文/張顯鶴·湖南省邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系

制動(dòng)缸缸體成形工藝分析及模具設(shè)計(jì)

文/張顯鶴·湖南省邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系

問題的提出

在大噸位鐵路貨車的制動(dòng)技術(shù)中，制動(dòng)缸缸體的成形拉延質(zhì)量至關(guān)重要，缸體底部經(jīng)常出現(xiàn)縮頸、斷裂和直壁垂直度超差等質(zhì)量缺陷，危及行車的安全。

工藝分析

圖1 制動(dòng)缸缸體工件圖

圖1 所示為制動(dòng)缸缸體的產(chǎn)品圖，材質(zhì)為08AL，屈服強(qiáng)度為205MPa，抗拉強(qiáng)度為340MPa，板料的厚度為7mm，成形深度為149.5mm，保證內(nèi)徑的同軸度φ0.14mm，保證活塞運(yùn)動(dòng)具有良好的密封性和勻速性，內(nèi)壁需加工，深度137mm，成形深度和加工深度兩者的差值為12.5mm，其圓角實(shí)際最大尺寸R應(yīng)為12.5mm，產(chǎn)品圖紙的圓角為R8。按照沖壓模具設(shè)計(jì)手冊的工藝要求，工件底部的工藝圓角R的最小值為板料厚度的1倍，成形底部的工藝圓角已到最小極限尺寸R7mm，等于產(chǎn)品圖紙的成形工藝圓角R7，凸模圓角設(shè)計(jì)成R7是可以的。凹模上部的工藝圓角R的最小值為板料厚度的2倍，所以成形上部的工藝圓角最小極限尺寸應(yīng)為R14，考慮到筒壁加工車刀圓角的實(shí)際情況，去掉2mm，其凹模圓角實(shí)際最大尺寸R應(yīng)為10.5mm（12.5mm-2mm），上部（凹模）的理論工藝圓角R14mm大于凹模圓角實(shí)際最大尺寸R10.5mm，為保證產(chǎn)品圖紙的技術(shù)要求，上部（凹模）的工藝圓角只能調(diào)整到R8mm。為保證φ330mm平面的平面度，成形后對表面進(jìn)行加工，厚度7mm加工到6mm，保證上平面與側(cè)壁的垂直，達(dá)到活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的密封和良好的制動(dòng)效果。

板料展開尺寸的計(jì)算

理論展開尺寸的計(jì)算

工件底部圓角R7mm，凸緣直徑φ330mm，板料厚度7mm，內(nèi)徑φ250mm，深度156.5mm，生成三維工件的質(zhì)量為10.81kg，則理論展開尺寸為φ501mm，如圖2所示。

圖2 制動(dòng)缸缸體理論展開圖

實(shí)際展開尺寸的計(jì)算

模具落料單邊的搭邊量或機(jī)械加工余量按板料厚度1.5倍計(jì)算，則直徑加大21mm，考慮到板料拉延實(shí)際必然變薄的情況，則實(shí)際展開尺寸取整為φ520mm。

拉延次數(shù)的確定

材料的相對厚度為1.36%(7/515)，凸緣相對直徑為1（250/250），根據(jù)沖壓模具設(shè)計(jì)手冊的規(guī)定，第一次拉延最小系數(shù)為0.53，第二次拉延最小系數(shù)為0.75，工件第一次拉延次數(shù)m=250/520=0.481，0.481＜0.53＜0.75，模具應(yīng)采用二次拉延的工藝方法。

拉延系數(shù)的分配

m1=290/520=0.5583，m2=250/ 290=0.862，0.558＞0.53，0.862＞0.75，拉延系數(shù)越小變形程度越大，所以說拉延系數(shù)的分配是可行的。一次拉延模是二次拉延模成功拉延的基礎(chǔ)，圖3所示是一次拉延工件圖。

圖3 一次拉延工件圖

預(yù)制V形缺口

一次拉延后，工件徑向邊緣開設(shè)12個(gè)均布的V形開口(在二次拉延后落料或車削掉)，如圖4所示。這些工藝開口保證φ330mm上平面不出現(xiàn)皺褶的質(zhì)量缺陷，為二次拉延創(chuàng)造邊界條件。因零件的上下圓角為R8mm和R7mm，直壁垂直底平面，在加工時(shí)必然存在板料變薄的現(xiàn)象。為避免模具設(shè)計(jì)試驗(yàn)生產(chǎn)階段制件開裂的風(fēng)險(xiǎn)，從根本上確保制件的成形質(zhì)量，用Deform-3D和Jstamp三維成形軟件進(jìn)行3次模擬分析，每次的成形模擬相當(dāng)于在模具上試驗(yàn)一次，從而減少實(shí)際試驗(yàn)次數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)，將板料的展開尺寸調(diào)整到φ504mm（小于計(jì)算的實(shí)際展開尺寸），滿足產(chǎn)品二次拉延的工藝要求。重新核定模具設(shè)計(jì)的拉延系數(shù)，將總拉延系數(shù)m確定為0.496（250/504），系數(shù)變大，成形時(shí)變形程度小，產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的趨勢減小。預(yù)制V形缺口，相當(dāng)φ379mm尺寸的縮小，增大拉延系數(shù)，減小二次成形工件的變形程度，保證工件不出現(xiàn)縮頸和斷裂的質(zhì)量缺陷。

圖4 缸體二次拉延前開設(shè)缺口工件圖

一次拉延模具設(shè)計(jì)

一次拉延模為正拉延，采用350t雙動(dòng)油壓機(jī)設(shè)備壓邊成形，壓邊力根據(jù)需要隨時(shí)任意調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)模具壓邊力調(diào)節(jié)的柔性化，消除使用碳素彈簧和聚氨酯彈簧壓邊力調(diào)節(jié)困難的局限，保證φ330mm上平面不出現(xiàn)皺褶的質(zhì)量缺陷，為內(nèi)壁加工具有足夠的余量創(chuàng)造先決條件。圖5是一次拉延模具的結(jié)構(gòu)示意圖，上模體固定在設(shè)備的外滑塊上，壓邊圈固定在設(shè)備的內(nèi)滑塊上，壓邊圈在設(shè)備的壓邊裝置的作用下向下運(yùn)動(dòng)，壓邊圈上的壓邊鑲塊接觸并壓住板料后，凸模再繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)成形工件。

工件在三維數(shù)值模擬時(shí)凸緣兩翼向下約0.96mm，故模具采用向上0.4mm的反變形上，當(dāng)模具壓形結(jié)束后，校正工件的凸緣部位，保證工件上平面回彈后的平面度控制在0.5mm。一次拉延件上部拉延到φ290mm，底部的尺寸為φ251mm。φ251mm略大于二次拉延件(產(chǎn)品圖)底部的尺寸φ250mm，保證二次拉延的直壁在切點(diǎn)下僅有微微的轉(zhuǎn)動(dòng)，減少在R切點(diǎn)處再次拉延出現(xiàn)縮頸的可能。

拉延是靠凸模成形的，凹模的設(shè)計(jì)厚度為55mm，分層處倒R3mm圓角，大于成形高度的1/3，其余部位依靠凸模成形，避免工件成形過程中處于整個(gè)深度曲面的滑動(dòng)，盡量減少劃痕，消除應(yīng)力集中對拉延的影響，在模具凸模和凹模中心部位開設(shè)排氣孔，減小空氣阻力的影響，快速散發(fā)拉延熱，消除產(chǎn)生縮頸和斷裂的質(zhì)量缺陷。

圖5 制動(dòng)缸缸體一次拉延模結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)束語

經(jīng)過上述試驗(yàn)分析，可知：⑴拉延成形在可能的情況下預(yù)制工藝槽或工藝孔，能夠保證成形流暢；⑵對直壁接近90°的、帶有凸緣的筒形拉延件的實(shí)際展開尺寸可按理論展開尺寸計(jì)算。該模具已試驗(yàn)完畢并投入使用，取得了良好的技術(shù)效果，為大噸位鐵路貨車制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。