敞车门扣铁成型分析和模具设计

敞车门扣铁成型分析和模具设计

摘要:简述了敞车门扣铁压型过程,介绍了变形步骤,详细分析冲裁变形过程、模具间隙确定方法及弯曲变形特点。运用理论分析与生产试验相结合的方法,确定模具间隙及上下模块尺寸,完成模具设计。

关键词:冲裁;剪切断面;模具间隙;弯曲变形;模具设计

1敞车门扣铁介绍

敞车门扣铁是铁路敞车上的配件,其形状和尺寸如图1所示,材料为Q235A,不允许有毛刺。根据门扣铁形状特点,设计落料弯曲复合模具在压力机上锻压成型。其模具结构如图2所示,模具下行过程中当上模与坯料上表面接触时将坯料冲裁成适合长度,带R25mm圆弧的条料。上模继续下行当工件下表面与下模垫铁接触时弯曲出径向R15mm圆弧。当模具与工件上下表面完全贴实时,利用上模下行的惯性力对工件进行整形。最后,模具上行,顶料杆顶出下模垫铁将工件推出。本模具设计的关键在于确定模具间隙及凸凹模尺寸,只有通过详细分析工件成型过程才能确定最终方案。

2成型分析

门扣铁的成型过程主要有2步,即冲裁过程和弯曲过程。对这2个过程的分析将为确定解决方案提供理论依据。

2.1冲裁过程分析

冲裁过程从弹、塑性变形开始,以断裂告终,整个过程分3个阶段。第2阶段为塑性变形阶段,材料内应力超过屈服点,材料与凸模边缘接触区将产生压缩环带(见图3),发生塑性剪切。第3阶段为断裂阶段,在理想剪切情况下,当凸模进入材料的1/3料厚处产生裂纹。当凸、凹模间间隙合理时,上下裂纹相互重合,材料随机分离。

2.2模具间隙对冲裁件质量的影响

凸凹模间隙大小与均匀程度是影响冲裁件质量的主要因素。间隙过大或过小都会对制件断面造成不良影响,同时也会对模具造成一定损伤。从图4可以看出,当模具间隙合理时剪切裂纹重合,冲裁断面从上到下依次为断裂带、光亮带和圆角带。此时冲裁出的工件质量最好,模具寿命相对较长。研究表明,当光亮带占料厚的1/3~1/2时,其剪切断面的圆角半径中等,断面斜度小,毛刺很小,模具寿命高。而间隙在一定范围内[z=(14%~24%)t](式中,z为间隙,t为工件厚度)变化时,毛刺高度小且变化不大,这称为毛刺稳定区,可供选择合理间隙值时参考。

2.3弯曲变形分析

工件在冲裁完毕后,上模在模腔内继续下行,工件在上模和下模垫铁的作用下完成弯曲变形。工件变形的顺序为:V型弯曲→S型弯曲→最终成型。根据工件宽厚比,确定用宽板弯曲理论进行分析。假设横断面的形状变化不大,仍基本保持矩形,在材料纵向,将产生最大应力应变,板料弯曲内区受压缩而缩短,外区受拉伸而伸长。变形的主要区域是变形件的圆角部分。在工件2个较小弯曲圆弧处,板料外部伸长材料相对于中间大弯曲圆弧来说又是内部缩短材料,反之亦然。加之,此处在材料变形时受到模具最大压应力和摩擦力,导致2个小圆弧处应力应变十分复杂,若受到的应力达到材料屈服极限时将产生裂纹。而工件在此2处变形时,材料的径向压应力和横向拉应力也很大。理论计算得出,工件上表面AA展开长度为147.46mm,中间层OO展开长147.47mm,下表面BB展开长度为147.46mm,见图5,可确定理论工件展开长度为147.5mm。但在实际压型时,材料变形并不完全符合理论计算值。由于材料变形还受到诸如摩擦阻力和变形抗力的作用,实际变形过程中部分材料没有充分走动,而是靠摩擦阻力大的部位材料变薄来补充伸长材料。从而导致实际第1步冲出的坯料长度达不到理论计算展开长度值时,就可弯曲到位,而且在拐角部位材料变薄较其他部位严重。

3模具设计

3.1确定模具间隙

考虑到设备现状及模具寿命,选用中等间隙比较合理。此种间隙光亮带占料厚的1/3~1/2,间隙值z=(14%~24%)t=1.68~2.88mm。为确定合理间隙,先选用1.68~2.88mm之间的几个间隙值,按照由小到大的顺序依次试验,测量落料件光亮带高度,光亮带高度越接近料厚的50%,选用的间隙越合理。根据试验结果可知当间隙取2mm时,光亮带高度最接近材料厚度50%,而且间隙在磨损后增大到2.6mm时仍能保证工件断面质量。因此选用初始间隙为2mm,作为模具制作间隙。

3.2确定模块尺寸

在确定落料凹模刃口长度时,采用理论估计法和生产验证相结合的方法。因工件尺寸公差为±1mm,可按坯料的冲裁长度在理论计算长度以下每0.5mm处取1个值。按照这几个长度尺寸,先按小尺寸制作冲裁凹模与凸模,通过试验,测量成型后的工件尺寸,与图纸要求进行比较,最终选择最合适的模具长度尺寸。根据试验结果可知,当凹模刃口长度为144mm时,压型后的工件尺寸更符合图纸要求(实际计算时按图纸的上差计算)。因此确定工件第1步落料长度为144mm,按照落料长度尺寸制作落料凹模。凹模制作完毕后,按照合理间隙配合加工落料凸模。此外,为了减小工件小圆角处的应力应变,使工件弯曲变形尽可能接近理想状态,模具与工件接触的表面应尽可能光滑,与工件下表面接触的凸模垫铁小圆弧处制做成R10mm,小于工件实际尺寸。在模具使用过程中要注意模具工作面的润滑和保养。确定的模具尺寸如图6所示。

4结束语

(1)锻压模具设计合理,满足生产需要。(2)合理的模具间隙能够有效提高工件断面质量。(3)合理的上下模块尺寸并采取润滑措施后,压型出的工件长度均匀,弯曲部位变薄程度较小,能够有效减少拉裂现象出现。(4)运用专业理论分析工件成型原理与变形特点,再结合生产试验的方法设计模具更精准高效。

作者:张全伟 单位:中车西安车辆有限公司设计部