装货口盖成形工艺分析及模具设计

[摘要]: 分析了装货口盖成形工艺性，并进行了理论计算和模拟验证，由此制定了该工件的成形工艺、设计方案。
[关键词]: 工艺分析;起伏成形;数值模拟;模具设计

   
1 前言

    我公司作为铁路货车出口基地，在出口车市场上占有相当大的份额，澳大利亚粮食漏斗车是我公司继2000年以后又一次向西方发达国家出口的铁路货车。装货口盖(图1)是该车的重要外覆盖件，生产数量多、质量要求高。

    工件材质09CuPCrNi，是铁路货车常用的耐侯钢，具有良好的抗腐蚀性和较高的强度，但它的成形性能比08-F或Q235要差一些。从产品结构上看，零件中部加强筋是典型起伏成形，而两侧则是弯曲成形。从近年来我厂生产实践验证，该类材料屈服强度较高、塑性较差，成形时容易出现破裂、翘曲等质量问题。
   
2 成形工艺分析及工艺计算

    起伏成形是一种使材料局部区域发生变形、拉薄，造成局部凹进或突起，来改变毛坯形状的冲压加工方法。这种方法提高了工件自身的刚度，而且使工件的外形美观，同时工件在组装焊接时，抗热应力变形的强度也得到提高。

    装货口盖成形的难点就在于中部加强筋的成形，主要有两个方面的问题:其一是由于板料变形产生拉薄，加上塑性较差，极易导致成形部位破裂;其二是成形时，材料流动的速度和方向不一样，工件内部应力分布不均匀，造成板料失稳起皱、翘曲。而且后者靠增加工序等手段是很难修复的。
   
2.1 成形极限判断

    首先，根据加强筋的形状和材料性能，计算材料在一次成形工序中的极限伸长率(图2)即：

    由此可确定，装货口盖加强筋可以一次成形。
   
2.2 压边力的计算

    装货口盖加强筋起伏成形时，在筋端头处，板料要向凸筋流动，以补充材料的不足。这样在筋端头部分的材料应力状态与椭圆形件拉深相似，径向产生拉应力，切向产生压应力。如果不用压边，该处将会失稳起皱。其压边力:

    从计算结果看，所需的压边力较大，应该采用设备驱动压边。
   
2.3 成形数值模拟及工艺方案的确定

    我厂自2000年初开始实施“铁路货车产品开发并行工程”以来，现已装备了数值模拟软件--Dy-naform。它是由ETA公司研制的基于LS-DANA的饭金冲压仿真分析系统的专业CAE软件，是专门处理板材成形有限元分析的数值模拟系统。

    基于工艺计算结果，在计算机上利用冲压成形数值模拟系统Dynaform进行了成形模拟分析。分析结果的应力云图见图3。

    从数值模拟分析结果看，在压边力的作用下，加强筋端头的褶皱基本消除，但在工件长边的两侧出现较大的波浪翘曲现象。主要是由于在压筋时，每个加强筋端头成形致使板料产生的内应力相互作用，从而出现波浪翘曲现象，直接影响后序侧边弯曲。

    通过数值模拟分析，可以预知，采用先压加强筋，再进行两侧长边折弯的工艺方法会产生难以修复的质量问题。

    考虑到工件两侧是弯曲成形，可以采用复合工序的手段，利用双动压力机，先完成工件两侧的弯，然后再压加强筋(图4所示)。这样第一个动作完成了工件的弯曲成形，又负责压筋时的压边，尤其是在完成弯曲成形后，工件的弯曲部位起到了拉延坎的作用，两道拉延坎的阻力再加上第一个动作设备自身的压力，完全阻止了工件长边两侧材料的流动，使加强筋两端成形完全处于胀形状态。另外由于弯曲成形在先，增加了工件的自身刚度，阻止了压筋时导致的翘曲现象。

   
3 模具设计

    前文已经确定了装货口盖冲压成形的工艺方案。下面将介绍复合成形模具的结构设计。在模具设计时，适当减小压筋凹模的圆角r,r=2t(t为板厚)，第一是考虑压筋凹模的圆角较易磨损，减小凹模圆角可以预留磨损量，第二是使筋在不破裂的前提下，使加强筋的轮廓更加清晰、美观。另外压筋是靠凸模和凹模圆角成形，所以在压筋凸模下方的凹模部分采用镂空方式，以避免成形时出现干涉现象。

    实践证明，压筋同样存在回弹现象，这里的回弹是指压形后加强筋的实际高度值，要比设计凸模高度值小。为了保证筋的尺寸，压筋凸模高度取16mm。

    在第一个动作弯曲成形时，为了提高成形平面度、减小弯曲回弹，采用弹性压料，弹性压料装置在全部成形终了时，兼作卸件器。压筋凹模镶在压料板上。

    模具主要结构见图5。模具工作过程如下:

    弯曲上模下行，接触板料，并在压料板的作用下压紧板料，弯曲七模继续下行，完成弯曲成形后负责压紧坯件。压筋上模下行，压筋凸模接触坯件，压筋上模继续下行，完成加强筋胀形。压筋上模上行，弯曲上模上行，压料板在弹簧力的作用下将工件顶出弯曲凹模。至此，完成工件的全部成形。

   
4 结束语

    通过对装货口盖成形工艺分析，对可能出现的质量问题作了预测，找到了较为可靠的复合工艺方法，利用弯曲成形来抑制或改善压筋的质量缺陷，同时也简化了工艺过程，提高了生产效率。

    模具投人使用后，顺利完成了澳大利亚粮食漏斗车装货口盖的压制工作，工件外观光滑、棱线清晰，无开裂、无翘曲。可以认为，装货口盖冲压成形工艺分析及模具结构设计，对铁路货车生产中的类似覆盖件成形，都有借鉴价值。