中梁型鋼折彎工藝及模具設(shè)計(jì)

鮑 雷

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

1 引言

利用折彎機(jī)對板材折彎能夠獲得各種圓角及角度成形件，板材折彎件在鐵路貨車生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。我公司生產(chǎn)的某型鐵路貨車其中梁為Q450NQR1材質(zhì)的類似U形狀型鋼，零件總長度為10，370mm。中梁作為鐵路貨車主要承重部分，是鐵路貨車的關(guān)鍵件，在鐵路貨車制造生產(chǎn)過程中，中梁一般為外購的型鋼，但是外購的中梁型鋼普遍存在扭曲、寬度尺寸超差等問題，影響整車組裝及制件的制造質(zhì)量。通過立足于我車間既有設(shè)備參數(shù)及制造能力進(jìn)行分析，該制件可以采用板材折彎的生產(chǎn)方式代替外購型鋼，實(shí)現(xiàn)公司制件制造質(zhì)量的提升。

2 對制件圖的分析

中梁截面圖如圖1所示，經(jīng)過綜合考慮，中梁使用板材折彎成形主要有以下兩種工藝方法：方法一：切割下料、折彎成形，其生產(chǎn)工序?yàn)椋壕砹祥_卷→板材校平→板材切割分條→條類板材取直→折彎成形；方法二：剪切下料、折彎成形，其生產(chǎn)工序?yàn)椋壕砹蠙M縱剪切開卷分條→條類板材取直→折彎成形。通過上述兩種工藝方法對比，方法一在生產(chǎn)過程中采用切割下料，生產(chǎn)效率較低，并且存在熱輸入，不利于切割后的直線度控制，該方法不適宜批量生產(chǎn)應(yīng)用。因此采取方法二的制造工藝。

圖1 中梁零件截面圖

3 對制件的工藝能力計(jì)算

由于中梁寬度為200mm，高度為280mm，按照折彎件制造經(jīng)驗(yàn)即可得知，普通的直柄折彎上模折彎時板材與上模會產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉，影響成形，因此需要制造專用的折彎模，由于中梁外形長度尺寸較長、尺寸精度高，因此折彎模設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量決定了中梁使用板材折彎的制件質(zhì)量。

3.1 折彎力計(jì)算

由圖1可知，中梁共兩道彎，生產(chǎn)時兩道彎分別進(jìn)行折彎，計(jì)算其成形力過程如下：

自由彎曲的彎曲力計(jì)算公式：

式中P——自由彎曲力，N

K——安全系數(shù)，一般取K=1.3

B——彎曲件寬度，取B=10，370mm

δ——材料厚度，取δ=7mm

σb——材料的抗拉強(qiáng)度，取450N/mm2

V——彎曲下模開口寬度，通常為材料厚度的6～8倍，取V=50mm

將各數(shù)值代入彎曲力計(jì)算公式，計(jì)算得P=5，945，121N。

3.2 折彎設(shè)備能力校核

折彎機(jī)的額定壓力應(yīng)大于制件成形的最大壓力的1.3倍，我車間現(xiàn)有2，500t折彎機(jī)，最大壓力為25，000kN，有效折彎長度14，200mm，因此能夠完全滿足該制件的成形要求。

4 彎曲模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)之前的分析計(jì)算，中梁折彎時下模開口寬度為50mm，我車間2，500t折彎機(jī)機(jī)床自身配備可編程自動調(diào)整的下模，總長14，200mm，開口尺寸在50～370mm，并且每隔20mm可調(diào)，因此下模不需要設(shè)計(jì)采購，僅需要設(shè)計(jì)采購折彎上模。

對彎曲上模結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)。

（1）直柄的折彎上模在折彎過程中與工件會產(chǎn)生干涉，因此需要設(shè)計(jì)鵝頸式上模。

（2）由于制件較長，因此上模要分段制造，便于生產(chǎn)過程中模具的安裝及拆卸。

（3）為了降低生產(chǎn)成本，將折彎上模設(shè)計(jì)為鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與折彎上模組合式的結(jié)構(gòu)。鵝頸轉(zhuǎn)換接頭采用45鋼制造，不需要進(jìn)行淬火，表面加工光潔度也可以適當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn)，折彎上模采用模具鋼制造，此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠有效降低模具制造成本。鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與機(jī)床配合部位設(shè)計(jì)尺寸與機(jī)床原裝上模鑲塊一致，轉(zhuǎn)換接頭底部開口部位連接機(jī)床原有折彎模，實(shí)現(xiàn)加工時選用上模的靈活性。不需要使用鵝頸模具加工時，可以將機(jī)床原有折彎模直接與機(jī)床連接后正常生產(chǎn)；需要使用鵝頸模具加工時，將鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與機(jī)床相連接，再將折彎模與鵝頸轉(zhuǎn)換接頭連接即可進(jìn)行生產(chǎn)。

（4）折彎上模設(shè)計(jì)時進(jìn)行模擬分析成形過程，避免折彎過程中產(chǎn)生干涉。將公司現(xiàn)有類似制件考慮周全，實(shí)現(xiàn)制件種類最大化覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)所有類似制件的折彎加工，盡最大可能減少以后此類模具的訂購。模具結(jié)構(gòu)及模擬分析成形過程如圖2所示。

圖2 模具結(jié)構(gòu)

5 彎曲模強(qiáng)度校核

針對上模為鵝頸轉(zhuǎn)換接頭與折彎上模組合式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：折彎上模為直柄式，完全能夠承受折彎過程中的壓力載荷，不需要進(jìn)行強(qiáng)度校核；鵝頸轉(zhuǎn)換接頭采用45鋼材質(zhì)、分段拼接方法制造，在折彎時鵝頸部位承受較大的壓力載荷，為了提高折彎模設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及合理性，需要使用仿真軟件對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

使用仿真軟件分析，當(dāng)設(shè)計(jì)鵝頸轉(zhuǎn)換接頭每段長度為300mm時，施壓外力50t時，鵝頸部位要承受屈服強(qiáng)度達(dá)到448MPa，大于45鋼最小屈服強(qiáng)度355MPa，鵝頸部位會出現(xiàn)斷裂的風(fēng)險。通過多次模擬仿真得出結(jié)論：鵝頸轉(zhuǎn)換接頭中部受壓力載荷屈服強(qiáng)度與施加壓力成線性正比關(guān)系。最終匯總仿真分析結(jié)果，綜合考慮模具制造、運(yùn)輸、生產(chǎn)使用等因素，確定鵝頸轉(zhuǎn)換接頭每段長度600mm，能夠承受最大外力約90t（圖3所示為仿真分析施加外力100t時，鵝頸部位要承受屈服強(qiáng)度達(dá)到383MPa，略微大于45鋼最小屈服強(qiáng)度355MPa）。在我單位2，500t折彎機(jī)上生產(chǎn)，14，200mm長的范圍內(nèi)，整體能夠達(dá)到承受約2，100t的壓力，滿足了目前各類長大板件的彎曲需要。

圖3 鵝頸轉(zhuǎn)換接頭強(qiáng)度校核

6 模具試驗(yàn)與批量生產(chǎn)驗(yàn)證

6.1 模具試驗(yàn)

模具制造完成后，使用2，500t折彎機(jī)進(jìn)行折彎試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)中梁制件圖，經(jīng)過理論計(jì)算和分析，最終確定展開尺寸、折彎對擋線、撓度補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵工藝參數(shù)，折彎時兩道彎分別靠擋進(jìn)行折彎，使制件兩側(cè)同高，兩側(cè)邊成形至直角，如圖4所示。對試驗(yàn)過程及試驗(yàn)件檢測梳理總結(jié)如下：

圖4 中梁折彎

（1）使用R規(guī)測量工件彎曲圓角為R8mm，符合圖紙，寬度尺寸200mm合格，在料長度方向中間部位，高度尺寸280mm兩側(cè)不同高，一側(cè)為281mm，另一側(cè)為279mm，在公差范圍內(nèi)。

（2）工件表面在上模拼接部位，無明顯的壓痕、錯牙。

（3）目視外觀并使用拉線測量，工件整體無明顯扭曲現(xiàn)象。

（4）上模不便于吊裝，安裝時存在一定的困難。

通過分析進(jìn)行如下改進(jìn)：

（1）折彎前對工件進(jìn)行調(diào)直，保證其直線度，折彎時調(diào)整好撓度補(bǔ)償參數(shù)，使280mm尺寸在料長度方向中間部位，兩側(cè)實(shí)測高度值相差在1mm范圍內(nèi)。

（2）設(shè)計(jì)制造專用的上模吊具，提升上模安裝的效率，降低操作者的勞動強(qiáng)度。

6.2 批量生產(chǎn)應(yīng)用情況

根據(jù)試驗(yàn)件生產(chǎn)情況進(jìn)行總結(jié)，借鑒試驗(yàn)總結(jié)的展開尺寸、折彎對擋線、撓度補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)，完成了公司出口澳大利亞134輛某型煤炭漏斗車中梁型鋼的生產(chǎn)，外觀成形尺寸穩(wěn)定，一致性好，制件質(zhì)量優(yōu)于外購型鋼。外采中梁型鋼與板材折彎工藝方法生產(chǎn)的制件實(shí)物對比如圖5所示。

圖5 中梁實(shí)物

綜合批量生產(chǎn)過程，為便于模具后續(xù)的正確保養(yǎng)和使用，對操作者進(jìn)行以下方面的培訓(xùn)：

（1）由于上模為鵝頸拼接式結(jié)構(gòu)，因此在安裝時要按照模具上刻打的拼接標(biāo)記序號1、2、3…進(jìn)行順序安裝，避免拼接處可能出現(xiàn)的錯牙問題。

（2）生產(chǎn)的制件變更時，由技術(shù)人員進(jìn)行折彎力計(jì)算確認(rèn)，確保鵝頸部位載荷強(qiáng)度不超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后方可使用。

7 結(jié)論

（1）通過公司出口的134輛某型煤炭漏斗車中梁型鋼的生產(chǎn)，驗(yàn)證了中梁型鋼使用板材折彎批量生產(chǎn)，質(zhì)量優(yōu)于外購型鋼，提高了出口車的制造質(zhì)量；同時也縮短了零部件生產(chǎn)配套周期，便于提高公司制件制造生產(chǎn)計(jì)劃排布的靈活性。

（2）通過與外購型鋼相比較，中梁型鋼使用板材折彎能夠有效降低成本，該研究可以推廣應(yīng)用在鐵路貨車上側(cè)梁、下側(cè)梁等型鋼的板材折彎生產(chǎn)，代替外購型鋼，助力企業(yè)經(jīng)營提質(zhì)增效目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（3）在模具設(shè)計(jì)過程中，對鵝頸拼接式彎曲成形模具進(jìn)行模擬仿真強(qiáng)度校核，代替以往按照理論公式進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算，此方法在今后的相關(guān)模具設(shè)計(jì)中可以借鑒，以提高模具設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及成功率。