箱型體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝創(chuàng)新研究

吳永鵬，馮 戰(zhàn)，吳婧儀，沈 建

（1.中車資陽機(jī)車有限公司，四川 資陽 641300；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 都江堰 611800）

0 引言

箱型鋼結(jié)構(gòu)制作中的最大難點(diǎn)就是變形控制[1]，因此在加工過程比較關(guān)鍵[2]。在機(jī)械制造行業(yè)中箱型體產(chǎn)品的成型，主要采用拼接組裝成型工藝，但這存在有生產(chǎn)效率低，焊接組裝時(shí)產(chǎn)品變形大、質(zhì)量差等缺點(diǎn)。為了提高箱型鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，研究人員進(jìn)行了許多的研究。章文輝[3]等進(jìn)行典型工況下的極限強(qiáng)度非線性有限元分析。就此提出一種通用的多浮體結(jié)構(gòu)物極限強(qiáng)度的組合箱型梁計(jì)算方法。劉云鴿[4]等利用工裝安裝制作開式箱體多孔襯套的加工方式，將鉚焊技術(shù)與機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行巧妙的結(jié)合，使制作流程更加緊湊、工序縮減、制作周期更短、加工難度降低。常洋洋[5]對復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)壁板箱型梁制備技術(shù)與彎曲性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，采用了新工藝后整體成型箱型梁的彎曲載荷/質(zhì)量比提高130.9%，彎曲剛度/質(zhì)量比提高了105.3%。以上研究結(jié)果表明箱型鋼結(jié)構(gòu)通過采用先進(jìn)的生成工藝及材料后，產(chǎn)品的生成效率及產(chǎn)品質(zhì)量顯著提升，生產(chǎn)成本顯著降低。

以往對機(jī)車砂箱的生產(chǎn)都采用拼接成型或折彎成型。拼接成型是按照設(shè)計(jì)要求先將鋼板切割，再將切割好的鋼板焊接，最終生產(chǎn)出機(jī)車砂箱。采用拼接成型生產(chǎn)工藝有過程復(fù)雜，流程時(shí)間長，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品質(zhì)量低、產(chǎn)品不美觀等缺點(diǎn)。折彎成型雖然沒有拼接成型的上述缺點(diǎn)，但是普通折彎機(jī)行程較短，折彎成型只能對尺寸較小的砂箱進(jìn)行生產(chǎn)，無法滿足尺寸較大砂箱的生產(chǎn)。中車資陽機(jī)車有限公司在生產(chǎn)7200 kW 電力機(jī)車的砂箱過程中，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，不允許用拼接成型工藝。同時(shí)，大功率電力機(jī)車的砂箱體型較大，砂箱高度已大大超出了折彎機(jī)的行程，所以也無法采用折彎機(jī)折彎成型的生產(chǎn)工藝。為了滿足生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，我們對公司現(xiàn)有的壓力機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。壓力機(jī)的行程較大，其行程大于7200 kW 電力機(jī)車的砂箱高度。在壓力機(jī)的上端加裝了施壓刀具，在壓力機(jī)的下端加裝了成型模具。充分利用了壓力機(jī)行程大，壓力大的優(yōu)勢。通過對壓力機(jī)的改進(jìn)，滿足了7200 kW 電力機(jī)車砂箱的生成要求。在實(shí)際生成過程中，完全克服了拼接成型和折彎機(jī)成型的缺點(diǎn)。

1 折彎機(jī)、拼接成型工藝問題分析

對于箱型體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品成型，以往工藝是在折彎機(jī)上進(jìn)行整體折彎成型，或者采用拼接成型工藝。折彎機(jī)整體折彎成型只能對尺寸較小的產(chǎn)品整體折彎成型，尺寸較大的產(chǎn)品無法在折彎機(jī)上整體折彎成型?，F(xiàn)有折彎成型工藝，由于折彎機(jī)設(shè)備的封閉高度一般在0.35 m 左右，有效工作行程0.2 m 左右，所以超過0.2 m 深度的箱體結(jié)構(gòu)在折彎過程中會發(fā)生嚴(yán)重的擠壓變形且存在較大的質(zhì)量問題。因此，折彎成型工藝只能實(shí)現(xiàn)小于0.2 m 深度箱型體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的成型。折彎機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。折彎機(jī)的行程高度與砂箱彎折高度對比如圖2 所示。

圖1 折彎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 折彎機(jī)行程高度與砂箱折彎高度對比

當(dāng)要成型的箱型體深度超過0.2 m 時(shí)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝普遍采用拆分下料、成型、再焊接成型的工藝方案，最后通過將各個拆分件進(jìn)行定位、組裝、焊接等工藝來實(shí)現(xiàn)箱體結(jié)構(gòu)的成型，如圖3 所示。但是在焊接過程中由于成型工件受熱不均勻，致使其有內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，從而導(dǎo)致工件發(fā)生變形，并且焊縫中也有可能存在各種缺陷，如出現(xiàn)氣孔、咬邊等。這些因素都影響到焊縫的強(qiáng)度，這也必然會影響到整個箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外還存在箱體結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量差，生產(chǎn)工藝流程繁瑣，生產(chǎn)成本高等問題。因此，采用傳統(tǒng)拼接工藝方法成型箱型體結(jié)構(gòu)深度大于0.2 m 的產(chǎn)品時(shí)，存在較大的工藝質(zhì)量問題，且工作效率低、生產(chǎn)成本較高。

圖3 傳統(tǒng)拼接組裝成型

2 箱型體加工工藝解決方案

為了解決上述問題，對行程較大的壓力機(jī)進(jìn)行了改裝。設(shè)計(jì)制作壓力機(jī)成型上模具和下模具，解決了尺寸較大的箱型體的整體成型工藝難點(diǎn)，壓力機(jī)的原型如圖4 所示，改進(jìn)后的壓力機(jī)如圖5 所示。

圖4 壓力機(jī)原型

圖5 改進(jìn)后的壓力機(jī)

如圖6 所示為壓力機(jī)上模具，圖中頂板的作用是為了將加裝模具與壓力機(jī)上端固定，模托箱體的作用是為了使折彎上模具能夠進(jìn)入砂箱內(nèi)部，安裝對接口的作用是為了固定施壓刀具與模托箱體，施壓刀具的作用是為了使壓力機(jī)的壓力施加到砂箱上。模具設(shè)計(jì)應(yīng)用了壓力機(jī)設(shè)備工作行程長的設(shè)備性能（工作行程L 長達(dá)1.2 m）。模具結(jié)構(gòu)：圖1 中折彎機(jī)上的模具4可以插接方式安裝在模托上2，其中模托包括頂板1和箱體框架結(jié)構(gòu)2 組成，模托頂板1 是為了將其固定安裝于壓力機(jī)上，模托2 主體部分類似箱體框架鏤空結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于滿足模托結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)還減輕了自身重量，便于安裝使用。另外設(shè)計(jì)模托與折彎機(jī)模具對應(yīng)接口相同，便于靈活安裝不同規(guī)格的折彎機(jī)模具，滿足不同規(guī)格箱型體產(chǎn)品成型的需求。壓力機(jī)模托3 部位，設(shè)計(jì)為可靈活安裝及可替換式結(jié)構(gòu)，技術(shù)優(yōu)勢在于可充分運(yùn)用現(xiàn)有的不同規(guī)格尺寸的折彎上模具，既能保證模具與產(chǎn)品接觸的工作部分強(qiáng)度和精度，又可大幅度減少壓力機(jī)模具制作費(fèi)用的高成本投入。

圖6 壓力機(jī)上模具

設(shè)計(jì)制作壓力機(jī)成型下模具，圖7 為下模具示意圖。由1 支撐板、2 底板、3 擋塊、4 成型折彎下模具組成。支撐板的作用是為了安放砂箱成型所用的鋼板，底板的作用是為了將整個模具固定在壓力機(jī)下端，擋塊的作用是為了實(shí)現(xiàn)支撐板的自由移動，成型下模具的作用是為了能使砂箱成型到要求形狀。底板上整齊排列的方孔可與支撐板下部突出部分插接使其固定，支撐板不僅有與成型模具共同支撐成型板材的作用，而且上端部突出部分還有產(chǎn)品成型定位規(guī)格尺寸功能。下模具設(shè)計(jì)與上模具設(shè)計(jì)都同樣具備可替換和節(jié)約模具制作費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速拆卸、安裝和替換，滿足不同規(guī)格產(chǎn)品的需求。壓力機(jī)行程高度與砂箱折彎高度對比如圖8 所示。

圖7 壓力機(jī)下模具

圖8 壓力機(jī)行程高度與砂箱折彎高度對比

3 生產(chǎn)工藝驗(yàn)證、推廣

HXD1C 電力機(jī)車砂箱箱型體結(jié)構(gòu)原有生產(chǎn)工藝采用拼接組裝工藝。其效率低、焊接變形大、影響結(jié)果強(qiáng)度，質(zhì)量不能滿足質(zhì)量要求。為了解決拼接變形大、結(jié)構(gòu)剛性差的質(zhì)量問題，現(xiàn)工藝定為整體成型工藝。因此，設(shè)計(jì)出了新型壓力機(jī)成型模具，壓力機(jī)模具的行程高度提高到了折彎機(jī)模具的5 倍。圖9 展示了工藝改進(jìn)前后的產(chǎn)品效果對比，改進(jìn)前使用拼接工藝生產(chǎn)的砂箱存在大量的焊縫，使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。同時(shí)焊縫處表面粗糙，需要進(jìn)行打磨，導(dǎo)致了生產(chǎn)效率低下，生產(chǎn)成本增加。而采用改進(jìn)后的整體成型工藝，彎折處平整光滑，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)合產(chǎn)品要求，且不需要后續(xù)加工。通過圖10 生產(chǎn)工藝試驗(yàn)，高效率、高質(zhì)量完成了HXD1C 電力機(jī)車砂箱箱型體結(jié)構(gòu)系列產(chǎn)品的整體成型。

圖9 改進(jìn)前后工藝效果對比

圖10 箱體結(jié)構(gòu)整體成型

采用拼接成型工藝生產(chǎn)一個砂箱的生產(chǎn)周期為6.5 h，生產(chǎn)成本為2300 元，產(chǎn)品合格率為72%。采用壓力機(jī)成體成型工藝后，一個砂箱的生產(chǎn)周期減少到了4 h，生成成本降低到了1600 元，產(chǎn)品合格率達(dá)到了100%。新型壓力機(jī)模具及工作方法，創(chuàng)新HXD1C電力機(jī)車砂箱實(shí)現(xiàn)整體成型工藝。產(chǎn)品在組裝、焊接過程中變形小，結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量美觀，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。此項(xiàng)技術(shù)及工作方法，在電力機(jī)車生產(chǎn)中進(jìn)行全面推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

綜上分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過設(shè)計(jì)制作壓力機(jī)成型模具，創(chuàng)新出箱型體產(chǎn)品成型新工藝及工作方法，攻克了箱型體產(chǎn)品整體成型的工藝難點(diǎn)。

（2）新工藝及工作方法，結(jié)合折彎機(jī)成型模具的多樣性，不僅降低了壓力機(jī)模具制作成本，更豐富了不同規(guī)格尺寸箱型體產(chǎn)品的成型，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

（3）箱型體整體成型技術(shù)及操作方法，在7200 kW電力機(jī)車砂箱產(chǎn)品中進(jìn)行了有效的生產(chǎn)驗(yàn)證，并進(jìn)行了全面推廣應(yīng)用，具有效率高、質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。