鐵路貨車J形復雜結構杠桿彎曲成形工藝

李立峰，藺昊，唐林

中車齊齊哈爾車輛有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161002

1 序言

我公司對一系列J形復雜結構杠桿產品進行工藝試制。各類J形杠桿如圖1所示。試制時均需對杠桿進行折彎。由于杠桿板厚較大，且折彎檔距小（最小為20mm），因此制造難度大。試制時發現鍛件的長度尺寸存在較大波動，檔距尺寸存在較大波動和超差，出現平面度超差以及不合格品重復返修，導致杠桿成本居高不下等問題。

圖1 各類J形杠桿

為了保證產品的尺寸公差和形位精度，需對其彎曲工藝進行模擬研究，分析金屬在彎曲過程中的變形規律，從而優化彎曲工藝。在不斷地調研和論證后，制定出全新的J形杠桿彎曲工藝方法[1]，可使該類產品的質量和彎曲效率得到顯著提升，節約大量能源費用，降低操作人員的勞動強度。

2 制造工藝難點

為了滿足組裝精度的要求，J形杠桿檔距尺寸和孔邊緣最小壁厚尺寸要求嚴格，檔距尺寸精度要求高，在彎曲過程中如何有效地控制變形過程、保證尺寸精度成為工藝難點。特別是后制動杠桿（見圖2），其彎曲半徑小，內檔尺寸僅20mm，彎曲難度大。

圖2 后制動杠桿

3 彎曲工藝方案的初步擬定

采用常規彎曲方法很難實現J形杠桿的彎曲成形；同時，成形后由于內檔金屬的流動，會在彎曲部位產生折疊和褶皺，因此在平板鍛造過程需要進行預制彎，制彎形狀如圖2b所示。根據產品特點，采用模鍛制坯后在自由鍛錘上用彎曲模進行彎曲整形的工藝，彎曲上模、下模分別如圖3、圖4所示。為了使工件在彎曲過程中不受“啃傷”，且減小彎曲過程受力，在彎曲下模上設計了7°斜梢，并將模具最先接觸的兩側圓角加大到R25mm[2]。

圖3 彎曲上模

圖4 彎曲下模

4 工藝過程模擬

采用DEFORM-3D模擬軟件進行杠桿彎曲過程的工藝模擬，分析變形規律并優化生產制造工藝。

4.1 模擬參數的設定

坯料溫度設定為1100℃，網格數量20萬個；上、下模具溫度200℃，坯料材料為45鋼；上模運動速度400mm/s，摩擦系數0.3[3]。彎曲模擬初始位置如圖5所示。

圖5 彎曲模擬初始位置

4.2 模擬過程

1）彎曲上模在圖6所示初始接觸位置與坯料彎曲接觸，此時下模兩側圓角與坯料開始作用；在成形到中間彎曲成形位置（見圖7）時，上模已經與工件完全貼合，工件開始進行整體彎曲成形。

圖6 初始接觸位置

圖7 中間彎曲成形位置

2）成形到第118步時，已初步完成整體的彎曲成形（見圖8），此時工件還未與下模貼靠，作用仍然產生在兩側圓角。通過載荷曲線可以看出上、下彎曲模受力情況差距較大，上模載荷為9.53×104N，下模載荷為6.53×104N， 這是由于下模在彎曲變形過程中始終受到的是側向力。通過成形結果可以看出，工件僅局部完成了彎曲成形且存在較大開口[4]。

圖8 初步完成整體的彎曲成形

3）當模擬到122步時，工件已經完全進入下模，此時下模側向力較小，主要為下模底部圓弧與工件接觸產生的成形力，最終完成成形（見圖9），模具載荷力直線上升，工件在彎曲圓角根部產生塑性變形，上模載荷為6.02×105N，下模載荷為6.71×105N，是第118步載荷的近10倍。

圖9 最終完成成形

4.3 模擬過程分析及優化建議

通過對彎曲成形過程的模擬可以看出，展開件預制成形圓角能有效降低彎曲過程的難度，使得受力更合理、成形更容易；整個彎曲成形過程受力主要集中在下模兩側R25mm圓角與工件接觸部位，且彎曲形狀受下模型腔影響不大[5]；彎曲過程中模具載荷力基本平穩，中間成形時載荷力稍大，但當坯料與下模底部接觸時載荷力直線上升。

優化建議：①彎曲過程中受力是個均勻過程，因此在彎曲過程中控制上模位置和運行速度較為關鍵。②彎曲過程應盡量避免工件與下模底部接觸，否則會產生較大的變形抗力，造成模具損壞。③彎曲后會產生較大的開口，且成形后坯料兩側存在較小的變形，因此在彎曲成形后需要增加整形和校正過程[6]。

5 工藝優化措施

根據模擬分析結果，采取如下工藝優化措施。

1）對彎曲下模進行優化設計：①加大彎曲下模深度和型腔斜度，優化模具受力狀態。②彎曲模具增加了側定位墻。因鍛件外形不規則，而定位墻可以保證鍛件彎曲時與變形方向垂直。

2）增加了長度整形工裝，保證鍛件在熱狀態下的長度尺寸。設計檔距和“邁步”整形二合一工裝，用來保證熱狀態下杠桿的檔距和尺寸。

3）設計了鍛件長度熱檢測工裝，可以在生產中對鍛件長度進行實時檢測，若尺寸有問題，則直接用長度整形工裝整形。

4）優化工藝流程。后制動杠桿優化后的熱煨彎方案工藝流程為：加熱→彎曲→長度整形→檔距整形→軸線對齊整形→平直度整形→長度測量→冷卻。全過程所用優化后的工裝如圖10所示。

圖10 優化后的工裝

6 結束語

工藝優化后，杠桿彎曲成形一次合格率達95%以上，極大地提高了生產效率。該工藝已成功運用到多種車型的杠桿生產上，有效地保證了該類杠桿的彎曲質量，提高了生產效率。該工藝在吸收典型鍛件彎曲工藝的同時，創新了杠桿類鍛件彎曲成形工藝方法，對其他類似鍛件的生產具有借鑒意義。

專家點評

本例中的J形復雜結構杠桿產品折彎難度較大。作者根據產品的形狀特點，分析了金屬彎曲過程中的變形規律，通過工藝優化和實際應用，顯著提升了彎曲效率。

文章的專業性很強，創新了杠桿類鍛件彎曲成形工藝方法，并闡述了彎曲成形工藝的模擬過程和優化措施，總結出一套經濟實用的工藝方案。