軌道車輛不銹鋼拉彎件模具及夾頭設(shè)計(jì)研究

劉強(qiáng)+++梁紅波++陳積翠++李政

摘 要：輕量化設(shè)計(jì)的不銹鋼軌道車輛車體結(jié)構(gòu)件大量采用拉彎成形工藝制造。由于型材拉彎后存在彈性變形，卸載后不可避免地會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，拉彎件的彎曲輪廓精度與回彈的控制密不可分。拉彎胎模的工作面也就是外形輪廓設(shè)計(jì)直接影響拉彎件的輪廓精度，是拉彎胎模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文以先進(jìn)的位移控制模式下的數(shù)控拉彎機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合型材拉彎工藝設(shè)計(jì)軟件PSBPD和有限元分析，對拉彎模模具輪廓進(jìn)行考慮回彈量的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。此外，拉彎夾頭的咬合力及工作狀態(tài)的穩(wěn)定性也是制約拉彎機(jī)正常工作獲得合格產(chǎn)品的關(guān)鍵之一。結(jié)合拉彎現(xiàn)場試驗(yàn)及工藝參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，得到了滿足要求的高精度的拉彎產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：拉彎成形；模具設(shè)計(jì)；回彈；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：TG385 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

軌道車輛車體結(jié)構(gòu)中如車頂彎梁、空調(diào)連接梁等均采用拉彎工藝制造。其拉彎成形結(jié)構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)尺寸大、材料薄和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，因此對拉彎模具及夾頭的設(shè)計(jì)和制造提出了相當(dāng)高的要求。經(jīng)過分析和試驗(yàn)證明：通過仿真軟件合理預(yù)測拉彎變形回彈量，對拉彎胎膜的輪廓進(jìn)行考慮回彈量的補(bǔ)償精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。同時拉彎夾頭的咬合力及工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性也直接影響拉彎成形效果。

本文以某不銹鋼地鐵車頂彎梁的研制為例，基于PSBPD軟件對拉彎過程進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，優(yōu)化夾鉗加載軌跡，數(shù)控代碼由PSBPD軟件離線編程；通過有限元仿真計(jì)算回彈量，并對模具型面進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。結(jié)合拉彎現(xiàn)場試驗(yàn)及工藝參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，批量獲得了滿足設(shè)計(jì)要求的高精度的產(chǎn)品。

1.車頂彎梁零件簡介

某不銹鋼地鐵拉彎件：車頂彎梁，其輪廓曲線和截面形狀如圖1所示。為控制板材折彎件的精度，采用數(shù)控激光下料、數(shù)控折彎成形，控制截面精度在±0.2mm以內(nèi)，保證折彎件的一致性。并制定如下工藝路線：供料-調(diào)平-數(shù)控激光下料-調(diào)直-覆膜數(shù)控折彎-調(diào)整-拉彎-手工調(diào)-切頭-鉆孔。

2.拉彎模具設(shè)計(jì)

拉彎模具的設(shè)計(jì)要滿足材料成本低、模具重量輕、易加工、加工費(fèi)用低、易安裝拆卸、方便再次修模的技術(shù)要求。拉彎模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵包括拉彎模的輪廓線設(shè)計(jì)、剖面形狀設(shè)計(jì)、拉彎模的長度、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)、定位孔的位置等。

（1）輪廓線設(shè)計(jì)

工藝仿真的結(jié)果提供了型材拉彎成形回彈后的輪廓曲線數(shù)據(jù)，通過特定程序，可以將這一系列的點(diǎn)用光滑的曲線擬合起來，這樣就為模具設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。PSBPD軟件輸出輪廓線的GDO文件，再用特定程序輸出連續(xù)的模具輪廓線，再根據(jù)模具的輪廓曲線可以設(shè)計(jì)出模具整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

（2）拉彎模的長度設(shè)計(jì)

模具的有效長度應(yīng)較零件切割長度每邊增加10mm；兩端圓角半徑r不宜小于20mm；工作中機(jī)床的夾頭應(yīng)能自由進(jìn)入模具的后方，以便保證正確的軸向拉力作用方向，并減少毛料兩端的工藝余量，必要時模具兩端開出缺口形狀。

（3）結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的拉彎胎膜結(jié)構(gòu)由數(shù)層合并而成，并用螺栓連接。底板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，需按照所拉彎型材的壁厚大小來決定。對于模具受力特別大的部分，需要鑲鋼板局部加強(qiáng)。此外模具的剖面形狀應(yīng)符合于型材剖面的特點(diǎn)，間隙σ一般取0.2mm～0.5mm。如圖3所示為根據(jù)車頂彎梁的截面形狀和輪廓曲線設(shè)計(jì)的拉彎胎膜的剖面特征圖。

（4）定位孔的位置要求

定位孔的位置應(yīng)滿足兩個要求：模具的外形應(yīng)與在兩旁鉗口內(nèi)準(zhǔn)備拉彎的型材相切；模具的中心線與機(jī)床軸線重合。

3.夾頭設(shè)計(jì)

拉彎夾頭的穩(wěn)定性是保證數(shù)控拉彎機(jī)的關(guān)鍵之一；位移模式下設(shè)計(jì)的設(shè)備數(shù)控代碼實(shí)質(zhì)上是對夾頭軌跡的控制，要實(shí)現(xiàn)對夾頭的精準(zhǔn)控制，進(jìn)而獲得高精度的拉彎產(chǎn)品，拉彎夾頭必須對工件有足夠的垂向咬合力以及軸向拉力。因此對拉彎夾頭設(shè)計(jì)和制造精度提出了很高的要求。

（1）夾鉗總體設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和通用行，采用通用鑲塊結(jié)構(gòu)，如圖4所示，夾頭內(nèi)的夾塊必須按型材的截面形狀進(jìn)行更換，由于型材在拉彎過程中受到很大的軸向拉伸力，夾塊的齒面應(yīng)保持可靠地咬住型材的毛料，均勻傳遞拉力。為了防止將整個拉力集中在型材的某一剖面，齒面前端應(yīng)帶有平緩的過渡區(qū)，所有夾塊應(yīng)與型材表面均勻接觸，并使拉力的合力近似地通過型材剖面的型心。如果夾頭在型材剖面的合力作用點(diǎn)不通過型材剖面的型心，將產(chǎn)生一個額外的彎矩，使彎曲零件產(chǎn)生翹曲。根據(jù)PSBPD軟件可以精確計(jì)算出型材截面的型心坐標(biāo)，以此作為設(shè)計(jì)夾鉗型心的依據(jù)。

（2）夾鉗分塊設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)夾具的通用性，需根據(jù)夾持工件形狀進(jìn)行分塊，同時為了避免夾塊扭轉(zhuǎn)，每一分塊至少需包含一個螺紋用于螺栓固定鉗口分塊和一個便于安裝法蘭盤將分塊的鉗口安裝入鉗口時固定。根據(jù)不同形式的截面，夾鉗分塊也不同。圖4所示為根據(jù)車頂彎梁的截面設(shè)計(jì)的夾鉗分塊。

（3）夾頭夾塊設(shè)計(jì)。由于夾頭直接與工件接觸，工況條件比較惡劣；為節(jié)約夾頭的制造成本，夾頭設(shè)計(jì)成可更換的夾塊。為了保證夾頭工作狀態(tài)下地穩(wěn)定性及可互換性，夾塊的設(shè)計(jì)必須滿足如下要求：① 夾頭內(nèi)的夾塊必須按型材的剖面更換。② 夾塊的齒面應(yīng)保持可靠的咬住型材毛料，均勻傳遞拉力。③ 齒面前端應(yīng)帶有平緩的過渡區(qū)，所有夾塊應(yīng)與型材表面均勻接觸，并使拉力的合力近似地通過型材剖面的形心。（4）咬合齒面硬度及公差設(shè)計(jì) 。要保證夾頭的咬合力，就必須保證夾頭鑲塊齒面有足夠的硬度和楔入工件的深度；因此夾塊的齒面熱處理硬度值：HRC50～HRC55；夾塊的縱向尺寸公差要求取正。

如果鑲塊齒面硬度達(dá)不到要求或者鑲塊的尺寸精度和安裝精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，都會造成夾頭工作不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)如圖5所示的打滑現(xiàn)象；大量實(shí)踐證明，該牙形適合板厚大于2mm的型鋼拉彎的夾緊方式，用于1mm厚的型材拉彎夾緊則暴露了其缺點(diǎn)和不足。對于板料厚度為 1mm的空調(diào)連接梁，需要設(shè)計(jì)適用于薄板型材拉彎的夾緊牙形結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮鑲塊既要有凸凹部分的相互嚙合，又要解決零件在受力過程中的應(yīng)力集中、切斷零件的問題。

4.拉彎試驗(yàn)效果

根據(jù)PSBPD仿真軟件設(shè)計(jì)的回彈預(yù)測結(jié)果加工了拉彎模具， 并生成了拉彎機(jī)數(shù)控程序，并進(jìn)行了拉彎試驗(yàn)。經(jīng)過兩次地工藝參數(shù)優(yōu)化，試驗(yàn)獲得了批量合格的高精度的產(chǎn)品，如圖6所示。

結(jié)論

拉彎工藝是一種重要的彎曲工藝，是公司在輕合金軌道車輛車體制造上必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)；而拉彎工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是合理掌握拉彎模具及夾頭的設(shè)計(jì)方法和制造要點(diǎn)。而拉彎工藝數(shù)字化系統(tǒng)可以為拉彎工藝方案提供科學(xué)的指導(dǎo)，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。如PSBPD軟件可以設(shè)計(jì)初始優(yōu)化的加載軌跡，進(jìn)行數(shù)控代碼離線編程及拉彎機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真；有限元模擬可以進(jìn)行拉彎過程的變形規(guī)律分析，對拉彎工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，減小或者避免拉彎缺陷，預(yù)測回彈，為拉彎胎膜設(shè)計(jì)提供參考輪廓面，對于減少修模次數(shù)、降低模具費(fèi)用、提高材料利用率有著十分重要的指導(dǎo)性意義。

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