乙形側(cè)柱成型工藝研究

張 勇,張 杰,馬 彪,馬冬莉

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司,河北 唐山 063035)

0 引 言

軌道客車車體由鈑金件拼焊而成,配件成型質(zhì)量及精度是決定車體焊接質(zhì)量及外觀質(zhì)量的關(guān)鍵因素,軌道客車車體鈑金件主要以2～10mm厚的中厚板為主,常用的成型工藝主要有模具壓型、拉彎成型、折彎、翻邊等,鈑金件成型過程與材料性能、工件形狀、壓邊力、凹凸模間隙、沖壓速度等許多因素有關(guān)[1-2],根據(jù)零件的材質(zhì)及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),選擇合理的成型工藝,可以有效保證零件成型質(zhì)量。傳統(tǒng)鈑金沖壓成型中容易出現(xiàn)拉裂、起皺、回彈等缺陷影響產(chǎn)品質(zhì)量,在模具制造完成前無法預(yù)測(cè)產(chǎn)品缺陷,隨著計(jì)算機(jī)有限元模擬軟件的發(fā)展,板料塑性成型有限元模擬技術(shù)在鈑金加工中得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行仿真,通過有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)彎梁成型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。文獻(xiàn)[10]介紹了U形金屬件沖壓模具的設(shè)計(jì)過程,經(jīng)工藝分析與計(jì)算,確定了沖壓件的工藝方案及沖模結(jié)構(gòu)形式。Dynaform軟件可以進(jìn)行鈑金件的坯料尺寸計(jì)算及排樣,預(yù)測(cè)成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷,優(yōu)化沖壓模具和工藝設(shè)計(jì),從而有效地縮短新產(chǎn)品生產(chǎn)周期,提高沖壓成型質(zhì)量[4-8]。

本文對(duì)軌道客車中新產(chǎn)品乙型側(cè)柱進(jìn)行數(shù)值模擬,由于該零件為Z形非對(duì)稱截面,材質(zhì)抗拉強(qiáng)度較高、板料厚,易出現(xiàn)回彈、扭曲等成型缺陷。運(yùn)用Dynaform軟件對(duì)側(cè)柱成型過程進(jìn)行仿真模擬,通過對(duì)模具設(shè)置不同參數(shù)時(shí)零件的回彈進(jìn)行仿真分析,確定合理的模具設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)制造側(cè)柱成型模具,使用1250t壓力機(jī)進(jìn)行壓型,并對(duì)模具及坯料尺寸進(jìn)行調(diào)整,直至零件符合使用要求,驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性,有效減少生產(chǎn)成本,縮短了新產(chǎn)品制造周期。

1 零件成型仿真

某軌道客車新產(chǎn)品車體斷面結(jié)構(gòu)具有較大變化,側(cè)墻關(guān)鍵零件乙型側(cè)柱為左右對(duì)稱零件,左件如圖1所示,材料為3mm厚Q345NQR2TB/T 1979—2014冷軋耐候鋼板,該零件截面為乙形結(jié)構(gòu),中間為圓弧部分,為保證側(cè)墻外觀質(zhì)量及焊接尺寸,乙形側(cè)柱單件成型精度要求較高,成型后保證側(cè)柱與側(cè)墻貼合面平面度小于0.5mm,整體扭曲度小于1mm,垂直度小于±0.5mm,截面各段的主要尺寸為:40(0, +1)mm, 35(0, +1)mm, 70(+0.5, -0.5)mm。

圖1 乙形側(cè)柱

乙形側(cè)柱為新產(chǎn)品,截面為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)且零件細(xì)長,材料抗拉強(qiáng)度較高、板料厚,成型難度較大,不同成型方案的零件成型后尺寸精度相差較大,使用Dynaform軟件對(duì)側(cè)柱成型的不同工藝方案進(jìn)行仿真模擬,通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè)產(chǎn)品的回彈及成型缺陷,選擇最優(yōu)和成型方案,可以降低生產(chǎn)成本,縮短生產(chǎn)周期。與汽車零部件普遍采用的拉深成型后進(jìn)行切邊及沖孔的加工工藝不同,由于軌道客車車體鈑金件種類較多數(shù)量少,成型過程中拉深量較少,軌道客車車體鈑金件大多數(shù)采用下料后成型的方案,通過分析乙形側(cè)柱產(chǎn)品結(jié)構(gòu),確定以下成型方案:首先通過計(jì)算得出合理的展開尺寸,第一序激光切割下料,同時(shí)切割出側(cè)柱上的所有長圓孔及圓孔;第二序上下同時(shí)翻邊成型。

使用Dynaform仿真軟件對(duì)乙形側(cè)柱成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬,選取不同的凸模圓角半徑、凸模運(yùn)動(dòng)速度,對(duì)不同參數(shù)下零件的回彈進(jìn)行對(duì)比分析,確定合理的參數(shù),并制造模具進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 仿真模型建立及結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)有成型方案建立有限元仿真模型,對(duì)不同參數(shù)情況時(shí)側(cè)柱成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,預(yù)測(cè)側(cè)柱成型缺陷及回彈,確定最優(yōu)的工藝參數(shù)(表1)。乙形側(cè)柱壓型過程的有限元模型如圖2所示。主要由上翻邊模、下翻邊模、凹模、板料等部分組成,由于軌道客車鈑金成型件的特殊性,一般采用下料后成型的工藝方案,坯料尺寸提前計(jì)算好,仿真模型中并未增加壓邊圈,零件下部有壓料板(見圖2)。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

圖2 仿真模型

按照表1仿真參數(shù),對(duì)不同參數(shù)時(shí)側(cè)柱成型過程進(jìn)行仿真,分析零件的回彈。

上翻邊模移動(dòng)速度與下翻邊模速度相同,均為2000mm/min時(shí),上凸模圓角半徑R=1mm和R=3mm的仿真結(jié)果分別如圖3、 4所示,凸模圓角半徑R=1mm時(shí),中間平面扭曲回彈約為4mm;R=3mm時(shí),中間平面扭曲回彈約為7.2mm。

圖3 R=1mm上模速度2000mm/min下模速度2000mm/min

圖4 R=3mm上模速度2000mm/min下模速度2000mm/min

選取凸模圓角半徑R=1mm,上翻邊模與下翻邊模運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí),零件成型后中間面的回彈不同,按照表1仿真參數(shù),對(duì)不同運(yùn)動(dòng)速度時(shí)側(cè)柱的成型進(jìn)行仿真分析,上翻邊模移動(dòng)速度2000mm/min,下翻邊模速度1000mm/min時(shí),零件的回彈如圖5所示,中間平面扭曲回彈約為1.9mm。

圖5 R=1mm上模速度2000mm/min下模速度1000mm/min

當(dāng)上翻邊模移動(dòng)速度2000mm/min,下翻邊模速度500mm/min時(shí),零件的回彈如圖6所示,中間平面扭曲回彈約為9.8mm。

圖6 R=1mm上模速度2000mm/min下模速度500mm/min

當(dāng)上翻邊模移動(dòng)速度2000mm/min,下翻邊模速度500mm/min時(shí),零件的回彈如圖7所示,中間平面扭曲回彈約為9.3mm。

圖7 R=1mm上模速度1000mm/min下模速度2000mm/min

圖8 側(cè)柱壓型模具

由仿真結(jié)果可以知,采用上下翻邊一次成型的方案,R=1mm,上翻邊模移動(dòng)速度2000mm/min,下翻邊模速度1000mm/min時(shí),當(dāng)上下翻邊模與零件接觸位置存在差異時(shí),中間平面扭曲回彈約為1.9mm。零件成型后在拐角處還存在起皺等缺陷,同時(shí)折彎后零件90°尺寸也存在回彈,這些成型缺陷可以通過對(duì)模具進(jìn)行回彈補(bǔ)償進(jìn)行消除。

3 模具設(shè)計(jì)制造及驗(yàn)證

按照仿真結(jié)果設(shè)計(jì)并制造模具,完成模具制作后,進(jìn)行壓型試驗(yàn),使用仿真軟件確定側(cè)柱展開圖,并使用激光切割下料,將兩套壓型模具安裝于1250t壓力機(jī)上進(jìn)行壓型試驗(yàn)。

由仿真回彈分析結(jié)果可以看出,圓弧附件側(cè)柱中間平面扭曲回彈較大,在模具上相同位置增加回彈補(bǔ)償,同時(shí)需調(diào)整上下翻邊模的相對(duì)位置,并根據(jù)壓型后零件測(cè)量結(jié)果對(duì)模具進(jìn)行修整,側(cè)柱樣件如圖9所示,最終零件中間平面扭曲度小于1mm,滿足使用要求,其余角度尺寸經(jīng)實(shí)際測(cè)量后基本滿足使用要求。

圖9 樣件檢測(cè)

4 結(jié) 論

對(duì)軌道客車新產(chǎn)品乙形側(cè)柱的成型工藝進(jìn)行研究,使用Dynaform仿真軟件對(duì)不同工藝參數(shù)側(cè)柱成型工藝進(jìn)行有限元分析,根據(jù)回彈結(jié)果及成型缺陷確定合理的加工工藝,設(shè)計(jì)制造壓型模具,進(jìn)行壓型試驗(yàn),得到了乙形側(cè)柱合格樣件,驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性,縮短了生產(chǎn)周期,降低了生產(chǎn)成本,同時(shí)為后續(xù)新產(chǎn)品成型方案的確定提供了有效的解決方法。