單元制動(dòng)缸前蓋的工藝分析及模具設(shè)計(jì)

文/張瑞喜，陳雄大·齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

單元制動(dòng)缸前蓋的工藝分析及模具設(shè)計(jì)

文/張瑞喜，陳雄大·齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司

張瑞喜，高級(jí)工程師，主要從事沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)，主持完成的沖壓車間光電保護(hù)裝置的研究和應(yīng)用，模具安全結(jié)構(gòu)的研究和推廣，滑槽磨耗板的工藝分析及模具設(shè)計(jì)，K2交叉桿成形技術(shù)的試驗(yàn)研究和模具設(shè)計(jì)等5項(xiàng)科技創(chuàng)新成果獲得齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司廠級(jí)成果一等獎(jiǎng)，獲發(fā)明專利1項(xiàng)、實(shí)用新型專利1項(xiàng)，共發(fā)表論文7篇。

單元制動(dòng)缸前蓋是裝在大噸位KM98漏斗鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)上的關(guān)鍵受力制動(dòng)部件，其質(zhì)量的好壞直接影響制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，表面質(zhì)量的優(yōu)劣影響工件的商品化。工件板料厚度為5mm，材質(zhì)為Q215-A。工件圖如圖1所示，前蓋45mm的凸緣成形時(shí)不對(duì)稱，φ178與45mm的凸緣相連的根部180°的范圍內(nèi)上下波動(dòng)時(shí)而出現(xiàn)縮頸斷裂的現(xiàn)象，φ130頂部出現(xiàn)縮頸的現(xiàn)象等質(zhì)量問(wèn)題，廢品率高達(dá)24%。隱含縮頸的質(zhì)量問(wèn)題，可能影響鐵路貨車運(yùn)行的安全。

工藝分析

前 蓋的材質(zhì)是Q215-A，若采用二次成形工藝，第一次壓形的拔模斜度設(shè)計(jì)為10°，R5的圓角設(shè)計(jì)為R10；第二次壓形按工件的幾何尺寸（含膨脹量）設(shè)計(jì)，可以保證工件的型腔尺寸，減少工件表面的拉傷。二次成形需兩套模具，技術(shù)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，制造成本也隨之增大；另外，二次成形就必須二次加熱，工件將脫碳，機(jī)械性能下降。第二次成形需以第一次壓型工件的外部型腔定位，兩次定位基準(zhǔn)具有隨機(jī)波動(dòng)性，工件將有局部壓痕的缺陷，故采用一次熱壓成形工藝。工件成形的深度為29.7mm，是板料厚度的近6倍，型腔φ178下部尺寸為自由公差尺寸，可以走上差，φ130上部尺寸為自由公差尺寸，可以走下差，模具可以設(shè)計(jì)拔模斜度為6°，上下口尺寸相差3mm，減少工件出現(xiàn)縮頸的趨勢(shì)，方便工件的卸料，減少了兩次定位基準(zhǔn)的隨機(jī)波動(dòng)性，提高生產(chǎn)工效。

圖1 前蓋工件圖

圖2 單元制動(dòng)缸前蓋熱壓模示意圖

模具設(shè)計(jì)

工件展開尺寸的計(jì)算

按照厚度不變質(zhì)量相等的物理學(xué)原理，利用Pro/E Wildfire軟件生成工件的三維實(shí)物，最大直徑φ354.6mm取整為φ355mm，計(jì)算其質(zhì)量為4.543kg，利用無(wú)限逼近的方法，計(jì)算工件的理論展開尺寸為φ374mm，考慮模具成形的過(guò)程中工件的變薄情況，展開尺寸需減少3mm，工件壓形后進(jìn)行落料，搭邊量按板厚的2倍計(jì)算，工件的直徑需加大20mm，工件的展開尺寸為φ391mm（374－3＋20），取整為φ395mm。前蓋是外側(cè)拉延和中間脹形結(jié)合的工件，工件成形后落料并沖制中間φ76mm的圓孔。為便于金屬材料脹形的補(bǔ)充，中間預(yù)先鉆φ20mm的工藝孔，孔附近區(qū)域板料在成形過(guò)程中始終處于雙向受拉的狀態(tài)，切向拉應(yīng)力為最大主應(yīng)力，而且此區(qū)域在成形過(guò)程中厚度的減薄量最大；徑向拉應(yīng)變代數(shù)值逐漸增大，切向拉應(yīng)變代數(shù)值逐漸減少，邊緣處的坯料近似處于單向拉伸變形狀態(tài)，預(yù)制工藝孔遏制減薄的趨勢(shì)，防止工件產(chǎn)生縮頸的質(zhì)量問(wèn)題。

模具間隙的確定

熱壓模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，按《沖壓模具設(shè)計(jì)手冊(cè)》的規(guī)定，單側(cè)最小間隙為0.5mm，雙側(cè)間隙值為1.0mm，鐵路貨車前蓋料厚為5mm，板料加熱后，由于膨脹厚度增加，膨脹系數(shù)按7‰計(jì)算，厚度膨脹量為7‰×5=0.035mm。模具的理論雙邊間隙量為1.0＋0.07=1.07，凸模的尺寸按工件的型腔尺寸設(shè)計(jì)，間隙取在凹模上，方便工件的卸料。

拉延圓角的確定

工件的圓角為R3，對(duì)于有彎曲的拉延件，其最小拉延圓角應(yīng)為材料厚度的1～2倍，上下鑲塊最小彎曲半徑為R3設(shè)計(jì)為R5，減少局部變薄縮頸斷裂的趨勢(shì)。

數(shù)學(xué)模型

圖3 數(shù)學(xué)模型圖

模具設(shè)計(jì)制造的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。數(shù)學(xué)模型是根據(jù)工藝分析和設(shè)計(jì)的間隙值、拉延圓角、拔模斜度和7‰膨脹率確定的，數(shù)學(xué)模型是Pro/E模具設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)，模具的上、下鑲塊按數(shù)學(xué)模型的復(fù)制幾何的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，鑲塊的材質(zhì)采用Dc53（瑞典模具材料牌號(hào)）的材料，熱處理后的變形為負(fù)回彈，比熱處理前尺寸小一點(diǎn)，增大了模具的間隙，減小模具成形過(guò)程中出現(xiàn)縮頸斷裂的趨勢(shì)。在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的變動(dòng)時(shí)，應(yīng)保證上下鑲塊等部件隨之變動(dòng)。

通氣孔的排布

上下鑲塊排布φ10mm通氣孔，可消除工件底部不平的趨勢(shì)，保證底面0.5mm的平面度的要求，同時(shí)增大散熱面積，消除熱應(yīng)力，穩(wěn)定型部尺寸。

剛性校形

模具壓形終了時(shí)，保證凸凹模和工件的剛性接觸，對(duì)工件具有校形作用，保證工件的平面度符合產(chǎn)品圖紙的技術(shù)要求。

加熱溫度和保壓時(shí)間的控制

板料加熱溫度控制在870～920℃，比普通熱壓件的溫度略高30～50℃，減少工件的成形力，考慮模具無(wú)壓邊裝置，模具壓型終了時(shí)保壓時(shí)間不低于3s，便于型腔尺寸的穩(wěn)定。

模具試驗(yàn)調(diào)整

模具制造完畢并安裝調(diào)試后，將板料的展開尺寸由φ405mm優(yōu)化為φ395mm，板料中間的預(yù)制工藝孔φ20mm優(yōu)化為φ25mm，模具的拔模斜度6°調(diào)整到8°，即可順利用于生產(chǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)單元制動(dòng)缸前蓋的工藝分析，確定采用一次熱成形的工藝方案，根據(jù)工件尺寸和工藝進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。熱壓模的間隙值可以適當(dāng)放大為板料厚度的5%。模具現(xiàn)已批量使用，效果良好，提高了生產(chǎn)效率，根除了工件的廢品率，拓展了單元制動(dòng)缸前蓋的成形工藝。