交叉桿桿身成形質(zhì)量工藝技術(shù)研究

文／黃連吉·中車齊齊哈爾車輛有限公司

交叉桿是鐵路貨車轉(zhuǎn)向架的重要零部件，生產(chǎn)批量大，質(zhì)量要求高，其制造工藝的可靠性直接影響到整車的運行穩(wěn)定性和行車安全性。交叉桿使用材質(zhì)為CR-1 的鋼管，具有良好力學(xué)性能和焊接性能，其外徑和壁厚尺寸為φ48mm×5mm，壁厚允許尺寸為4.8 ～5.9mm，外徑允許尺寸為φ47.7mm～φ48.7mm。生產(chǎn)工序為：桿身下料→鋸切、車破口→酸洗磷化→中部成形→兩端成形→調(diào)直→端頭組焊→與各部件組裝→整體探傷→涂漆→檢驗→成品。其中，中部成形工序是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序，交叉桿中部尺寸如圖1 所示。

圖1 交叉桿中部成形尺寸示意圖

在前期交叉桿桿身生產(chǎn)過程中，存在管壁外徑大于等于φ48.5mm，同時厚度大于等于5.5mm的管料，壓形時尺寸為：深度合格時，高度最大25.7mm，超差0.3mm，寬度最大60.3mm，超差0.3mm。對壓形模具進行多次調(diào)整，此條件下管料調(diào)不出合格品，致使交叉桿桿身廢品率居高不下。

桿身中部成形質(zhì)量工藝分析

質(zhì)量分析

⑴此管料中部壓形的模具已經(jīng)使用多年，模具凸模磨損可能較為嚴(yán)重，影響成形質(zhì)量。

⑵成形對稱度不好，容易造成管兩側(cè)剛度不匹配，產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響成形尺寸，而我們的模具為了便于調(diào)整寬度尺寸，采用了活動式下模，成形對中性及尺寸一致性不如整體式下模。

⑶凹模側(cè)壁較薄，強度弱，成形過程中側(cè)壁略向外張口，影響成形質(zhì)量。

工藝分析

⑴成形過程中，若模具凸模圓角太小，會使管料在成形過程中與凸模接觸的料偏少，即管料向中間空隙部位流動的少，材料都留在了凸模兩側(cè)，易使壓形后的窩深和全高數(shù)值偏大。

⑵在成形過程中，若凹模側(cè)壁強度不足，會導(dǎo)致工件變形產(chǎn)生的向外變形力推動凹模側(cè)壁向外擴張，這樣就導(dǎo)致工件局部的屈服強度值變低，引起工件塑性變形減少而彈性變形增加，成形后回彈量變大，影響成形尺寸。

⑶同理，在成形過程中，若凹模底部不與工件下部接觸，僅僅依靠凸模向下的壓形力來使工件成形，只能使工件與凸模接觸的位置變形劇烈，而工件下部并不能完全屈服，進而使工件成形后回彈變大。

基于JSTAMP/NV 成形仿真分析

JSTAMP/NV 軟件介紹

有限元成形仿真分析已經(jīng)成為模具設(shè)計過程中不可或缺的一部分，在三維設(shè)計中，通常需要用有限元分析進行驗證，以便找到最佳的設(shè)計方案。

JSTAMP 軟件中集成了LS-DYNA、HYSTAMP 和JOG/NIKE 求解器，融合了多年的產(chǎn)品研發(fā)和咨詢經(jīng)驗，能夠模擬幾乎所有鈑金沖壓的工藝類型，包括：自重偏斜、板料夾緊、壓邊、翻邊、液壓成形、彎管成形以及卸載回彈等，能夠精準(zhǔn)的預(yù)測破裂、起皺和回彈，不需要通過第三方軟件就能生成可直接用于生產(chǎn)的CAD 補償模面。本文利用JSTAMP 軟件的管料成形和回彈功能進行交叉桿桿身成形質(zhì)量問題的分析。

建立有限元模型

根據(jù)質(zhì)量及工藝分析可知，交叉桿成形時，模具凹模剛度是控制成形質(zhì)量的重要因素，且實施起來簡單、方便，凹模設(shè)計時應(yīng)該具有足夠的剛度，所以建立有限元模型時，將凹模設(shè)計成整體凹模，寬度為59mm。但是成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素在于凸模的尺寸，凸模圓角的大小決定著桿身成形時材料向下流動的多少。通過改變凸模圓角R 值，易于有效控制高度尺寸和深度尺寸，分別建立R12mm、R13mm、R13.5mm、R14mm、R14.5mm、R15mm等不同尺寸R值進行仿真分析。

在進行仿真分析前，利用Pro/E 三維軟件建立不同R 值的成形凸模和成形凹模模型，見圖2 和圖3。保證各模型在裝配后坐標(biāo)系重合，簡化模型組裝時調(diào)整過程。

圖2 成形凹模模型

圖3 成形凸模模型

要想得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，就必須有真實的材料數(shù)據(jù)作為依據(jù)，為此對管料進行了機械性能參數(shù)的測定：材料屈服強度為259MPa，抗拉強度為419MPa，伸長率為30%，使用外徑φ48.7mm、不同壁厚的管材建立模型。建立新項目，在工序流程中分別設(shè)置好凸模、凹模與板料的位置關(guān)系，模具與板料的摩擦材料屬鋼-鋼(一個是專用鋼材，另一個是模具鋼)，摩擦因數(shù)在無潤滑情況下μ=0.15，應(yīng)用JSTAMP/NV 對建立的有限元模型進行數(shù)值分析。

有限元結(jié)果對比分析

如果沒有有限元，單純靠CAD 很難解決實際問題。我們根本無法預(yù)測一根管在與凸模接觸后會產(chǎn)生怎樣的變化，有限元很好地解決了這一問題。從圖4中可以看出，有限元分析結(jié)果與實物圖基本吻合，設(shè)計圖紙中的15°和R13mm是純靠理想結(jié)果想象出來的，其實在沖壓成形中很難實現(xiàn)。

圖4 有限元、實物和設(shè)計對比圖

在相同外徑φ48.7mm、相同模具凸模R15mm、相同行程35.22mm的情況下用不同壁厚管進行分析。由圖5、圖6 和表1 中的數(shù)據(jù)可知，壁厚從4.8mm增加到5.9mm，對交叉桿壓形后高度、深度尺寸有一定影響：管壁越厚，成形后高度、深度尺寸略有增加。但從增加的數(shù)值分析，還不至于由于管壁太厚使壓形后尺寸超差嚴(yán)重，所以壁厚并不是影響成形尺寸的關(guān)鍵因素。

表1 相同外徑、凸模R 值、行程下不同壁厚情況下的分析結(jié)果

圖5 外徑φ48.7mm、壁厚5.9mm 成形

圖6 外徑φ48.7mm、壁厚4.8mm 成形

在相同外徑φ48.7mm、凸模R12mm、壁厚5.5mm的條件下，通過改變模具行程分析成形后高度、深度和寬度值。通過圖7 和表2 可以看出，行程減小0.22mm，高度就會相應(yīng)增加，深度會變小，在鎖定寬度值的條件下，在生產(chǎn)過程中通過行程調(diào)節(jié)高度和深度值成為可能。但是生產(chǎn)用沖床加工，且成形后管壁最小間隙不能小于2mm，所以行程不能隨意調(diào)節(jié)，只能進行少量調(diào)節(jié)。

圖7 行程減少分析結(jié)果

表2 相同外徑、凸模R 值、壁厚在減少行程情況下的分析結(jié)果

在相同外徑φ48.7mm、壁厚5.5mm、行程35.22mm 的條件下，通過改變模具凸模R 值分析成形后高度、深度和寬度值。通過表3 可以看出，隨著凸模R 值的增大，高度和深度都會逐漸變小，寬度基本不變。

表3 相同外徑、行程、壁厚在不同凸模R 值情況下的分析結(jié)果

通過以上分析結(jié)果得出：模具在使用過程中，可以通過少量調(diào)節(jié)設(shè)備行程，適當(dāng)調(diào)整交叉桿桿身成形后的高度和深度；模具凸模圓角為R14.5mm 時即可滿足尺寸要求，但考慮凸模磨損情況，最終確定凸模圓角R15mm 為設(shè)計尺寸進行模具設(shè)計，可以延長凸模使用壽命。

交叉桿桿身成形模具設(shè)計

為了使模具能夠快速投入使用，縮短制造周期，降低模具制造成本，此次模具模體采用分廠現(xiàn)有的模具模體進行改制。在原有的模體上將凹模進行加固處理，使凹模側(cè)壁變厚，增大凹模剛度，阻礙桿身成形時凹模側(cè)壁變形。凸模設(shè)計時圓角取R15mm，并將周邊進行倒鈍，以免劃傷桿身。因為交叉桿生產(chǎn)批量大，數(shù)量多，為提高凸模和凹模硬度和耐磨性，提高工件的表面質(zhì)量，凸模和凹模的材質(zhì)均為Cr12MnVo模具鋼，并進行滲氮處理。

工程驗證

花為媒

模具制造完成后(圖8，圖9)，進行了現(xiàn)場試驗，并邀請了相關(guān)單位進行現(xiàn)場安全質(zhì)量驗證監(jiān)督，緊固模具后，通過調(diào)節(jié)設(shè)備行程將模具閉合高度調(diào)整至限位塊間隙為4mm，進行試模生產(chǎn)驗證，桿身成形后外表面均未出現(xiàn)壓裂、劃傷、細(xì)小裂紋等質(zhì)量缺陷，每一個工件都用通止樣板進行檢測，并用游標(biāo)卡尺等測量工具對高度、深度、寬度進行測量，并將同批次桿身與用舊模具生產(chǎn)成形后管料進行數(shù)據(jù)對比，見表4。

圖8 模具實物圖

圖9 模具凸模實物

表4 新舊模具成形后尺寸對比

由表4 可知，舊模具桿身成形后尺寸略有超差或者介于臨界值，已經(jīng)不具備批量生產(chǎn)條件。新模具桿身成形后尺寸全部合格，將成形后桿身進行探傷，均未檢測到內(nèi)部裂紋，所有試驗件全部合格，經(jīng)各部門批準(zhǔn)，可以進行批量生產(chǎn)。

結(jié)束語

目前交叉桿已用此模具生產(chǎn)一年以上，暫未發(fā)現(xiàn)由于模具問題產(chǎn)生的尺寸超差及壓裂等現(xiàn)象，質(zhì)量穩(wěn)定，合格率高，工件已經(jīng)商品化，取得了良好的技術(shù)效果，達(dá)到了預(yù)期的理想目標(biāo)。同時，通過JSTAMP/NV 進行成形仿真分析，可同時試驗不同條件下的成形效果，并進行對比分析，縮短了研發(fā)周期，降低了成本。利用有限元仿真分析，還可以預(yù)測很多工程中的實際問題。