铁路货车轴箱密封窗骨架冲压工艺优化

白山虎+陈明丹

摘要：以某铁路货车轴箱密封窗骨架为研究对象，针对其在冲压生产时翻边的圆角区域容易产生破裂的问题，基于手册资料进行初步分析，采用有限元法着重对展开进行数值模拟，得出合理的展开形状并制定冲压工艺方案.

关键词：铁路； 货车； 轴箱密封窗骨架； 补面； 曲面翻孔； 展开； 划伤； 优化

中图分类号： TG386

文献标志码： B

Abstract：Taking the axle box sealing window frame of a railway freight car as the research object， as to the problem that the cracks often occur at the fillet area with flanging during the stamping production， the initial analysis is performed on the basis of manual book， the unfolding is numerically simulated by finite element analysis method， and a reasonable expansion shape and a rational stamping process scheme are obtained.

Key words：railway； freight car； axle box sealing window frame； fill surface； curved surface burring； unfolding； scratch； optimization

0 引 言

冲压工艺优化目的是实现快速、高效生产，尽可能地缩短调模时间，其本质是对冲压成型过程中较活跃的因素进行优化调整，进而控制金属流动的方向，使其在模具调试之前优先掌握最佳的工艺参数.本文以轴箱密封窗为研究对象进行工艺优化.该件为圆弧曲面翻边结构，采用奥氏体304不锈钢材质，材料参数见表1.[1]翻边高度20 mm，圆角过渡区域翻边圆角半径R=20 mm，见图1.

1 工艺分析

为保证翻边高度的一致性及均衡各方向的进料阻力，在预弯工序设置工艺筋，并制定初步的工艺方案为下料→预弯→翻边→翻孔→落料→加工，见图2，其中翻孔工序为难点工序.

针对翻孔工序，首先查找手册资料，通过异性翻孔系数进行分析，由于未找

到圆弧曲面翻边的相似工况，为借鉴现有的翻孔经验值，先简化为平面翻孔问题.翻孔的变形程度通常以翻孔前孔径d与翻孔后孔径D的比值k来表示，也就是所谓的翻孔因数k=d/D.参照文献[2]，不锈钢极限翻孔因数参考值为kmin=0.61～0.57.由于是在圆弧面上翻孔，一侧翻孔为90°，而另一侧小于90°，这种结构会使翻孔开裂趋势得到减缓，所以取kmin=d/D=0.57.同时，由于与圆弧相邻的部分直边相当于折弯，直边对圆弧区翻孔具有一定的减载作用，允许比相应圆孔翻孔因数小，一般取（0.85～0.90）k[2]，即k=0.85×kmin=0.48.翻孔高度为20 mm，由d/2+20=D/2，可得D=77 mm，也就是说翻孔圆角至少应为38.5 mm.该件圆角R=20 mm，从翻孔因数来分析，该件的翻孔是不可实现的.

参考翻孔变形程度公式E=L边-L周长，即从翻边后边缘被拉长的变形程度考虑，减小E值，见图3.优化的方向应该是尽量缩小翻边前、后边缘长度差，减小LR以增大翻孔前的轮廓线长度.为此依次采用R为5，10，15，20，25，30，35 mm作为展开圆角的7种方案，并通过有限元数值模拟计算最大减薄率α，见表2.

2 展开优化

当R=25时，材料的流动走向见图4.因L2边材料流动是平直的，故优化时无论局部增加或减少都会反映在零件上，不宜改动；L1边材料流动是斜向的，对圆角区翻孔贡献很大.根据应变路径图可把翻孔后最薄位置追踪到展开坯料位置，首先考虑降低该位置局部高度，兼顾直壁边对翻边的减载作用及降低高度位置，与L1边采用大圆弧过渡，否则极易降低直壁对圆角区域补料能力，对翻孔不利.

在有限元分析时，翻孔的边缘为理想的无缺陷状态.在实际生产中，其翻边内孔加工方法与翻孔是否能实现有很大关系，如果翻孔位置为冲裁断面，其撕裂带在拉应力的作用下很容易产生初始裂纹源，而使翻孔提前开裂.[3]

按图1的要求加工20×φ2的铆钉孔及10个4×9长圆孔.经分析计算，长圆孔均需翻孔后加工；当铆钉孔翻孔压边力为1 t时，图1中1～4圆圈选中的4组铆钉孔有轻微变形；当铆钉孔翻孔压边力大于2 t时，可消除铆钉孔变形.因此，可在下料时直接把铆钉孔切割出来，这样可避免翻孔后在曲面上立体加工铆钉孔（立体加工孔不仅难度较大，且精度不易保证）.

3 模具设计要点

3.1 模具结构设计

为降低成本，可将图2工艺流程图中的预弯和翻边工序用一套模具实现，但应注意以下几点.

1）保证预弯后实施翻边.在预弯未完成的情况下，翻边凸模不要接触工件.也就是说，在工艺拉筋未成形前，翻边凸模与板料接触会使工艺拉筋失效，造成板料串动，致使无法正常翻孔.

2）预弯与翻孔整合到一套模具.因为预弯后还要有翻孔的动作，本质上减少预弯工序的敦实动作，所以在模具设计过程中，为保证行程一方面要使用大节距弹簧，另一方面在翻孔上模未接触板料之前，要保证弹簧的合力至少在1 t以上.

3.2 工件划伤控制

不锈钢材质在变形过程中会释放变形热，若不及时导出，其与模具钢接触会产生黏结，损伤工件表面，宜采用导热性能好的材质做模具的翻边镶块.

4 结果分析

在轴箱密封窗骨架的优化过程中，通过查找现有资料，用翻孔因数的经验计算作为判据，该件的翻孔是不可实现的，而经过有限元计算和现场试验，最后证明是可行的，所以必须认同这样的观点，即特定的研究对象在资料中找到完全匹配的工况非常困难.从本文的翻孔因数推理中进行各种简化，势必对准确度有很大让步，从图6和7中可以看出应用有限元法可以做出与实际工况最匹配的分析过程.

5 结束语

冲压成型过程本身就是大位移、高度非线性的过程：[4]首先，冲压件的形状靠塑性变形获得，而要获得塑性变形必然需要超过材料的屈服强度才能获得，在屈服到拉裂的过程中，应力和应变是非线性的；其次，冲压成型过程伴随边界条件和位移的非线性.板料成形本身的非线性问题不能用线性思维去解决.控制板料成型参数的落脚点是控制板料的流动，同时，板料的流动过程必然遵循最小阻力定律，也就是说在变形的过程中，板料总是“寻找”阻力最小的路径先变形，只有融会贯通才能孕育出合理的模具结构.

参考文献：

[1] 刘凡， 江楠， 张文建， 等. 国产奥氏体不锈钢06Cr19Ni10（S30408）拉伸试验研究[J]. 压力容器， 2011， 28（4）： 7-11. DOI： 10.3969/j.issn.1001-4837.2011.04.002.

LIU F， JIANG N， ZHANG W J， et al. Research on the test of homebred austenitic stainless steel 06Cr19Ni10 （S30408）[J]. Pressure Vessel Technology， 2011， 28（4）： 7-11. DOI： 10.3969/j.issn.1001-4837.2011.04.002.

[2] 中国铁路机车车辆工业总公司. 冲压模具设计手册[M]. 北京： 中国铁道出版社， 1996： 237-246.

[3] 许可. 影响钢板冲压成形极限因素的研究[J]. 机电产品开发与创新， 2007， 20（4）： 20-22. DOI： 10.3969/j.issn.1002-6673.2007.04.009.

XU K. Research on the infection of factor of steel sheet stamping limits[J]. Development & Innovation of Machinery & Electrical Product， 2007， 20（4）： 20-22. DOI： 10.3969/j.issn.1002-6673.2007.04.009.

[4] 林忠钦. 车身覆盖件冲压成型仿真[M]. 北京： 机械工业出版社， 2004： 32-33.

（编辑 武晓英）