客车边顶板冲压工艺及模具设计

2021-05-06马冬莉李宝旺

模具工业 2021年4期

马冬莉，李宝旺

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山 063035）

0 引言

随着国内轨道车辆的快速发展，传统的车辆生产模式难以满足现代工艺发展的潮流，为了提高轨道车辆车体质量，保证行车安全，车辆生产质量受到越来越多的企业关注[1]。某客车内边顶板如图1所示，材料为Q195A、厚度为5 mm，屈服强度为195 MPa，抗拉强度为315～430 MPa，延伸率为33%。成形后要求各表面平整，不允许存在划痕、皱纹、裂纹、凹坑、塌陷等缺陷。通过对制件的冲压工艺进行分析，采用DynaForm软件的BSE模块计算制件的展开尺寸，设计了1副边顶板复合成形模。

图1 边顶板结构

1 成形工艺分析及方案确定

由图1可以看出，边顶板的结构特点为：厚度薄、尺寸多、形状复杂（存在多处弯曲，其中周边3个边的阶梯成形与纵向弯曲方向垂直）。制件的成形难点主要在于阶梯成形与纵向弯曲成形的交汇点处，若处理不好，交汇点处会产生放射性波纹，影响制件的表面质量。

制件成形有3种方案，每种方案均分两步完成。

方案1：利用1副模具一次压制成形，其原理是利用双动液压机的滑块动作实现凸模与凹模镶件的运动，分2次完成制件的成形。此方案必须在双动液压机上进行。

方案2：利用2副模具成形制件，第1副模具弯曲制件纵向的2个角度，第2副模具以第1次弯曲的2个弯曲边为定位基准，进行制件周边的成形。此方案生产效率低，前后2次成形定位基准不统一，容易导致纵向弯曲方向和周边的阶梯不垂直，并且2副模具增加了制造成本。

方案3：利用1副模具进行复合成形，此方案原理同第1种方法，只是将双动液压机滑块的2个动作通过改变模具结构来实现。

企业现有大型成形设备只有1 250 kN单动液压机，结合制件数量和设备负荷，确定采用第3种成形方案，但是模具结构复杂，制造难度较大。

2 制件展开尺寸计算及验证

DynaForm软件的BSE模块基于全增量理论，假定制件的整个成形过程是按比例加载，仅考虑最初的形状和变形完成后的最终形态，而不分析中间的变形状态。此方法计算时间短，需要建立的分析模型相对简单，因此广泛应用于制件的成形分析[2]。按照二维图纸在CREO中建立边顶板的三维模型，另存为.igs格式并导入DynaForm，在BSE模块中抽取中间曲面进行网格划分，如图2所示。通过计算得到边顶板的初始展开尺寸，并导入AutoCAD软件。利用初始展开尺寸激光下料，采用边顶板复合成形模成形。成形后测量发现制件四周翻边尺寸偏大，最大的部位偏大约2 mm，通过对展开尺寸不合适的位置进行增减及拟合，得到边顶板最终的展开尺寸如图3所示。

图2 边顶板网格

图3 修正后边顶板展开尺寸

3 模具结构设计及工作原理

3.1 模具结构

图4所示为边顶板复合成形模结构。为缩短模具制造周期，降低生产成本，该模具除上模座、凸模、上模镶件、凹模镶件、托料板和下模座外，其余均采用标准件。同时为便于模具后期维修，模具工作部位采用镶拼结构设计，即3个边的阶梯成形和纵向弯曲是在相互独立的凸凹模中完成。成形时，为使落料件定位准确，模具设计了可调的定位装置，且周圈定位。

图4 模具结构

3.2 工作原理

模具工作过程如下：液压机上滑块带动上模座上行，使上模和下模分离，同时液压机液压垫通过顶杆将托料板顶起，使托料板上平面与凹模镶件在同一个平面上，以便放置坯料。将激光切割好的坯料放在托料板和凹模组成的平面上，采用定位板定位。液压机上滑块带动上模下行，在导向组件6的作用下，凸模首先与板料接触，进而与托料板夹紧板料并带其下行。下行过程中由于弹簧的初始预压力大于液压机液压垫的液压力，此时弹簧不变形，首先进行纵向弯曲成形。当托料板到达最低位与限位块接触时，纵向弯曲成形完成。上模座在液压机滑块的带动下继续下行，在下模座的作用下托料板凸模施加一个反向力，使其具有相对上模座向上运动的趋势，凸模克服弹簧的初始预压力压缩弹簧，在上模镶件与凹模镶件共同作用下完成周边的阶梯成形；成形结束后，滑块带动上模上行，然后从模具中取出成形的制件。

3.3 模具设计要点

3.3.1 模具零件材料的选择

模具零件材料的选择对模具使用寿命具有决定性作用，由于成形制件尺寸较大，模具工作部位的尺寸也较大，结合产量要求，为降低制造成本，模具工作部位采用镶拼结构设计，尺寸较大的模具零件材料为铸Mo-Cr，如凸模，尺寸较小的模具零件材料为T10A，如上模镶件。

3.3.2 模具工作部位设计

模具工作部位设计是复合成形模设计的重要环节，影响制件的成形形状、尺寸、精度、成形力和回弹等，其设计是否合理对解决成形过程中缺陷起着决定性作用[3,4]。

（1）凸模采用整体式结构，通过弹簧和卸料螺钉与上模座连接，并能与上模座相对运动。为防止凸模上、下运动时方向发生偏移，根据凸模形状在其周边安装自润滑耐磨板进行导向。

（2）为节省材料，上模镶件和凹模镶件分别采用分体式结构，通过螺钉分别与上、下模座固定，凹模镶件按照制件外形设计成阶梯形状。

（3）托料板采用整体式结构，通过卸料螺钉与下模座连接，通过顶杆作用能与下模座相对运动。为防止托料板上、下运动时方向发生偏移，在四周安装6块自润滑耐磨板进行导向。

3.3.3 模具零件间隙和通气孔

模具工作零件的间隙是成形过程最重要的参数，其大小对成形力、回弹和制件成形质量有重要影响。间隙过小时，所需的成形力大，模具零件损坏加剧，且容易擦伤制件表面或使制件变薄；间隙过大时，成形后制件回弹大，降低制件尺寸与形状精度。因此设计模具时需要选择合理的间隙[3]。

由于制件成形时紧贴凸模，而外形最大处由凹模成形，根据制件的公差要求，以凹模为尺寸基准，对凸模进行适当调整，其单边间隙取1.1t（t为料厚）。

通气孔的作用是便于脱模，且防止制件底面不平。对于非圆形件，可以设置2个及以上的通气孔，应将通气孔设置在易清理的位置，避免被润滑剂和赃物赌塞[4]。

3.3.4 导向装置设计

传统模具中，凸模与上模座、托料板和下模座之间没有导向装置。对于非对称件，容易在成形时发生偏移，导致制件棱线滑移，出现扭曲变形现象。

边顶板为非对称制件，成形时凸模与托料板受侧向力，为确保成形过程中模具零件位置准确、制件不发生偏移，在凸模四周安装8块自润滑耐磨导板与上模座导向，托料板四周安装6块自润滑耐磨导板与下模座导向。成形过程中上、下模座为凸模和托料板提供有效的支撑，确保制件无偏移。自润滑耐磨导板具有定位准确、导向精度高的特点。

3.3.5 弹簧的选择

为实现制件先成形纵向弯曲，再成形周边阶梯，凸模与上模座间的弹簧需要克服纵向弯曲的成形力和托料板对制件施加的压力，因此弹簧必须保证有足够的压料力完成纵向弯曲。

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

式中，Pz——材料在冲压行程结束时的自由弯曲力，N；B——弯曲件的宽度，mm；t——弯曲件的料厚，mm；σb——材料的抗拉强度，取350 MPa；r——内弯曲半径，mm；K——安全系数，一般K取1.3[4]。

压料力：Q=0.3Pz=0.3×104 378=31 313.4 N

弹簧需要克服的成形力和压料力总和：P=Pz+Q=104 378+31 313.4=135 691.4 N

弹簧选用型号为TB60×80的扁线螺旋弹簧，弹性系数为882 N/mm，最大压缩量为16 mm，数量为33个，预压5 mm。制件深度最深为9 mm，16-5=11 mm＞9 mm。弹簧总弹力：F弹=33×5×882=145 530 N＞135 691.4 N，弹簧满足使用要求。