铁路货车J形复杂结构杠杆弯曲成形工艺

李立峰，蔺昊，唐林

中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002

1 序言

我公司对一系列J形复杂结构杠杆产品进行工艺试制。各类J形杠杆如图1所示。试制时均需对杠杆进行折弯。由于杠杆板厚较大，且折弯档距小（最小为20mm），因此制造难度大。试制时发现锻件的长度尺寸存在较大波动，档距尺寸存在较大波动和超差，出现平面度超差以及不合格品重复返修，导致杠杆成本居高不下等问题。

图1 各类J形杠杆

为了保证产品的尺寸公差和形位精度，需对其弯曲工艺进行模拟研究，分析金属在弯曲过程中的变形规律，从而优化弯曲工艺。在不断地调研和论证后，制定出全新的J形杠杆弯曲工艺方法[1]，可使该类产品的质量和弯曲效率得到显著提升，节约大量能源费用，降低操作人员的劳动强度。

2 制造工艺难点

为了满足组装精度的要求，J形杠杆档距尺寸和孔边缘最小壁厚尺寸要求严格，档距尺寸精度要求高，在弯曲过程中如何有效地控制变形过程、保证尺寸精度成为工艺难点。特别是后制动杠杆（见图2），其弯曲半径小，内档尺寸仅20mm，弯曲难度大。

图2 后制动杠杆

3 弯曲工艺方案的初步拟定

采用常规弯曲方法很难实现J形杠杆的弯曲成形；同时，成形后由于内档金属的流动，会在弯曲部位产生折叠和褶皱，因此在平板锻造过程需要进行预制弯，制弯形状如图2b所示。根据产品特点，采用模锻制坯后在自由锻锤上用弯曲模进行弯曲整形的工艺，弯曲上模、下模分别如图3、图4所示。为了使工件在弯曲过程中不受“啃伤”，且减小弯曲过程受力，在弯曲下模上设计了7°斜梢，并将模具最先接触的两侧圆角加大到R25mm[2]。

图3 弯曲上模

图4 弯曲下模

4 工艺过程模拟

采用DEFORM-3D模拟软件进行杠杆弯曲过程的工艺模拟，分析变形规律并优化生产制造工艺。

4.1 模拟参数的设定

坯料温度设定为1100℃，网格数量20万个；上、下模具温度200℃，坯料材料为45钢；上模运动速度400mm/s，摩擦系数0.3[3]。弯曲模拟初始位置如图5所示。

图5 弯曲模拟初始位置

4.2 模拟过程

1）弯曲上模在图6所示初始接触位置与坯料弯曲接触，此时下模两侧圆角与坯料开始作用；在成形到中间弯曲成形位置（见图7）时，上模已经与工件完全贴合，工件开始进行整体弯曲成形。

图6 初始接触位置

图7 中间弯曲成形位置

2）成形到第118步时，已初步完成整体的弯曲成形（见图8），此时工件还未与下模贴靠，作用仍然产生在两侧圆角。通过载荷曲线可以看出上、下弯曲模受力情况差距较大，上模载荷为9.53×104N，下模载荷为6.53×104N， 这是由于下模在弯曲变形过程中始终受到的是侧向力。通过成形结果可以看出，工件仅局部完成了弯曲成形且存在较大开口[4]。

图8 初步完成整体的弯曲成形

3）当模拟到122步时，工件已经完全进入下模，此时下模侧向力较小，主要为下模底部圆弧与工件接触产生的成形力，最终完成成形（见图9），模具载荷力直线上升，工件在弯曲圆角根部产生塑性变形，上模载荷为6.02×105N，下模载荷为6.71×105N，是第118步载荷的近10倍。

图9 最终完成成形

4.3 模拟过程分析及优化建议

通过对弯曲成形过程的模拟可以看出，展开件预制成形圆角能有效降低弯曲过程的难度，使得受力更合理、成形更容易；整个弯曲成形过程受力主要集中在下模两侧R25mm圆角与工件接触部位，且弯曲形状受下模型腔影响不大[5]；弯曲过程中模具载荷力基本平稳，中间成形时载荷力稍大，但当坯料与下模底部接触时载荷力直线上升。

优化建议：①弯曲过程中受力是个均匀过程，因此在弯曲过程中控制上模位置和运行速度较为关键。②弯曲过程应尽量避免工件与下模底部接触，否则会产生较大的变形抗力，造成模具损坏。③弯曲后会产生较大的开口，且成形后坯料两侧存在较小的变形，因此在弯曲成形后需要增加整形和校正过程[6]。

5 工艺优化措施

根据模拟分析结果，采取如下工艺优化措施。

1）对弯曲下模进行优化设计：①加大弯曲下模深度和型腔斜度，优化模具受力状态。②弯曲模具增加了侧定位墙。因锻件外形不规则，而定位墙可以保证锻件弯曲时与变形方向垂直。

2）增加了长度整形工装，保证锻件在热状态下的长度尺寸。设计档距和“迈步”整形二合一工装，用来保证热状态下杠杆的档距和尺寸。

3）设计了锻件长度热检测工装，可以在生产中对锻件长度进行实时检测，若尺寸有问题，则直接用长度整形工装整形。

4）优化工艺流程。后制动杠杆优化后的热煨弯方案工艺流程为：加热→弯曲→长度整形→档距整形→轴线对齐整形→平直度整形→长度测量→冷却。全过程所用优化后的工装如图10所示。

图10 优化后的工装

6 结束语

工艺优化后，杠杆弯曲成形一次合格率达95%以上，极大地提高了生产效率。该工艺已成功运用到多种车型的杠杆生产上，有效地保证了该类杠杆的弯曲质量，提高了生产效率。该工艺在吸收典型锻件弯曲工艺的同时，创新了杠杆类锻件弯曲成形工艺方法，对其他类似锻件的生产具有借鉴意义。

专家点评

本例中的J形复杂结构杠杆产品折弯难度较大。作者根据产品的形状特点，分析了金属弯曲过程中的变形规律，通过工艺优化和实际应用，显著提升了弯曲效率。

文章的专业性很强，创新了杠杆类锻件弯曲成形工艺方法，并阐述了弯曲成形工艺的模拟过程和优化措施，总结出一套经济实用的工艺方案。