duì)擋線、撓度補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn),完成了公司出口澳大利亞134輛某型煤炭漏斗車中梁型鋼的生產(chǎn),外觀成形尺寸穩(wěn)定,一致性好,制件質(zhì)量?jī)?yōu)于外購(gòu)型鋼。外采中梁型鋼與板材折彎工藝方法生產(chǎn)的制件實(shí)物對(duì)比如圖5所示。

        圖5 中梁實(shí)物

        綜合批量生產(chǎn)過(guò)程,為便于模具后續(xù)的正確保養(yǎng)和使用,對(duì)操作者進(jìn)行以下方面的培訓(xùn):

        (1)由于上模為鵝頸拼接式結(jié)構(gòu),因此在安裝時(shí)要按照模具上刻打的拼接標(biāo)記序號(hào)1、2、3…進(jìn)行順序安裝,避免拼接處可能出現(xiàn)的錯(cuò)牙問(wèn)題。

        (2)生產(chǎn)的制件變更時(shí),由技術(shù)人員進(jìn)行折彎力計(jì)算確認(rèn),確保鵝頸部位載荷強(qiáng)度不超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后方可使用。

        7 結(jié)論

        (1)通過(guò)公司出口的134輛某型煤炭漏斗車中梁型鋼的生產(chǎn),驗(yàn)證了中梁型鋼使用板材折彎批量生產(chǎn),質(zhì)量?jī)?yōu)于外購(gòu)型鋼,提高了出口車的制造質(zhì)量;同時(shí)也縮短了零部件生產(chǎn)配套周期,便于提高公司制件制造生產(chǎn)計(jì)劃排布的靈活性。

        (2)通過(guò)與外購(gòu)型鋼相比較,中梁型鋼使用板材折彎能夠有效降低成本,該研究可以推廣應(yīng)用在鐵路貨車上側(cè)梁、下側(cè)梁等型鋼的板材折彎生產(chǎn),代替外購(gòu)型鋼,助力企業(yè)經(jīng)營(yíng)提質(zhì)增效目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

        (3)在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)鵝頸拼接式彎曲成形模具進(jìn)行模擬仿真強(qiáng)度校核,代替以往按照理論公式進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算,此方法在今后的相關(guān)模具設(shè)計(jì)中可以借鑒,以提高模具設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及成功率。

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