侧柱制造工艺研究

2022-11-12程大堂王洪义赵淑杰单志鹏中车齐齐哈尔车辆有限公司

钣金与制作 2022年10期

关键词：压机型钢成形

文/程大堂，王洪义，赵淑杰，单志鹏·中车齐齐哈尔车辆有限公司

侧柱是铁路货车敞车侧墙中关键零部件，是侧墙中主要受力件，横截面大多为帽型。该类帽型钢侧柱多为厚度不超过8mm的冷弯型钢，在公司出口铁路货车中，首次采用厚度为12mm的帽型钢侧柱，该侧柱的制造成为该车主要难点之一。

侧柱结构分析

出口铁路货车侧柱的零件图如图1所示，材质为Q450NQR1，数量为4件/辆。该件的制造难点是板材较厚，帽型截面成形非常困难。

图1 侧柱零件图

侧柱制造方案确定

帽型钢侧柱制造方案主要有冷弯型钢方案和折压方案两种。

冷弯型钢方案

冷弯成形是通过顺序配置的多道次成形轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面的型材。利用冷弯成形制成的型钢，称之为冷弯型钢。在我国铁路货车敞车中，从60t敞车到70t敞车，乃至80t敞车，帽型钢侧柱大多采用冷弯型钢。在出口车中，帽型钢侧柱也大多采用冷弯型钢。鉴于此，该车设计初期，设计、工艺、物资三方制定了该帽型钢侧柱采用冷弯型钢的制造工艺方案。

之前的冷弯型钢侧柱，厚度最大为8mm，材料最高屈服强度为450MPa。该侧柱厚度达12mm，材料屈服强度为450MPa，需要新制成形轧辊方能制造。该方案优点主要是产品制造质量稳定，生产效率高。该方案的缺点：一是制造周期长，新制成形轧辊制造周期约1个月，冷弯型钢侧柱制造完成发运到货约1个月，制造周期共需约2个月；二是制造成本高，冷弯型钢每吨价格比钢板高约1500元，该侧柱需要新制成形轧辊，制造成本更高。而该车生产进度急，要求1个月试制完成，之后马上接续批量生产，因此，冷弯型钢方案因生产进度无法保证而被否决。

折压方案

在历史车型中，帽型钢侧柱采用折压制造工艺，侧柱厚度为6mm，材质为Q450NQR1。在侧柱折压内侧第二道弯时，为了避免干涉，必须采用如图2所示的折弯上模，该类型折弯上模称之为鹅颈折弯模，俗称歪脖胎。歪脖胎在折压过程中受力状态较差，有折断趋势，因此采用歪脖胎折压的帽型钢侧柱一般厚度较薄，不超过8mm。歪脖胎的截面形状尺寸的确定一般参考之前折压件，再结合实际生产经验。

图2 歪脖胎折压示意图

出口铁路货车厚度12mm的侧柱在设计之初，曾考虑采用折压方案制造，但因为没有合适的歪脖胎，且历史上从未有采用歪脖胎折压的先例，歪脖胎很可能折断，存在很大安全风险，所以放弃折压方案，采用冷弯型钢方案。

在冷弯型钢方案被否决之后，折压方案重新提上日程，研究分析折压方案的可行性迫在眉睫。折压方案需要新制歪脖胎，生产周期约25天，可满足试制及批量生产的进度要求；折压方案新制歪脖胎需要工装费用4万元，折压侧柱成本较冷弯型钢侧柱每吨低约1000元，完成批量生产可大大降低制造成本，从成本角度分析，具有可行性。

通过以上分析，折压方案成为该侧柱制造的唯一工艺方案。折压方案需要重点解决的问题是设计制造合适的歪脖胎，同时避免歪脖胎折断的风险。

侧柱制造工艺制定

折压机选择

通过分析侧柱零件图，结合折弯下模，利用经验公式计算出弯曲力，然后根据弯曲力选择数控折压机。经验公式为:

P=Kbt2σb/L

式中 P——弯曲力（N）；

b——弯曲件长度（mm）；

t——毛坯厚度（mm）；

σb——材料抗拉强度（MPa）；

L——弯曲支点间距离（mm）；

K——系数（K≈1+4t/L）。

侧柱参数b=2530mm、t=12mm、σb=600MPa、L=100mm，经计算P≈3240000N，即需要324t弯曲力，因此选择的数控折压机额定折压力应大于324t。

侧柱长度为2530mm，因此选择的数控折压机有效折弯长度应大于2530mm。

侧柱重量较重为102.23kg，因此应考虑配备相应工装，减轻操作者劳动强度。

综合以上因素，我们选择500t数控折压机。该折压机额定折压力500t，有效折弯长度5m，配有液压升降平台。

歪脖胎设计

利用计算机Creo软件设计歪脖胎，将侧柱作为设计参考基准，将侧柱整体旋转至内侧第二道弯的角平分线竖直位置，该角平分线即为歪脖胎的压力中心线，考虑侧柱回弹，按此进行歪脖胎截面形状设计。同时为方便操作者拆换歪脖胎，歪脖胎应进行分块设计，分块数量不能太多，每块重量又不能太重。

对设计出的歪脖胎模型进行有限元模拟分析，计算出歪脖胎在折压中的应力分布图，最大应力须小于歪脖胎材质的屈服强度，按此进行歪脖胎强度校核。

按以上过程，经反复修正后，得出一合理的歪脖胎，既拥有足够强度，安全可靠，又可轻便拆换。设计及强度校核示意图如图3所示。

图3 歪脖胎设计及强度计算示意图

侧柱生产现场工艺控制

根据侧柱零件图，依据中性层理论，计算出展开尺寸及每道弯的折压线尺寸。歪脖胎制造完成后，安装到数控折压机上，根据展开尺寸及每道弯的折压线尺寸，划线折压。折压第一道弯时逐步增大折压力，直至能折压成形为止，根据数控折压机实际折压力与经验公式计算出的折压力进行对比，验证经验公式准确性。当折压力设置为300t时，可折压成形，验证了经验公式较为准确，为了提高折压效率，实际生产中折压力设置为400t。记录每道弯折压时对挡尺寸数据，折压时使用样板检测折压角度及形状。侧柱试制折压完成后，检查各尺寸，验证展开尺寸及每道弯的折压线尺寸准确性，根据修正后的数据，调整每道弯折压时对挡尺寸数据，并进行记录备案。批量生产时，调用试制的参数，对挡折压，如图4所示，大幅提高了生产效率，圆满完成200辆阿根廷焦炭敞车的生产任务。