高立邊不銹鋼門角的成形工藝與模具設計

呂浩源（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

高立邊不銹鋼門角的成形工藝與模具設計

呂浩源
（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

介紹了一種高立邊不銹鋼門角的形狀和結構特點。分析了該零件的成形工藝方法。闡述了拉延模具的工作過程和設計要點。通過試驗，確定了合理的坯料尺寸和準確的壓料力值，同時驗證了凹模工作面"TD"強化處理具有顯著效果。

沖壓成形；不銹鋼；門角；成形工藝；模具設計；高立邊

如圖1所示為城軌車上常見的門角零件圖，每個門口需四個門角，其中上、下門角均為左右對稱件。因為該門角既是結構件，又是表面裝飾件，故對其形狀尺寸和表面質量要求較高。該零件材質為4-SUS301L-LT不銹鋼[1]，材料厚度t=4mm，抗拉強度σb=560MPa，屈服強度σs=220MPa，延伸率δ= 40%。

此類零件，若立邊較低時，可以采用內孔或外緣翻邊工藝來完成。但是本文中的門角，立邊高度為66mm，而對應的圓弧半徑為R100，變形量超出了該材料所能達到的極限翻邊高度，所以只有采用拉延工藝來成形，才能達到所需要的高度。

圖1 門角零件圖

1 成形工藝分析與工藝方案確定

1.1 工藝分析與制件圖設計[2-4]

因為上、下門角均為左右對稱件，而且上下、左右各一件組成一個門口，所以，首先應該考慮充分利用其對稱性，將四件組合成一個整體來進行拉延成形。如果按照各件的使用位置進行組合，形成一個縮小的門口來成形，就完全符合了封閉拉延的形式。但是，這樣零件的大平面就處在了拉延的凸緣區(qū)，很難保證其平整度。且一次拉延也無法達到所需要的高度，而厚板料多次拉延時，又會增加成形的難度。所以，必須考慮反向組合，將零件的大平面作為與凸模接觸的頂面，形成一個不完全封閉的十字槽形件。這樣不僅能夠保證零件的平整度，而且R7可以一次成形到位，不需后序整形。通過以上分析，再適當增加各處工藝補充量，并將凹模的圓角半徑設定為R凹=5t=20mm后，設計了如圖2所示的成形工序制件圖。在拉延成形后，沿著縱、橫兩向工藝補充量的中間切割成四件并切掉凸緣部分，再經(jīng)后序對立邊進行精確整形（另文介紹），就可獲得最終的合格零件。

圖2 拉延工序制件圖

1.2 坯料圖的設計與調試[5-6]

（1）從圖2的工件結構尺寸能夠看出，制件總長尺寸600mm和總寬尺寸530mm，在成形過程中幾乎是不發(fā)生變化的，所以初始坯料圖，可以先按這四個點的尺寸簡化成圖3的形式。

圖3初始坯料圖

（2）經(jīng)試模沖壓后，發(fā)現(xiàn)制件各端頭斜角過大，如圖4所示，有三處加工余量不足。根據(jù)這一情況，對坯料圖進行了調整，按照槽形斷面的各個拐點，將頂面工藝補充量減小，底面不足部分按缺少量增加，試圖獲得近于垂直的端頭，以減少修邊的加工量。改進后的坯料圖如圖5所示。

（3）經(jīng)再一次試沖后，發(fā)現(xiàn)各端頭處都有足夠的加工余量，而且端頭也比較直了。但是在端頭頂面拐角處已經(jīng)出現(xiàn)了頸縮或輕微裂口，如圖6所示。通過分析，認為是β角過大造成的，所以還需要進一步優(yōu)化坯料圖。

圖4 首試工件圖

圖5改進坯料圖

圖6再試工件照

（4）通過實物測量、理論分析和試沖驗證，在兼顧各方面影響因素的前提下，確定了優(yōu)化后的最終坯料圖，如圖7所示。采用最終坯料圖所沖壓出來的合格工件，如圖8所示。

1.3 完整工藝方案的確定[5-6]

拉延力的估算：

P=k×L×t×σb≈1×1280×4×560≈2867.2（kN）

式中：k——修正系數(shù)，根據(jù)變形量取為1；

圖7最終坯料圖

圖8最終工件照

L——立面棱線的總長度，L=1280mm；

t——坯料厚度，t=4mm；

σb——材料的抗拉強度，σb=560 N/mm2。

壓邊力的估算：

Q=F×q≈162696×3≈488（kN）

式中：F——被壓邊的坯料總面積，F(xiàn)=162696mm2；

q——所需單位壓邊力，q=3N/mm2。

上模氮氣彈簧力：

P1=n×p=4×24=96（kN） （遠大于所需退料力：

P退=0.01×P=0.01×2867.2≈28.7kN）

式中：P1——上模氮氣彈簧的總壓力；

n——氮氣彈簧的個數(shù)；

p——單個氮氣彈簧的壓力，p=24kN。

所以機床噸位選擇為：P總=P+P1+Q=3451.2（kN）

按P總≤（0.7~0.8）P壓的條件，最小可以選擇5MN的壓力機，但綜合考慮模具的結構尺寸要求、工件的成形特點和企業(yè)現(xiàn)有設備情況，決定在8MN液壓機上進行拉延成形。

零件完整工藝流程為：激光切割下料→模具拉延成形→等離子切割分塊→模具整形立邊→機加工外輪廓。

2 拉延模具設計

2.1 模具結構特點

根據(jù)門角組合體的工序圖，設計了結構如圖9所示的拉延模具。為一套凸模在下、凹模在上、帶有氣墊壓料板的拉延模?？紤]到模具的尺寸較大，采用了四個導柱來為上、下模導向；為獲得相對穩(wěn)定的壓邊力，下模采用了機床氣墊力壓邊；考慮到工件的外輪廓需要切割和機加工，定位精度要求不高，為簡化模具結構，在壓料板與凸模之間未采用精確的導向，而是留有1mm的單邊間隙，以保證壓料板的順利升降；為保證制件頂面的平整度，上模采用了四個荷載為2.4t的氮氣彈簧來壓料兼退件。因工件的材料厚度較大，強度較高，為保證模具的耐磨性，并能適于進行表面“TD”處理，凸、凹模組成及壓料板鑲塊均采用了淬透性好、硬度高、變形小的Cr12MoV合金模具鋼。

圖9門角拉延模

2.2 模具的工作過程

首先設定好氣墊的壓邊力，然后通過托桿14、15升起壓料板10，使壓料板鑲塊11的頂面高于凸模組成12的頂面10mm左右，再將涂好拉延油的坯料放到壓料板鑲塊上，靠緊四處擋料銷16來定位。開動機床使上模隨滑塊下行接觸坯料，將坯料壓緊在凹模組成與壓料板鑲塊之間。上模繼續(xù)下行，凸模組成12接觸坯料，拉延過程開始。當上、下模完全閉合時，工件的成形即告完成。開啟機床使上模隨滑塊上行，當凹模完全脫離凸模后，在氮氣彈簧8恢復力的作用下，通過退件板7將工件從凹模內退下，之后隨著壓料板的再一次升起而脫離凸模，然后由上料方向的同一側取出成形好的工件。如此循環(huán)操作來進行批量生產(chǎn)。

2.3 模具的設計要點

（1）為了避免因凸模鑲塊間出現(xiàn)錯牙而影響工件表面質量，凸模組成應沿模具中心線分為四塊，而不宜從圓弧切點處分為五塊或更多小塊。

（2）由于凸模分塊后局部斷面小，其與凸模座之間的定位，不適合柱銷結構，因而設計上采用了鍵槽結構。

（3）因為工件表面質量要求高，為防止產(chǎn)生劃傷，在坯料覆蓋區(qū)域內，不允許有銷釘或螺釘孔。

（4）為了獲得穩(wěn)定的壓邊力，避免工件因壓邊力過大而開裂，壓料板的頂面應高于其鑲塊頂面一個料厚以上。通過試驗得出該高度差取t+0.1最為合適。過小時制件易于開裂，而過大時凸緣翹曲嚴重，立面回彈加大。

（5）為了保證制件頂面的平整度，不能只考慮退件的需要，還需要增加一定的壓料力。而這個力也不是越大越好，過大會阻礙頂面邊緣處的材料向立面轉移，增大端頭開裂的風險。實踐證明，本模具所用氮氣彈簧的9.6t壓力效果良好。

（6）為了防止凹?？趫A角區(qū)產(chǎn)生粘滯瘤而劃傷工件，應對凹模組成的工作表面進行“TD”強化處理。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，未進行“TD”處理時，連續(xù)拉延30件左右就需要進行修模拋光，而進行“TD”處理后，連續(xù)拉延150件以上（一個生產(chǎn)批量，未做更大量的連續(xù)實驗），也不會產(chǎn)生粘滯瘤，無需進行修模拋光，效果十分明顯。

3 結束語

通過本例的批量生產(chǎn)驗證，表明板厚較大的高立邊不銹鋼門角，可以通過合理的工藝方案和模具設計，采用不完全封閉的拉延方式來完成。同時還驗證了模具表面“TD”強化處理的明顯作用。這一成功的實例，可為類似產(chǎn)品的工藝分析和模具設計提供很好的借鑒作用。

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Forming Process and Die Designfor a stainless steel door angle with high vertical brim

LV Haoyuan
（CRRC.Chang Chun Railway Vehicles Company Limited,Changchun,Jilin 130062）

In this paper,the shape and structural characteristics of a stainless steel door angle with high vertical brim were introduced.The forming process of the part was analyzed.The working process and designing kernel of the drawing die were expounded.Through the experiment,the reasonable size of the blank and the reasonable pressure on the material were determined,and the"TD"strengthening treatment of the concave die face was proved to be effective.

words:high vertical brim;stainless steel door angle;forming process;die design

TG386

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.018

1672-0121（2017）02-0058-04

2016-12-06；

2017-01-27

呂浩源（1959-），男，高工，從事板料成形研究與模具設計。

E-mail：lvhaoyuan@cccar.com.cn