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摘要：分析了裝貨口蓋成形工藝性，并進行了理論計算和模擬驗證，由此制定了該工件的成形工藝、模具設計方案。
關鍵詞：工藝分析；起伏成形；數值模擬；模具設計

1 前言

我公司作為鐵路貨車出口基地，在出口車市場上占有相當大的份額，澳大利亞糧食漏斗車是我公司繼2000年以后又一次向西方發達國家出口的鐵路貨車。裝貨口蓋(圖1)是該車的重要外覆蓋件，生產數量多、質量要求高。

工件材質09CuPCrNi，是鐵路貨車常用的耐侯鋼，具有良好的抗腐蝕性和較高的強度，但它的成形性能比08-F或Q235要差一些。從產品結構上看，零件中部加強筋是典型起伏成形，而兩側則是彎曲成形。從近年來我廠生產實踐驗證，該類材料屈服強度較高、塑性較差，成形時容易出現破裂、翹曲等質量問題。

2 成形工藝分析及工藝計算

起伏成形是一種使材料局部區域發生變形、拉薄，造成局部凹進或突起，來改變毛坯形狀的沖壓加工方法。這種方法提高了工件自身的剛度，而且使工件的外形美觀，同時工件在組裝焊接時，抗熱應力變形的強度也得到提高。

裝貨口蓋成形的難點就在于中部加強筋的成形，主要有兩個方面的問題：其一是由于板料變形產生拉薄，加上塑性較差，極易導致成形部位破裂；其二是成形時，材料流動的速度和方向不一樣，工件內部應力分布不均勻，造成板料失穩起皺、翹曲。而且后者靠增加工序等手段是很難修復的。

2.1 成形極限判斷

首先，根據加強筋的形狀和材料性能，計算材料在一次成形工序中的極限伸長率(圖2)即：

由此可確定，裝貨口蓋加強筋可以一次成形。

2.2 壓邊力的計算

裝貨口蓋加強筋起伏成形時，在筋端頭處，板料要向凸筋流動，以補充材料的不足。這樣在筋端頭部分的材料應力狀態與橢圓形件拉深相似，徑向產生拉應力，切向產生壓應力。如果不用壓邊，該處將會失穩起皺。其壓邊力：

從計算結果看，所需的壓邊力較大，應該采用設備驅動壓邊。

2.3 成形數值模擬及工藝方案的確定

我廠自2000年初開始實施“鐵路貨車產品開發并行工程”以來，現已裝備了數值模擬軟件--Dy-naform。它是由ETA公司研制的基于LS-DANA的飯金沖壓仿真分析系統的專業CAE軟件，是專門處理板材成形有限元分析的數值模擬系統。
基于工藝計算結果，在計算機上利用沖壓成形數值模擬系統Dynaform進行了成形模擬分析。分析結果的應力云圖見圖3。

從數值模擬分析結果看，在壓邊力的作用下，加強筋端頭的褶皺基本消除，但在工件長邊的兩側出現較大的波浪翹曲現象。主要是由于在壓筋時，每個加強筋端頭成形致使板料產生的內應力相互作用，從而出現波浪翹曲現象，直接影響后序側邊彎曲。

通過數值模擬分析，可以預知，采用先壓加強筋，再進行兩側長邊折彎的工藝方法會產生難以修復的質量問題。

考慮到工件兩側是彎曲成形，可以采用復合工序的手段，利用雙動壓力機，先完成工件兩側的彎，然后再壓加強筋(圖4所示)。這樣第一個動作完成了工件的彎曲成形，又負責壓筋時的壓邊，尤其是在完成彎曲成形后，工件的彎曲部位起到了拉延坎的作用，兩道拉延坎的阻力再加上第一個動作設備自身的壓力，完全阻止了工件長邊兩側材料的流動，使加強筋兩端成形完全處于脹形狀態。另外由于彎曲成形在先，增加了工件的自身剛度，阻止了壓筋時導致的翹曲現象。

3 模具設計

前文已經確定了裝貨口蓋沖壓成形的工藝方案。下面將介紹復合成形模具的結構設計。在模具設計時，適當減小壓筋凹模的圓角r,r=2t(t為板厚)，第一是考慮壓筋凹模的圓角較易磨損，減小凹模圓角可以預留磨損量，第二是使筋在不破裂的前提下，使加強筋的輪廓更加清晰、美觀。另外壓筋是靠凸模和凹模圓角成形，所以在壓筋凸模下方的凹模部分采用鏤空方式，以避免成形時出現干涉現象。

實踐證明，壓筋同樣存在回彈現象，這里的回彈是指壓形后加強筋的實際高度值，要比設計凸模高度值小。為了保證筋的尺寸，壓筋凸模高度取16mm。

在第一個動作彎曲成形時，為了提高成形平面度、減小彎曲回彈，采用彈性壓料，彈性壓料裝置在全部成形終了時，兼作卸件器。壓筋凹模鑲在壓料板上。

模具主要結構見圖5。模具工作過程如下：

彎曲上模下行，接觸板料，并在壓料板的作用下壓緊板料，彎曲七模繼續下行，完成彎曲成形后負責壓緊坯件。壓筋上模下行，壓筋凸模接觸坯件，壓筋上模繼續下行，完成加強筋脹形。壓筋上模上行，彎曲上模上行，壓料板在彈簧力的作用下將工件頂出彎曲凹模。至此，完成工件的全部成形。

4 結束語

通過對裝貨口蓋成形工藝分析，對可能出現的質量問題作了預測，找到了較為可靠的復合工藝方法，利用彎曲成形來抑制或改善壓筋的質量缺陷，同時也簡化了工藝過程，提高了生產效率。

模具投人使用后，順利完成了澳大利亞糧食漏斗車裝貨口蓋的壓制工作，工件外觀光滑、棱線清晰，無開裂、無翹曲。可以認為，裝貨口蓋沖壓成形工藝分析及模具結構設計，對鐵路貨車生產中的類似覆蓋件成形，都有借鑒價值。