文/韓宏娟，張瑞喜·中車齊齊哈爾車輛有限公司沖壓分廠

導(dǎo)框頂面磨耗板生產(chǎn)工序?yàn)椋翰昧稀Ｆ健羟小鷫盒汀扌渭盁崽幚恚ㄍ獠抗ば颍?/p>

通常來說，如果加工過程中存在外部工序修形，就存在模具制造質(zhì)量問題?，F(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量已處于鐵路行業(yè)的中游，有必要重新梳理產(chǎn)生質(zhì)量問題的各種因素，找到產(chǎn)生問題的主要原因和主要矛盾，改進(jìn)熱壓模具設(shè)計(jì)，提高出口產(chǎn)品整機(jī)質(zhì)量品質(zhì)。

質(zhì)量現(xiàn)狀

導(dǎo)框頂面磨耗板是出口鐵路貨車熱壓關(guān)鍵成形件，圖1為產(chǎn)品圖，圖2為實(shí)物照片。從圖中可以看出，該零件兩端幾何形狀呈現(xiàn)“S”形，加工成形較為復(fù)雜，質(zhì)量要求苛刻，加工過程中質(zhì)量問題較為明確。該零件材質(zhì)為60Si2Mn彈簧鋼，板料厚度3mm，工件的長(zhǎng)度205mm，板料按鈑金件三維設(shè)計(jì),理論展開長(zhǎng)度257mm，冷壓材料回彈較大，成形比較困難，故采用熱壓成形工藝。熱壓加工過程中會(huì)出現(xiàn)以下質(zhì)量問題：一是二翼43mm尺寸不等高，絕對(duì)值最大差值為6mm，因該工件是出口車零件，自由公差應(yīng)滿足±1.5mm，需對(duì)加工精度進(jìn)行調(diào)整；二是外口設(shè)計(jì)尺寸，工件使用通樣板檢查不合格，間隙過大，需要對(duì)設(shè)計(jì)尺寸加大0.5～0.8 mm；三是內(nèi)口設(shè)計(jì)尺寸，工件使用止樣板檢查不合格，止樣板通過仍有0.2～0.3mm的間隙，需加大設(shè)計(jì)尺寸；四是95.3mm的底平面平面度不佳，出現(xiàn)大圓弧，與旁承座組裝時(shí)失去基準(zhǔn)面；五是在長(zhǎng)度方向出現(xiàn)鼓形，兩端小中間大，最大差值0.4mm，個(gè)別出現(xiàn)錐形，需進(jìn)行改善；六是工件設(shè)計(jì)中R9mm上部?jī)梢砑s5.3 mm的直線段壓型失敗，圓弧不成形，兩翼不對(duì)稱，與43mm尺寸波動(dòng)大息息相關(guān)，工件不美觀。

圖1 導(dǎo)框頂面磨耗板產(chǎn)品圖

圖2 導(dǎo)框頂面磨耗板實(shí)物照片

由以上分析可以明確，該工件出現(xiàn)的各種質(zhì)量問題是互相牽連的，為此應(yīng)探索造成質(zhì)量問題的主要原因，確定和提升努力的目標(biāo)和方向。在解決質(zhì)量問題的過程中，在工件進(jìn)行生產(chǎn)的情況下進(jìn)行工藝分析及模具改進(jìn)，要避免發(fā)生人力物力的浪費(fèi)，滿足精益生產(chǎn)理念，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

確定提升目標(biāo)

板料中性層展開長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)以上分析，應(yīng)把工件高度43mm±1.5mm作為關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸。中性層展開的長(zhǎng)度是決定工件高度的大小因素之一，按三維鈑金件理論展開的長(zhǎng)度為247mm，詳見圖3。按沖壓模具設(shè)計(jì)手冊(cè)，中性層內(nèi)移系數(shù)k=0.43，理論展開長(zhǎng)度為250.4mm，詳見圖4，兩者的平均數(shù)值為248.7mm，取整為249mm±1mm，代替原展開長(zhǎng)度257mm。板料展開尺寸加大，不僅浪費(fèi)原材料，更主要是加大產(chǎn)品43mm尺寸而導(dǎo)致工件超差，影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖3 鈑金件理論展開長(zhǎng)度

圖4 手冊(cè)理論展開長(zhǎng)度

模具設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)

⑴工藝圓角的確定

導(dǎo)框頂面磨耗板是熱壓件，材料回彈較小，成形R圓角不存在彈性變形，工件圓角R9mm和R10mm保持不變。

⑵熱膨脹系數(shù)的確定

導(dǎo)框頂面磨耗板是熱壓件，壓型前需要進(jìn)行加熱?，F(xiàn)采用傳統(tǒng)燃?xì)鉅t加熱方式，將板料放置在爐門附近進(jìn)行加熱（天然氣加熱爐工作臺(tái)固定不可移動(dòng)），詳見圖5。該工件的加工過程為：將板料每層4件放置在加熱爐中，加熱45分鐘后，用長(zhǎng)鉗子夾出一層放在設(shè)備的工作臺(tái)面上，再用短鉗子自上而下將4件板料依次放到模具上進(jìn)行成形。天然氣爐加熱板料時(shí)，外側(cè)和里側(cè)的板料橙紅顏色不同，靠近里側(cè)板料顏色亮、溫度高，靠近外側(cè)板料顏色略暗、溫度略低，板料受熱不均勻。另外，由于同時(shí)取出4塊板料，而壓型需要逐一進(jìn)行，板料在空氣中冷卻速度較快，溫度逐張減低，進(jìn)行熱壓型時(shí)溫度不一致。用測(cè)溫槍檢測(cè)，在加熱爐中板料溫度約920℃，第1塊板料成形瞬時(shí)溫度約為790℃，第4塊板料也就是最后1塊成形瞬時(shí)溫度為560℃，低于模具設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定最低溫度750℃。壓型如圖6、7所示。4塊板料成形瞬間溫度區(qū)間變化為360℃，溫度場(chǎng)的較大梯度導(dǎo)致了工件熱應(yīng)力場(chǎng)的不均勻和不穩(wěn)定，所以熱膨脹系數(shù)也要低于沖壓模具設(shè)計(jì)手冊(cè)0.6%～0.75%數(shù)值，應(yīng)取小值，取0.5%，不應(yīng)取0.7%。

圖5 板料加熱

圖6 第1塊材料壓型

圖7 最后1塊材料壓型

⑶模具成形間隙的確定

如圖8、圖9所示。

圖8 單側(cè)間隙取值示意圖

圖9 雙側(cè)間隙取值示意圖

⑷工藝尺寸調(diào)整

根據(jù)以上分析，對(duì)該工件設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行調(diào)整。尺寸151.30-3mm和按中差設(shè)計(jì)，分別取149.8mm和176.3mm。根據(jù)工藝圓角、熱膨脹系數(shù)和單邊間隙數(shù)值及中差尺寸綜合確定壓型模具的數(shù)學(xué)模型，詳見圖10，R9mm調(diào)至R8.70mm，R10mm調(diào)至R10.56mm，164.3mm調(diào)至164.79mm，151.3mm調(diào)至150.45mm，95.3mm調(diào)至95.59mm，174.3mm調(diào)至177.66mm，保證模具設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度。在CREO2.0三維設(shè)計(jì)軟件下進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，當(dāng)數(shù)學(xué)模型發(fā)生變化后，相應(yīng)的成形鑲塊及二維圖紙隨之變化調(diào)整，便于模具三維零部件快速準(zhǔn)確的再生，也便于提高類似模具設(shè)計(jì)的效率，縮短模具設(shè)計(jì)的技術(shù)準(zhǔn)備周期。

圖10 改進(jìn)模具的數(shù)學(xué)模型

模具改進(jìn)設(shè)計(jì)

導(dǎo)框頂面磨耗板原熱壓模詳見圖11，成形凹模是一體式結(jié)構(gòu)，外口尺寸出現(xiàn)尺寸偏差時(shí)很難調(diào)整或根本無法調(diào)整，模具實(shí)物照片詳見圖12，外側(cè)凸模詳見圖13，側(cè)壓頭和成形凹模詳見圖14。為實(shí)現(xiàn)靈活加工、改進(jìn)，依據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)原有模具的側(cè)壓頭、成形凹模進(jìn)行改造，同時(shí)增加托料板等重要部件的設(shè)計(jì)，改進(jìn)的導(dǎo)框頂面磨耗板熱壓模詳見圖15，改進(jìn)后模具實(shí)物圖詳見圖16。

圖11 原導(dǎo)框頂面磨耗板模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖12 模具實(shí)物照片

圖13 外側(cè)凸模

圖14 側(cè)壓頭和成形凹模

圖15 改進(jìn)導(dǎo)框頂面磨耗板模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 模具實(shí)物照片

外側(cè)凸模的改進(jìn)

原外側(cè)凸模的成形工作部位尺寸是48.28mm，改進(jìn)后外側(cè)凸模的成形工作部位尺寸是48.89mm，詳見圖13和圖17，兩者的差值為48.89mm－48.28mm=0.61mm，兩側(cè)共減少1.22mm，接近內(nèi)口尺寸的中差尺寸，保證止樣板能夠止住。

圖17 外側(cè)凸模

圖18 側(cè)壓頭和成形凹模

成形凹模的改進(jìn)

原成形凹模的工作部位的尺寸是176.5mm，改進(jìn)成形凹模的工作部位的尺寸是177.7mm，詳見圖14和圖18，兩者的差值177.7mm－176.5mm=1.2mm，略大于外口尺寸的中差值1.0mm，外口尺寸放大1.2mm，保證通樣板通過的自如。成形凹模一分為二，同時(shí)中間部位預(yù)留2mm的間隙，猶如鐵軌兩端之間適合冬夏季節(jié)溫度變化的伸縮縫，保證壓型間隙可大可小進(jìn)行調(diào)整，避免成形凹模熱處理局部變形帶來的尺寸177.7mm和20mm的波動(dòng)，導(dǎo)致左右成形凹模的錯(cuò)牙。

頂件板設(shè)計(jì)

43mm的尺寸超差，與原模具設(shè)計(jì)與壓型過程絕對(duì)相關(guān)。原模具在工件加工過程中，將板料放置在模具下部分并進(jìn)行定位，此時(shí)板料只與側(cè)壓頭上表面接觸，與成形凹模接觸面積過小。由于側(cè)壓頭的表面粗糙度不一致，板料在兩端側(cè)壓頭的摩擦阻力不相等也無法絕對(duì)相等，壓型過程中板料發(fā)生竄動(dòng)位移，導(dǎo)致成形R尺寸存在波動(dòng)、工件不對(duì)稱。超差不是偶然的，是必然的。為此增加頂件板，詳見圖15，設(shè)計(jì)尺寸見圖19。頂件板下方設(shè)置彈簧，自然狀態(tài)下與側(cè)壓頭水平，板料上料定位時(shí)能與之直接接觸,以此增大板料放置定位時(shí)與模具的接觸面積，增大摩擦阻力，防止工件的位移，保證43mm的尺寸控制在公差范圍內(nèi)。若頂件板和板料長(zhǎng)度相等，則必須用鉗子輕輕敲擊板料貼合側(cè)定位擋，需增加3秒的時(shí)間，導(dǎo)致最后1塊料成形時(shí)成形溫度更低，所以將頂件板的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度確定為177mm，小于板料的長(zhǎng)度205mm，保證板料快速定位。頂件板從凹模中間穿過，保證模具成形中的氧化皮落到下模體的凹槽內(nèi)，消除氧化皮過度的堆積，避免氧化皮對(duì)工件底平面成形質(zhì)量的影響，進(jìn)一步減小出現(xiàn)廢品的可能。

圖19 頂件板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作原理

設(shè)備下行帶動(dòng)2塊外側(cè)凸模和1塊中間凸模向下運(yùn)動(dòng)，接觸板料后，與頂件板帶壓一起向下運(yùn)動(dòng)，接近成形底部成形R10mm后，兩端側(cè)壓頭在斜楔的作用下向內(nèi)運(yùn)動(dòng)成形R9mm，直至凸模、板料和凹模完全貼合，工件抱在凸模上。設(shè)備上行，帶動(dòng)凸模上行，側(cè)壓頭在復(fù)位彈簧的作用下縮到成形凹模的外側(cè)，頂件板在彈簧的作用下上升到與側(cè)壓頭上平面一致，同時(shí)用鉗子快速?gòu)耐鼓?nèi)抽出工件，防止時(shí)間過長(zhǎng)工件抱死在凸模上無法卸下，周而復(fù)始，完成導(dǎo)框頂面磨耗板熱成形。

調(diào)整驗(yàn)證

凹模尺寸調(diào)整

兩端凹模外側(cè)各增加0.2 mm墊片，相當(dāng)于外口成形間隙縮小0.4mm。

板料保溫方式

預(yù)先在設(shè)備工作臺(tái)放置已加熱的16mm墊板，每層4張。工件放置其上再壓型，生產(chǎn)3層后更換另一個(gè)墊板（共2張工藝墊板），控制板料最低成形溫度在750℃左右。2020年3月份高頻電加熱爐投入使用，代替天然氣加熱爐，板料加熱更均勻、穩(wěn)定，壓型質(zhì)量進(jìn)一步穩(wěn)定。

效果驗(yàn)證

模具投入使用后效果良好，生產(chǎn)168件，僅有1件外口尺寸通樣板通不過，效果好于預(yù)期，已滿足批量生產(chǎn)的需求，詳見圖20。

圖20 模具調(diào)整后效果驗(yàn)證

結(jié) 束 語

⑴對(duì)于薄板熱壓模具膨脹系數(shù)應(yīng)取0.5%，減少溫度梯度變化較大影響產(chǎn)品尺寸精度；⑵熱壓模具應(yīng)設(shè)計(jì)卸料板和托料板，加大摩擦阻力，避免板料竄動(dòng)、位移、下垂而頻繁調(diào)整模具。