立體連接板的成形工藝與模具設(shè)計

呂浩源，宋連芹

（長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

0 引言

圖1 所示立體連接板，是新型城軌客車側(cè)墻立柱與車頂邊梁和底架邊梁之間的重要連接件，其左視圖投影為扇形，主視圖（沿側(cè)墻縱向看的安裝位置）方向為大圓弧曲面，而曲面法向橫斷面剖視圖為禮帽型。該零件大端與上、下邊梁搭接焊，小端與側(cè)墻立柱對接焊，R9982 曲面要求與外墻板貼合，故其形狀尺寸的好壞直接影響車體組成的焊接強度。該零件材質(zhì)為X2CrNiN18-7 不銹鋼[1]，材料厚度t=3mm，抗拉強度σb=650MPa，屈服強度σs=380MPa，延伸率δ=40%。

圖1 連接板零件圖

因為零件的形狀比較復雜，上、下端開口且不對稱，單件成形時存在沖壓方向難以確定、模具側(cè)向力難以平衡、制件形狀尺寸難以保證等問題，所以需要采取合理的工藝措施和特殊的模具結(jié)構(gòu)，才能保證零件的順利成形。

1 成形工藝分析與工藝方案的確定

1.1 工藝分析與制件圖設(shè)計[2-3]

因零件帶有R49 曲面凸緣，而R85 處類似于筒形件，所以首先確定需要采用拉深工藝來進行成形，而且應以R85 柱面的軸線方向為沖壓方向。因零件左右對稱（從左視圖看）而上下不對稱，為使拉深過程中模具的水平分力對稱平衡，以便簡化模具結(jié)構(gòu)并有利于坯料的定位和成形，應將零件在上下方向做鏡像，兩件拼合一次成形。為保證R49 凸緣處拉深時不開裂，兩件拼接處除留夠剖分余量外，還應增加適當?shù)墓に囇a充料。因拼合后制件的上下端仍為開口狀態(tài)，拉深時R9939 曲面易出現(xiàn)起皺問題，為保證R9939 曲面的成形質(zhì)量，應在制件的兩端頭設(shè)置拉深檻來增加阻力。為簡化模具結(jié)構(gòu)，現(xiàn)將兩端頭補充為與B-B 剖面相似的帽型結(jié)構(gòu)，并將凸緣面設(shè)計成與R9982 在同一柱面內(nèi)。通過以上分析研究，設(shè)計了成形工序的制件圖，如圖2 所示。

圖2 成形工序制件圖

1.2 工藝計算與坯料圖設(shè)計[4-5]

（1）因為本工序制件在橫向的伸長量不大，所以坯料的總長尺寸可以在制件圖橫向?qū)ΨQ剖面內(nèi)，按純彎曲變形來展開計算，取整后為540mm。

（2）同樣道理，制件圖中部的坯料寬度也可以在B-B 剖面內(nèi)按純彎曲變形來展開，取整后為200mm。而制件橫頭內(nèi)側(cè)四角處的展開，可以取與B-B 剖面展開后距R85 圓心相等的尺寸。

（3）坯料的總寬尺寸不能僅考慮增加修邊量，還應充分考慮在R85 的筒形面成形時，因相鄰區(qū)域材料轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的收縮。根據(jù)以往內(nèi)曲翻邊件的經(jīng)驗，自由端向內(nèi)的收縮量可達20mm～30mm（模具驗證實測的收縮量約 25mm），按保守估算每端增加40mm，將坯料的總寬尺寸定為320mm。

（4）四處R85 的筒形面合在一起，恰好相當于一個 ?170 的筒形件擴孔翻邊，且 0≤d0＜20。從 R85的弧段中點到其圓心做一連線，再從R85 的圓心做直徑為d0的圓，以二者交點為 R45 圓弧邊中點的徑向展開點，再過此交點做d0圓的切線，做一圓弧與兩側(cè)的直線展開邊及切線邊均相切，如此先求得初始坯料展開圖，如圖3 所示。

圖3 初始坯料圖

取d0=0，則過渡圓弧半徑R0≈34mm。然后參照內(nèi)孔翻邊時的應力應變狀態(tài)分析并按內(nèi)側(cè)自由端向中心收縮20mm 來驗算危險邊緣的延伸率，得到δ=（l-l0）/l0×100%≈（187-141）/141×100%≈33%（按四分之一邊長計算），小于δmax=40%的材料極限延伸率，滿足邊緣的拉伸條件，故工藝方案可行。如取d0=20 才能滿足邊緣的拉伸條件，則表明R45 凸緣面將因缺料而無法成形，工藝方案失敗。

通過以上的分析計算和之后的模具驗證調(diào)整，確定了最終的坯料展開圖，如圖4 所示。

圖4 最終坯料圖

1.3 完整工藝方案的確定[6]

拉深力的估算：P=kLtσb≈1×1712×3×650 ≈3338.4（kN）

壓邊力的估算：Q=Fq≈72218×4.5≈325（kN）

退件力的估算：P1=kP=0.01×3338.4≈33（kN）

機床噸位選擇：P總=P+P1+Q=3338.4+33+325=3696.4（kN）

按 P總≤（0.7～0.8）P壓的條件，最小可選擇 5MN的壓力機，但綜合考慮模具的結(jié)構(gòu)尺寸要求、工件的成形特點和企業(yè)的現(xiàn)有設(shè)備情況，決定在8MN 液壓機上進行成形。

零件完整工藝流程為： 激光切割下料→模具拉深成形→等離子分割→鉚工調(diào)修型面→機加工外輪廓。

2 拉深模具的設(shè)計

2.1 模具的結(jié)構(gòu)特點

根據(jù)連接板組合體的工序圖，設(shè)計了拉深模具，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。為一套凸模在下、凹模在上、帶有曲面壓料板的拉深模?？紤]到模具的尺寸較大，采用了四個導柱來為上、下模導向；為獲得相對穩(wěn)定的壓邊力，下模采用了機床氣墊力壓邊；考慮到工件的外輪廓需要機加工，定位精度要求不高，為簡化模具結(jié)構(gòu)，在壓料板與凸模之間未采用精確的導向，而是留有1mm 的單邊間隙，以保證壓料板的順利升降；上模采用了彈簧力來退件。因工件的材料厚度較大，強度較高，為保證模具的耐磨性，避免或減輕制件的劃痕，凸、 凹模組成及壓料板鑲塊均采用了淬透性好、硬度高、變形小的Cr12MoV 合金模具鋼[7]。

圖5 連接板拉深模

2.2 模具的工作過程

首先設(shè)定好氣墊的壓邊力，然后通過托桿14 升起壓料板10，使壓料板鑲塊的最低點高于凸模組成13 的最低點10mm 以上，再將涂好拉深油的坯料放到壓料板鑲塊上11，靠緊三處擋料銷15 來定位。開動機床使上模隨滑塊下行接觸坯料，利用機床的氣墊力通過曲面壓料板和凹模組成9，首先對R9982大圓弧面進行彎曲成形，然后上模繼續(xù)下行，凸模組成13 接觸坯料，開始拉深過程，當上、下模完全閉合時工件的成形即告完成。開啟機床使上模隨滑塊上行，當凹模完全脫離凸模后，在退料彈簧7 恢復力的作用下，通過退件板8 將工件從凹模內(nèi)退下，之后隨著壓料板的再一次升起而脫離凸模，然后由上料方向的同一側(cè)取出成形好的工件。如此循環(huán)操作來進行批量生產(chǎn)。

2.3 模具的調(diào)試過程

（1）模具尺寸的調(diào)整。最初的凸、凹模尺寸，是以制件圖外表面尺寸為基準，將間隙開在凸模上的。凸、 凹模型腔的高度尺寸也是按制件圖名義尺寸設(shè)計的。在模具驗證過程中，發(fā)現(xiàn)制件的實際槽型斷面，寬度縮小0.7mm～0.8mm，高度縮小 0.4mm～0.5mm。于是重新更換凸模并修改凹模，改為以制件圖內(nèi)表面尺寸為基準，將間隙開在凹模上，同時將凸、凹模型腔的高度尺寸加大0.5mm，從而保證了制件的尺寸。

（2）模具間隙的調(diào)整。最初設(shè)計的凸、凹模單面間隙，各處均采用了Z=1.1t。在模具驗證過程中，發(fā)現(xiàn)R85 筒形面?zhèn)缺谏嫌休p微擦傷，于是將四處R85圓弧部分的間隙加大到Z=1.15t，擦傷隨即消除。雖然筒形面的斜度略有增大，但因此處不與其他零件配合，產(chǎn)品圖上沒有斜度要求，故可不作處理。

（3）壓邊力的調(diào)整。參照理論計算值，通過增大和減小壓邊力的對比試驗，發(fā)現(xiàn)當壓邊力過大時，立面和凸緣面的劃痕較為明顯，而當壓邊力過小時，頂面和凸緣面的平度就會變差。最后確定了保證制件成形效果和表面狀態(tài)最佳的壓邊力為：Q=300kN。

經(jīng)以上調(diào)整后，所沖壓的制件已基本達到了技術(shù)要求，只是與側(cè)墻立柱對接的帽型斷面有約1mm的敞口和R49 凸緣面有約1mm 的上翹。通過鉚工簡單調(diào)修后，即可得到完全合格的制件。機械加工后的成品零件，如圖6 照片所示。

圖6 成品零件照片

2.4 模具的設(shè)計要點

（1）由于零件材質(zhì)塑性較好，帽型斷面的上、下圓角R8 均可一次拉深到位，無需再進行二次整形。

（2）由于凸模局部斷面小而高度大，必須采用分塊組合的形式，以便于機械加工和熱處理淬火。

（3）由于凸模局部斷面小，其與凸模座之間的定位，不適合柱銷結(jié)構(gòu)，設(shè)計上采用了鍵槽結(jié)構(gòu)。

（4）因工件的成形是分步進行的，坯料先進行彎曲然后再進行拉深，故R9982 大圓弧面的回彈量很小，可以忽略不計，相關(guān)各曲面圓弧半徑均按制件圖尺寸設(shè)計。

（5）為了保證R9982 大圓弧面的成形效果，應保證退件板完全彈開時，其下表面最低點不超出凹模組成的最低點，以防止坯料因局部受力而先產(chǎn)生翹曲。

3 結(jié)束語

通過本例的實際生產(chǎn)驗證，表明形狀較為復雜的立體連接板，通過合理的工藝組合和正確的分步成形，完全可以在一套拉深模上，經(jīng)一次成形而得到理想的制件。這一成功的實例，可以借鑒到具有類似結(jié)構(gòu)的復雜成形件的工藝方案上。

[1]董曉萍.歐洲標準——不銹鋼BS EN 10088-2：2005.上海晨輝公司，2005.

[2]洪慎章，周 琦.不銹鋼儀器盒拉深成形工藝[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，39（3）.

[3]張 穎，王義林.汽車覆蓋件成雙沖壓工藝方法的研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（2）.

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[6]賈玉申.沖壓模具設(shè)計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[7]張絲雨.最新金屬材料牌號、性能、用途及中外牌號對照速用速查實用手冊.北京：中國科技文化出版社，2005.