冲压模具/锻压/冷镦模具 |
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为铁路货车装货口盖成形工艺及模具设计 |
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作者:齐齐哈尔铁路车辆集团 高广军 |
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摘要:分析了装货口盖成形工艺性,并进行了理论计算和模拟验证,由此制定了该工件的成形工艺、模具设计方案。
关键词:工艺分析;起伏成形;数值模拟;模具设计
1 前言
我公司作为铁路货车出口基地,在出口车市场上占有相当大的份额,澳大利亚粮食漏斗车是我公司继2000年以后又一次向西方发达国家出口的铁路货车。装货口盖(图1)是该车的重要外覆盖件,生产数量多、质量要求高。工件材质09CuPCrNi,是铁路货车常用的耐侯钢,具有良好的抗腐蚀性和较高的强度,但它的成形性能比08-F或Q235要差一些。从产品结构上看,零件中部加强筋是典型起伏成形,而两侧则是弯曲成形。从近年来我厂生产实践验证,该类材料屈服强度较高、塑性较差,成形时容易出现破裂、翘曲等质量问题。
2 成形工艺分析及工艺计算
起伏成形是一种使材料局部区域发生变形、拉薄,造成局部凹进或突起,来改变毛坯形状的冲压加工方法。这种方法提高了工件自身的刚度,而且使工件的外形美观,同时工件在组装焊接时,抗热应力变形的强度也得到提高。
装货口盖成形的难点就在于中部加强筋的成形,主要有两个方面的问题:其一是由于板料变形产生拉薄,加上塑性较差,极易导致成形部位破裂;其二是成形时,材料流动的速度和方向不一样,工件内部应力分布不均匀,造成板料失稳起皱、翘曲。而且后者靠增加工序等手段是很难修复的。
2.1 成形极限判断
首先,根据加强筋的形状和材料性能,计算材料在一次成形工序中的极限伸长率(图2)即:由此可确定,装货口盖加强筋可以一次成形。
2.2 压边力的计算
装货口盖加强筋起伏成形时,在筋端头处,板料要向凸筋流动,以补充材料的不足。这样在筋端头部分的材料应力状态与椭圆形件拉深相似,径向产生拉应力,切向产生压应力。如果不用压边,该处将会失稳起皱。其压边力:从计算结果看,所需的压边力较大,应该采用设备驱动压边。
2.3 成形数值模拟及工艺方案的确定
我厂自2000年初开始实施“铁路货车产品开发并行工程”以来,现已装备了数值模拟软件--Dy-naform。它是由ETA公司研制的基于LS-DANA的饭金冲压仿真分析系统的专业CAE软件,是专门处理板材成形有限元分析的数值模拟系统。
基于工艺计算结果,在计算机上利用冲压成形数值模拟系统Dynaform进行了成形模拟分析。分析结果的应力云图见图3。从数值模拟分析结果看,在压边力的作用下,加强筋端头的褶皱基本消除,但在工件长边的两侧出现较大的波浪翘曲现象。主要是由于在压筋时,每个加强筋端头成形致使板料产生的内应力相互作用,从而出现波浪翘曲现象,直接影响后序侧边弯曲。
通过数值模拟分析,可以预知,采用先压加强筋,再进行两侧长边折弯的工艺方法会产生难以修复的质量问题。
考虑到工件两侧是弯曲成形,可以采用复合工序的手段,利用双动压力机,先完成工件两侧的弯,然后再压加强筋(图4所示)。这样第一个动作完成了工件的弯曲成形,又负责压筋时的压边,尤其是在完成弯曲成形后,工件的弯曲部位起到了拉延坎的作用,两道拉延坎的阻力再加上第一个动作设备自身的压力,完全阻止了工件长边两侧材料的流动,使加强筋两端成形完全处于胀形状态。另外由于弯曲成形在先,增加了工件的自身刚度,阻止了压筋时导致的翘曲现象。3 模具设计
前文已经确定了装货口盖冲压成形的工艺方案。下面将介绍复合成形模具的结构设计。在模具设计时,适当减小压筋凹模的圆角r,r=2t(t为板厚),第一是考虑压筋凹模的圆角较易磨损,减小凹模圆角可以预留磨损量,第二是使筋在不破裂的前提下,使加强筋的轮廓更加清晰、美观。另外压筋是靠凸模和凹模圆角成形,所以在压筋凸模下方的凹模部分采用镂空方式,以避免成形时出现干涉现象。
实践证明,压筋同样存在回弹现象,这里的回弹是指压形后加强筋的实际高度值,要比设计凸模高度值小。为了保证筋的尺寸,压筋凸模高度取16mm。
在第一个动作弯曲成形时,为了提高成形平面度、减小弯曲回弹,采用弹性压料,弹性压料装置在全部成形终了时,兼作卸件器。压筋凹模镶在压料板上。
模具主要结构见图5。模具工作过程如下:
弯曲上模下行,接触板料,并在压料板的作用下压紧板料,弯曲七模继续下行,完成弯曲成形后负责压紧坯件。压筋上模下行,压筋凸模接触坯件,压筋上模继续下行,完成加强筋胀形。压筋上模上行,弯曲上模上行,压料板在弹簧力的作用下将工件顶出弯曲凹模。至此,完成工件的全部成形。4 结束语
通过对装货口盖成形工艺分析,对可能出现的质量问题作了预测,找到了较为可靠的复合工艺方法,利用弯曲成形来抑制或改善压筋的质量缺陷,同时也简化了工艺过程,提高了生产效率。
模具投人使用后,顺利完成了澳大利亚粮食漏斗车装货口盖的压制工作,工件外观光滑、棱线清晰,无开裂、无翘曲。可以认为,装货口盖冲压成形工艺分析及模具结构设计,对铁路货车生产中的类似覆盖件成形,都有借鉴价值。(end)
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(7/12/2005) |
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