空氣控制閥防護裝置箱體沖壓工藝及模具設計

康海軍，余金鳳，金業(yè)全，李 偉

（南車眉山車輛有限公司 工藝技術部，四川 眉山 620032）

空氣控制閥防護裝置箱體沖壓工藝及模具設計

康海軍，余金鳳，金業(yè)全，李 偉

（南車眉山車輛有限公司 工藝技術部，四川 眉山 620032）

介紹了空氣控制閥防護裝置箱體仿真模擬、沖壓工藝及展開方法，對箱體修邊落料模、一次沖缺口模結構及設計要點作了簡要闡述。

沖壓成形；箱體；沖壓工藝；模具設計；空氣控制閥

1 引言

空氣控制閥防護裝置是我公司為空氣控制閥（圖1）研制的一種新型防護外殼，它將原先組焊式外殼改為沖壓件使防護裝置更美觀、輕便。圖2所示箱體是該防護裝置的關鍵零件，材質DZ04，料厚3mm，質量要求較高。除尺寸精度外，還要求表面平整，棱線清晰，無起皺和破裂等缺陷。

圖1 空氣控制閥

我公司積極推行工藝設計并行研發(fā)，工藝人員在產品研發(fā)階段就參與產品的工藝性審查，為產品設計提供合理建議。初期設計員根據空氣控制閥外形設計了內凹式箱體，工藝員運用作圖展開法進行近似彎曲展開后，發(fā)現箱體內凹部材料有較大面積的重疊，提出該部位拉伸會因材料補充不足而開裂，建議將內凹改直。

2 工藝及仿真分析

箱體屬帶法蘭多邊形盒型件拉伸。其側壁是由直壁和圓角兩部分構成，直壁部分的變形近似于彎曲，但不是簡單的彎曲，因拉伸時圓角部分的材料要向直壁流動，使直邊部分也受到切向壓縮；圓角部分的變形近似圓筒形的拉伸，但也不完全相同，拉伸時圓角部分材料可以向直邊流動，減輕了圓角部分變形[1]。

2.1 毛料展開計算

箱體底部由7段直邊與7段圓弧拐角組成。直邊部分按彎曲件展開，展開公式為[1]：

L=H+r-0.43（r凸+r底）

式中：r——角部圓角半徑，mm；

r凸——凸緣處圓角半徑，mm；

r底——底部圓角半徑，mm；

圓角部分按凸緣筒形件展開，展開公式為[2]：

式中：i——橫的、豎的與斜的直線長度和弧線長度，mm；

x——直線重心和弧線弧心到旋轉軸的垂直距離，mm；

r——圓弧半徑，mm；

h——圓弧在對稱軸上的投影長度。

下面以箱體右上角部為例簡述其作圖展開的方法。首先根據凸緣與直邊的交點1、2，分別計算出1′、2′兩個展開圓，從直邊展開點分別畫 1′、2′圓的切線，并按凸緣外形修正中間形狀，將各尖點圓滑過度。依次將7段直邊與7段圓弧逐步展開，就得到箱體展開如圖3所示。

圖3 作圖法展開

圖4所示為通過實物試壓、修正、簡化后確定的實際展開。另外，我們還運用PAM-STAMP鈑金成形有限元仿真軟件對該件進行展開分析。比對三種展開結果，發(fā)現作圖展開與仿真展開外形尺寸復雜，存在大量擬合曲線，而實際展開是包含在作圖展開與仿真展開內的一條簡化后展開線，該展開線更適合制造毛坯落料模。

圖4 實際展開料

2.2 成形分析

由于r凸=17mm較小，小于一次拉伸圓角半徑（8～12）δ的要求，故需增加一道整形工序。第一次拉伸r凸取10倍料厚即30mm，整形前后工件高度相差值 Δh=0.43（r1-r2）=0.43×（30-17）=5.59mm（r1、r2整形前、后r凸圓角半徑）。按r凸=30mm，H=236.5mm重新繪制箱體第一次拉伸模型，在PAM-STAMP軟件中，讀入數據進行CAE分析。

零件材料為DC04冷軋鋼板，料厚t=3mm，其力學性能參數為：屈服強度σS=210MPa，抗拉強度σb=270MPa，楊氏模量 E=210GPa，硬化指數 n=0.18，各項異性指數為ν=1.5，伸長率δ=40%。

提取箱體模型面生成模具的凸模、凹模、壓邊圈等，并根據公司設備情況，設置壓邊力600kN，摩擦系數0.12，提交求解器進行仿真計算，模擬結果如圖5所示，模擬厚度分布如圖6所示。

圖5 模擬結果及成形極限圖（FLD）

圖6 厚度分布圖

從圖中可以看出，凸緣面增厚比較明顯，最大厚度4.09mm，有明顯的起皺趨勢；箱體底部圓角最小厚度2.61mm，減薄率最大13%，但還處于安全區(qū)，該件的成形難點在于防止凸緣起皺。可通過增加壓邊力或設計工藝拉延筋解決之，我們選用了前者。

2.3 工藝分析

通過以上分析，箱體成形需拉伸、整形兩次工序；而凸緣及側壁兩處缺口，需兩次沖缺口工序；凸緣及底部各孔可一次沖出?；谝陨戏治龃_定箱體加工工藝流程：毛坯落料─拉伸─整形─修邊落料─沖孔─一次沖缺口─二次沖缺口。

3 模具設計

依據上面工藝安排，箱體制造需7套模具。本文只介紹其中的修邊落料模（圖7）及一次沖缺口模（圖8）。

圖7 修邊落料模

圖8 一次沖缺口模

由于箱體凸緣與側壁缺口貫通，處于相互垂直的面上，可考慮將箱體傾斜放置一次沖裁加工，但模具結構復雜，制造困難。故采用在修邊落料工序先切除凸緣面及r凸=17mm弧長一半缺口，在沖缺口工序將側壁缺口放置水平，切除剩余部分的模具設計方案。

修邊落料模采用凸模在下的倒裝結構，箱體反扣于下模，箱體內腔用定位板5定位，按照以上分析修邊落料模需切除凸緣面及r凸=17mm弧長一半的缺口，故該模具定位板缺口處也設計了沖裁刃口?？紤]到箱體尺寸較高，以及設備參數所限，下模采用聚氨酯橡膠卸料以降低模具的閉合高度。受箱體尺寸限制，上模卸料彈性體只能安裝于箱體法蘭外輪廓與側壁之間有限空間內，無法布置足夠的彈簧以提供卸料力，故也采用聚氨酯橡膠卸料。

一次沖缺口模下模采用C型結構，為箱體側放入模具留出空間，設計中為增加下模墊1的剛度，在靠近凹模刃口兩側設有加強筋。沖裁時將修邊落料后的箱體側壁放置水平裝入模具，用上工序已沖出的凸緣缺口與凹模外形定位，在一次行程中沖去側壁缺口與剩余的r凸=17mm弧長使箱體凸緣與側壁缺口貫通。

4 結束語

（1）通過PAM-STAMP仿真模擬，對工件的開裂與起皺進行預測，可以對產品前期開發(fā)提出合理建議，避免試制中產生大量的設計變更。同時可指導模具設計，通過在模具設計中采取相應措施，以減少模具調試成本與周期。

（2）通過作圖法展開與仿真展開毛料的對比，可大致判斷毛料的大致形狀與尺寸。實際生產中采用先數控準備毛坯料，再通過壓型過程中不斷修正毛坯料，最后確定外形輪廓相對簡單的下料形狀及尺寸，并配制相應的毛坯落料模。

[1] 鈑金沖壓工藝手冊編委會.鈑金沖壓工藝手冊[M].北京：國防工藝出版社，1989.

[2] 萬戰(zhàn)勝.沖壓工藝及模具設計[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

Stamping processing and tool design of protective gear box for air brake valve

KANG Haijun,YU Jinfeng,JIN Yequan,LI Wei

（Process Technical Dep.,CSR Meishan Rolling Stock Company,Meishan 620032,Sichuan China）

The simulation,stamping process,and spread method of protective gear box for air brake valve have been introduced.The structure and design key points of gear box trimming blanking tool and single piercing tool have been briefly put forward.

Air brake valve;Stamping;Processing;Tool design

TG386

B

1672－0121（2014）04－0074－03

2014－02－09

康海軍（1974-），男，高級工程師，從事沖壓工藝與模具設計