鐵路貨車(chē)門(mén)板沖壓?jiǎn)栴}分析與對(duì)策

陳新力，張 軍

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

高速重型鐵路貨車(chē)對(duì)于國(guó)家運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展有著重要意義，為了提高鐵路貨車(chē)的運(yùn)輸效率及節(jié)能效果，重型鐵路貨車(chē)的輕量化越來(lái)越重要，將高強(qiáng)度的鋼板應(yīng)用于鐵路貨車(chē)門(mén)板是輕量化的方式之一。為節(jié)約制造成本采用高強(qiáng)度鋼板后，利用原有模具沖壓成形門(mén)板，會(huì)因材料與模具零件的不匹配導(dǎo)致成形制件出現(xiàn)各種缺陷，為解決成形制件的缺陷，一般由鉗工對(duì)模具零件進(jìn)行反復(fù)修整，這種處理方式效率低、成本高、周期長(zhǎng)。

現(xiàn)應(yīng)用ATOS I 350&TRITOP三維光學(xué)測(cè)繪儀與AutoForm有限元軟件相結(jié)合的方法，分析某鐵路貨車(chē)門(mén)板成形缺陷問(wèn)題，找出其產(chǎn)生原因，提出優(yōu)化方案，完成模具零件整改，使成形的制件滿(mǎn)足質(zhì)量要求。

1 貨車(chē)門(mén)板沖壓?jiǎn)栴}

1.1 貨車(chē)門(mén)板及材料參數(shù)

重型鐵路貨車(chē)門(mén)板的外形尺寸為980 mm×2 059 mm×50 mm，厚度為5 mm，凸臺(tái)高度為50 mm，原坯料尺寸為2 170 mm×1 115 mm，如圖1所示。

因貨車(chē)輕量化升級(jí)，門(mén)板材料更換為強(qiáng)度更高的耐候鋼S450AW，性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

圖1 貨車(chē)門(mén)板

1.2 貨車(chē)門(mén)板新材料沖壓?jiǎn)栴}

采用高強(qiáng)度耐候鋼S450AW在成形原貨車(chē)門(mén)板模具上進(jìn)行沖壓，結(jié)果顯示成形的制件回彈大，用專(zhuān)用檢具測(cè)量，最終成形的制件4個(gè)拐角處凸槽高度不夠50 mm，制件不合格，如圖2所示。

圖2 新材料沖壓后檢測(cè)凸槽高度不滿(mǎn)足要求

2 門(mén)板模具光學(xué)掃描與建模

2.1 原制件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析模型建立

CAD軟件建立制件的三維模型如圖3所示，將三維模型導(dǎo)入有限元軟件AutoForm中，結(jié)合制件生產(chǎn)工藝，建立全工序成形分析模型，如圖4所示，成形工藝為：拉深成形→修邊→整形。

圖3 門(mén)板零件三維模型

圖4 門(mén)板沖壓成形工序設(shè)置

2.2 模具零件型面數(shù)據(jù)分析模型建立

因模具使用多年并對(duì)其進(jìn)行多次維修，模具零件型面結(jié)構(gòu)與制件原始數(shù)據(jù)相差較大，影響成形分析結(jié)果，需要獲得精確的實(shí)際模具零件型面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用ATOS I 350&TRITOP三維掃描設(shè)備對(duì)成形門(mén)板上、下模零件型面進(jìn)行掃描，獲得實(shí)際的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

將成形門(mén)板模具的上、下模打開(kāi)平放至地面，掃描前噴涂顯影劑的模具零件型面如圖5所示，再用ATOS設(shè)備進(jìn)行逆向掃描。由于掃描的零件尺寸較大，為了保證測(cè)量精度，需采用TRITOP系統(tǒng)進(jìn)行空間定位，掃描過(guò)程為：觀(guān)察被測(cè)物體表面反射情況→清理測(cè)量表面油污雜物→噴涂顯影劑→粘貼參考點(diǎn)→ATOS I 350&TRITOP三維掃描→點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、輸出。

圖5 掃描前噴涂顯影劑的模具零件型面

通過(guò)光學(xué)掃描采集模具零件型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)入AutoForm軟件中生成實(shí)際模具零件型面數(shù)據(jù)分析模型，如圖6所示。

圖6 掃描數(shù)據(jù)處理后得到的模具零件型面3D模型

3 成形缺陷原因分析

將成形制件3D數(shù)據(jù)制作分析模型進(jìn)行全工序模擬，分析結(jié)果顯示凸槽高度能滿(mǎn)足要求，制件整體存在回彈趨勢(shì)，但無(wú)實(shí)際沖壓制件表現(xiàn)的翹曲異?，F(xiàn)象。按掃描的實(shí)際型面3D數(shù)據(jù)制作分析模型進(jìn)行全工序模擬，分析結(jié)果顯示，成形制件出現(xiàn)了與實(shí)際沖壓制件類(lèi)似的翹曲異?，F(xiàn)象，且凸槽高度與實(shí)際沖壓的制件凸槽高度一致，不能滿(mǎn)足使用要求。

通過(guò)對(duì)比2種數(shù)據(jù)的差異，比較2種模型分析的成形過(guò)程，總結(jié)引起成形制件翹曲異常及凸槽高度不夠的問(wèn)題有以下2個(gè)主要原因。

（1）模具零件局部型面尺寸異常。通過(guò)對(duì)模具零件型面與成形制件的數(shù)據(jù)差異進(jìn)行對(duì)比，A1-A1、A2-A2、B1-B1、B2-B2側(cè)凸槽處模具零件型面與成形制件一致，4個(gè)拐角處模具零件型面與成形制件相差較大，如圖7中C2-C2、C3-C3剖面結(jié)構(gòu)所示。模具零件型面拐角處與成形制件型面相差較大，導(dǎo)致成形后制件出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。

（2）成形時(shí)模具零件未完全閉合到位。圖8所示為AutoForm采用實(shí)際模具零件型面數(shù)據(jù)模擬的門(mén)板成形過(guò)程。從圖8可以看出，拉深結(jié)束時(shí)，A處上下模已經(jīng)閉合，但B處壓邊圈還有2 mm未到位，導(dǎo)致成形的制件未成形到位。檢查模具上模A處型面發(fā)現(xiàn)，凹槽A處安裝有補(bǔ)丁條，如圖9所示。該補(bǔ)丁條是模具在使用過(guò)程中整改時(shí)增加的，經(jīng)測(cè)量對(duì)比，補(bǔ)丁條型面比模具零件正常型面高約2 mm，補(bǔ)丁條型面高出模具零件型面是導(dǎo)致A處較壓邊圈提前閉合的原因。

4 整改方案

針對(duì)上述2個(gè)引起成形制件缺陷的原因，制定整改方案：首先在模具4個(gè)拐角區(qū)型面變化較大區(qū)域，對(duì)上、下模進(jìn)行補(bǔ)焊和加工處理，修正模具零件型面與成形制件的型面保持一致；另外按CAE分析結(jié)果確認(rèn)上模凹槽補(bǔ)丁條型面突出量，重新加工上模補(bǔ)丁條，消除補(bǔ)丁條造成的凸起部分。

圖7 模具零件型面3D掃描數(shù)據(jù)與制件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 掃描數(shù)據(jù)成形過(guò)程模擬

圖9 上模凹槽存在高出型面的補(bǔ)丁條

模具經(jīng)過(guò)整改，在壓力機(jī)上進(jìn)行試沖后，用檢具在相同位置對(duì)凸槽高度進(jìn)行檢查，與整改前進(jìn)行對(duì)比，整改后高度不夠問(wèn)題得到了解決，如圖10所示；另外成形制件的翹曲異常現(xiàn)象消失，雖然仍存在回彈，但回彈趨勢(shì)與原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致，模具可按CAE分析模擬回彈結(jié)果進(jìn)行回彈補(bǔ)償即可。

圖10 檢具測(cè)量凸槽高度合格

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鐵路貨車(chē)門(mén)板成形后出現(xiàn)的翹曲和凸槽高度不夠的問(wèn)題，采用ATOS I 350&TRITOP三維掃描儀掃描模具零件型面及應(yīng)用CAE進(jìn)行原因分析，解決了成形制件的缺陷，可以得出以下結(jié)論。

（1）模具維護(hù)過(guò)程中增加2個(gè)高于型面的補(bǔ)丁條，致使模具成形制件時(shí)壓邊圈不能完全到位，是導(dǎo)致成形門(mén)板凸槽高度不夠的主要原因；模具零件成形制件時(shí)不到位且在模具零件4個(gè)拐角區(qū)型面與成形制件型面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相差較大是造成制件翹曲異常的主要原因。

（2）三維逆向掃描和有限元模擬相結(jié)合的分析應(yīng)用可以提高模具整改效率，節(jié)約制造成本，縮短整改周期。