李伟
中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江 齐齐哈尔 161002
摘要：高速重型铁路货车对于国家运输行业的发展有着重要意义，为了提高铁路货车的运输效率及节能效果，重型铁路货车的轻量化越来越重要，将高强度的钢板应用于铁路货车门板是轻量化的方式之一。为节约制造成本采用高强度钢板后，利用原有模具冲压成形门板，会因材料与模具零件的不匹配导致成形制件出现各种缺陷，为解决成形制件的缺陷，一般由钳工对模具零件进行反复修整，这种处理方式效率低、成本高、周期长。
关键词：铁路货车门板冲压问题分析与对策
前言：在铁路货车零件的产品设计阶段，采用冲压成型仿真软件对冲压件进行成型仿真，可以验证冲压件的成型性能，为产品设计提供重要依据。
一、铁路货车底门板冲压落料
工件落料和冲孔的方向从理论分析均应从下模中落下，但两者互相包容无法实现同一方向动作，所以底门板实现落料和冲孔的复合动作，冲孔的方向必须向下，而落料的方向相应向上。首次设计大型工件落料方向向上的模具，从冲压工艺来说，落料就是料边和工件分离的工序，两者分离，则尺寸大的工件有时从上模上落下，有时卡在上模内，没有规律性，就存在工件落下发生伤人、伤设备、伤模具的安全事故，或者工件被冲废的情况，无论哪种情况，都是不希望发生，模具设计难度较大。但为保证模具落料、冲孔基准与工件设计基准和工件组装基准的一致，提高工件的互换性，冲孔落料模具的设计势在必行。卸料板组成由上、下卸料板、聚氨酯弹簧、卸料螺钉和凸模垫板组成，整体用螺钉固定在上模，当模具制造和检修时，可以快速整体拆卸，当更换凸模时，仅需拆卸凸模垫板。凸模垫板使用锥形定位销，锥形定位销中心加工螺纹，用拔销器快速拆卸定位销。聚氨酯弹簧的初始压缩量设计为8％，模具的卸料力对工件的平面度的降低具有一定的作用。推料板组件由上、下推料板、聚氨酯弹簧、卸料螺钉和凸模垫板组成，整体用螺钉固定在下模。卸料板组件和推料板组件是柔性的，当更换备件时，可以整体拆卸，减少模具修理的辅助时间。凸、凹模间隙的确定，落料时单边间隙按模具设计手册取板料厚度6％，冲孔的单边间隙取8％。
二、铁路货车门板冲压问题分析
1.货车门板及材料参数。重型铁路货车门板的外形尺寸为980 mm×2 059 mm×50 mm，厚度为5 mm，凸台高度为50 mm，原坯料尺寸为2 170 mm×1 115 mm，.2 货车门板新材料冲压问题采用高强度耐候钢S450AW在成形原货车门板模具上进行冲压，结果显示成形的制件回弹大，用专用检具测量，最终成形的制件4个拐角处凸槽高度不够50 mm，制件不合格。
2.下侧门板外缘成型部分面积较大，能参与变形的材料较多，变形趋势平缓，无成型困难。但中间两道小成型筋，距外缘成型筋分别拉伸成型时需要周边材料流入，属于拉伸成型。因与外缘成型筋距离较小，同时本身圆弧及相邻成型筋圆弧尺寸均圆弧成型较为急剧，两道成型筋间距离过小，可参与筋拉伸变形的材料有限，拉伸过程中材料流入不足，圆弧部分材料变薄最剧烈，可能会造成成型筋圆弧破裂。
若分别落料和冲孔，则需要2副模具，成本较高，生产技术准备周期长；若工件(已压型)单独落料，而后钻孔，因钻床平台尺寸小于工件的尺寸，即使改造加大工作平台，也无法一起批量钻孔，只能逐个钻孔，效率低，钻孔时即使用样板划线，因工件成形后尺寸的微小差异亦存在偏差，使组装时以孔型为基准存在偏差，导致设计基准、模具落料冲孔基准和组装基准不一致，工件互换性差，组装困难，不能满足批量生产：若单独设计冲孔模，四周用划线样板剪切，则存在几何中心线与孔型不对称。
三、对策
1.模具零件型面数据分析模型建立。因模具使用多年并对其进行多次维修，模具零件型面结构与制件原始数据相差较大，影响成形分析结果，需要获得精确的实际模具零件型面数据进行分析。采用三维扫描设备对成形门板上、下模零件型面进行扫描，获得实际的点云数据。将成形门板模具的上、下模打开平放至地面，扫描前喷涂显影剂的模具零件型面再用ATOS设备进行逆向扫描。由于扫描的零件尺寸较大，为了保证测量精度，需采用TRITOP系统进行空间定位，扫描过程为：观察被测物体表面反射情况→清理测量表面油污杂物→喷涂显影剂→粘贴参考点点云数据处理、输出。通过光学扫描采集模具零件型面点云数据，再对点云数据进行处理，导入JSTAMP-NV中生成实际模具零件型面数据分析模型。模具验证。模具制造完毕进行试模，模具落料时，因工件较大，工件时而卡在上模，掉下来不仅容易损伤模具，而且生产极其不安全，遇到这种情况，空车动作或者小心敲击工件，使工件从上模掉下来。为确保模具生产的安全，模具压缩量进行两次修改，最后确定为聚氨酯弹簧的初始压缩鼍12％，不仅使工件和料边相含2 mm左右，伴随模具初始卸料力的加大，降低工件的平面度，测量后降低l~2mm。开模时，工件不忙在上模，而是完全卡在料边里，工件随料边一起放置料架上，手．T震动，工件和料边分离，从而保证模具生产的安全性。
2.将成形制件3D数据制作分析模型进行全工序模拟，分析结果显示凸槽高度能满足要求，制件整体存在回弹趋势，但无实际冲压制件表现的翘曲异常现象。按扫描的实际型面3D数据制作分析模型进行全工序模拟，分析结果显示，成形制件出现了与实际冲压制件类似的翘曲异常现象，且凸槽高度与实际冲压的制件凸槽高度一致，不能满足使用要求。零件局部型面尺寸异常。通过对模具零件型面与成形制件的数据差异进行对比，侧凸槽处模具零件型面与成形制件一致，4个拐角处模具零件型面与成形制件相差较大，剖面结构所示。模具零件型面拐角处与成形制件型面相差较大，导致成形后制件出现翘曲现象。采用实际模具零件型面数据模拟的门板成形过程。拉深结束时，上下模已经闭合，但压边圈还有2 mm未到位，导致成形的制件未成形到位。检查模具上模型面发现，凹槽安装有补丁条，该补丁条是模具在使用过程中整改时增加的，经测量对比，补丁条型面比模具零件正常型面高约2 mm，补丁条型面高出模具零件型面是导致A处较压边圈提前闭合的原因。制定整改方案：首先在模具4个拐角区型面变化较大区域，对上、下模进行补焊和加工处理，修正模具零件型面与成形制件的型面保持一致；另外按CAE分析结果确认上模凹槽补丁条型面突出量，重新加工上模补丁条，消除补丁条造成的凸起部分。模具经过整改，在压力机上进行试冲后，用检具在相同位置对凸槽高度进行检查，与整改前进行对比，整改后高度不够问题得到了解决，另外成形制件的翘曲异常现象消失，虽然仍存在回弹，但回弹趋势与原设计数据分析结果一致，模具可按CAE分析模拟回弹结果进行回弹补偿即可。通过采用冲压仿真软件，可以有效避免不合理的零件设计结构，在产品早期设计阶段验证零件的成型性能，避免零件生产时出现大批量的报废情况。
结束语：模具维护过程中增加高于型面的补丁条，致使模具成形制件时压边圈不能完全到位，是导致成形门板凸槽高度不够的主要原因；模具零件成形制件时不到位且在模具零件拐角区型面与成形制件型面设计数据相差较大是造成制件翘曲异常的主要原因。三维逆向扫描和有限元模拟相结合的分析应用可以提高模具整改效率，节约制造成本，缩短整改周期。
参考文献：
[1]张恒,江庆顺,张玉成.某车型高强板纵梁回弹问题及整改措施[J].模具工业,2020,46(3):29-33.
[2]李光耀,王琥,杨旭静,等.板料冲压成形工艺与模具设计制造中的若干前沿技术[J].机械工程学报,2019(10):31-39.