中梁型钢折弯工艺及模具设计

鲍 雷

（中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江齐齐哈尔161002）

1 引言

利用折弯机对板材折弯能够获得各种圆角及角度成形件，板材折弯件在铁路货车生产中应用较广。我公司生产的某型铁路货车其中梁为Q450NQR1材质的类似U形状型钢，零件总长度为10，370mm。中梁作为铁路货车主要承重部分，是铁路货车的关键件，在铁路货车制造生产过程中，中梁一般为外购的型钢，但是外购的中梁型钢普遍存在扭曲、宽度尺寸超差等问题，影响整车组装及制件的制造质量。通过立足于我车间既有设备参数及制造能力进行分析，该制件可以采用板材折弯的生产方式代替外购型钢，实现公司制件制造质量的提升。

2 对制件图的分析

中梁截面图如图1所示，经过综合考虑，中梁使用板材折弯成形主要有以下两种工艺方法：方法一：切割下料、折弯成形，其生产工序为：卷料开卷→板材校平→板材切割分条→条类板材取直→折弯成形；方法二：剪切下料、折弯成形，其生产工序为：卷料横纵剪切开卷分条→条类板材取直→折弯成形。通过上述两种工艺方法对比，方法一在生产过程中采用切割下料，生产效率较低，并且存在热输入，不利于切割后的直线度控制，该方法不适宜批量生产应用。因此采取方法二的制造工艺。

图1 中梁零件截面图

3 对制件的工艺能力计算

由于中梁宽度为200mm，高度为280mm，按照折弯件制造经验即可得知，普通的直柄折弯上模折弯时板材与上模会产生严重的干涉，影响成形，因此需要制造专用的折弯模，由于中梁外形长度尺寸较长、尺寸精度高，因此折弯模设计及制造质量决定了中梁使用板材折弯的制件质量。

3.1 折弯力计算

由图1可知，中梁共两道弯，生产时两道弯分别进行折弯，计算其成形力过程如下：

自由弯曲的弯曲力计算公式：

式中P——自由弯曲力，N

K——安全系数，一般取K=1.3

B——弯曲件宽度，取B=10，370mm

δ——材料厚度，取δ=7mm

σb——材料的抗拉强度，取450N/mm2

V——弯曲下模开口宽度，通常为材料厚度的6～8倍，取V=50mm

将各数值代入弯曲力计算公式，计算得P=5，945，121N。

3.2 折弯设备能力校核

折弯机的额定压力应大于制件成形的最大压力的1.3倍，我车间现有2，500t折弯机，最大压力为25，000kN，有效折弯长度14，200mm，因此能够完全满足该制件的成形要求。

4 弯曲模结构设计

根据之前的分析计算，中梁折弯时下模开口宽度为50mm，我车间2，500t折弯机机床自身配备可编程自动调整的下模，总长14，200mm，开口尺寸在50～370mm，并且每隔20mm可调，因此下模不需要设计采购，仅需要设计采购折弯上模。

对弯曲上模结构特点进行分析、设计。

（1）直柄的折弯上模在折弯过程中与工件会产生干涉，因此需要设计鹅颈式上模。

（2）由于制件较长，因此上模要分段制造，便于生产过程中模具的安装及拆卸。

（3）为了降低生产成本，将折弯上模设计为鹅颈转换接头与折弯上模组合式的结构。鹅颈转换接头采用45钢制造，不需要进行淬火，表面加工光洁度也可以适当降低标准，折弯上模采用模具钢制造，此种设计结构能够有效降低模具制造成本。鹅颈转换接头与机床配合部位设计尺寸与机床原装上模镶块一致，转换接头底部开口部位连接机床原有折弯模，实现加工时选用上模的灵活性。不需要使用鹅颈模具加工时，可以将机床原有折弯模直接与机床连接后正常生产；需要使用鹅颈模具加工时，将鹅颈转换接头与机床相连接，再将折弯模与鹅颈转换接头连接即可进行生产。

（4）折弯上模设计时进行模拟分析成形过程，避免折弯过程中产生干涉。将公司现有类似制件考虑周全，实现制件种类最大化覆盖，能够实现所有类似制件的折弯加工，尽最大可能减少以后此类模具的订购。模具结构及模拟分析成形过程如图2所示。

图2 模具结构

5 弯曲模强度校核

针对上模为鹅颈转换接头与折弯上模组合式结构进行分析：折弯上模为直柄式，完全能够承受折弯过程中的压力载荷，不需要进行强度校核；鹅颈转换接头采用45钢材质、分段拼接方法制造，在折弯时鹅颈部位承受较大的压力载荷，为了提高折弯模设计的准确性及合理性，需要使用仿真软件对其进行强度校核。

使用仿真软件分析，当设计鹅颈转换接头每段长度为300mm时，施压外力50t时，鹅颈部位要承受屈服强度达到448MPa，大于45钢最小屈服强度355MPa，鹅颈部位会出现断裂的风险。通过多次模拟仿真得出结论：鹅颈转换接头中部受压力载荷屈服强度与施加压力成线性正比关系。最终汇总仿真分析结果，综合考虑模具制造、运输、生产使用等因素，确定鹅颈转换接头每段长度600mm，能够承受最大外力约90t（图3所示为仿真分析施加外力100t时，鹅颈部位要承受屈服强度达到383MPa，略微大于45钢最小屈服强度355MPa）。在我单位2，500t折弯机上生产，14，200mm长的范围内，整体能够达到承受约2，100t的压力，满足了目前各类长大板件的弯曲需要。

图3 鹅颈转换接头强度校核

6 模具试验与批量生产验证

6.1 模具试验

模具制造完成后，使用2，500t折弯机进行折弯试验验证。根据中梁制件图，经过理论计算和分析，最终确定展开尺寸、折弯对挡线、挠度补偿等关键工艺参数，折弯时两道弯分别靠挡进行折弯，使制件两侧同高，两侧边成形至直角，如图4所示。对试验过程及试验件检测梳理总结如下：

图4 中梁折弯

（1）使用R规测量工件弯曲圆角为R8mm，符合图纸，宽度尺寸200mm合格，在料长度方向中间部位，高度尺寸280mm两侧不同高，一侧为281mm，另一侧为279mm，在公差范围内。

（2）工件表面在上模拼接部位，无明显的压痕、错牙。

（3）目视外观并使用拉线测量，工件整体无明显扭曲现象。

（4）上模不便于吊装，安装时存在一定的困难。

通过分析进行如下改进：

（1）折弯前对工件进行调直，保证其直线度，折弯时调整好挠度补偿参数，使280mm尺寸在料长度方向中间部位，两侧实测高度值相差在1mm范围内。

（2）设计制造专用的上模吊具，提升上模安装的效率，降低操作者的劳动强度。

6.2 批量生产应用情况

根据试验件生产情况进行总结，借鉴试验总结的展开尺寸、折弯对挡线、挠度补偿等关键工艺参数进行批量生产，完成了公司出口澳大利亚134辆某型煤炭漏斗车中梁型钢的生产，外观成形尺寸稳定，一致性好，制件质量优于外购型钢。外采中梁型钢与板材折弯工艺方法生产的制件实物对比如图5所示。

图5 中梁实物

综合批量生产过程，为便于模具后续的正确保养和使用，对操作者进行以下方面的培训：

（1）由于上模为鹅颈拼接式结构，因此在安装时要按照模具上刻打的拼接标记序号1、2、3…进行顺序安装，避免拼接处可能出现的错牙问题。

（2）生产的制件变更时，由技术人员进行折弯力计算确认，确保鹅颈部位载荷强度不超过设计标准后方可使用。

7 结论

（1）通过公司出口的134辆某型煤炭漏斗车中梁型钢的生产，验证了中梁型钢使用板材折弯批量生产，质量优于外购型钢，提高了出口车的制造质量；同时也缩短了零部件生产配套周期，便于提高公司制件制造生产计划排布的灵活性。

（2）通过与外购型钢相比较，中梁型钢使用板材折弯能够有效降低成本，该研究可以推广应用在铁路货车上侧梁、下侧梁等型钢的板材折弯生产，代替外购型钢，助力企业经营提质增效目标的实现。

（3）在模具设计过程中，对鹅颈拼接式弯曲成形模具进行模拟仿真强度校核，代替以往按照理论公式进行强度的计算，此方法在今后的相关模具设计中可以借鉴，以提高模具设计的准确性及成功率。