列车轨用顶板件的冲模设计

摘要:简要介绍了列车轨用顶板件的冲压工艺和模具设计的主要内容，提出了厚板件模具设计中应注意和存在的一些问题。
　　关键词:厚板件；冲压工艺；冲模设计

　　随着铁路建设的快速发展，轨用顶板的需求量也越来越大，其制作工艺要求也不断提高，我校某厂承揽了此件的加工任务，由于设备和条件的限制，原采用比较落后的方法手工制造，效率极低不能满足生产要求，拟采用冲压模具生产，根据现有设备设计了一套落料模和一套弯曲模具用于此件试生产，实践证明可行，效率有很大提高。图1为列车轨用顶板，材料为15MnVNq，板料厚度13㎜。

1 工艺性分析
　　该零件板厚13㎜，外形最大尺寸为428.8㎜，属于中型厚板件，零件外形关于竖直方向对称,有两个对称的窄槽，无凹陷，经计算可知两端不属于突出悬臂，凹槽宽度也符合冲裁条件。零件精度要求不高，但强度高，要求大批量生产。该工件有四处弯曲，由已知弯曲圆角半径可计算出相对弯曲半径r1/t=2.31，r2/t=1.53，均大于最小相对弯曲半径值，弯边高度H大于2.5t，因此该工件可以弯曲成型。

2 确定工艺方案
　　根据零件图进行必要的工艺计算，分析冲压性质、冲压次数、冲压顺序和工序组合方式，提出各种可能的工艺方案。然后通过对产品质量、生产效率、设备条件、模具制造和寿命、操作和安全以及经济效益等方面的综合分析和比较，确定出最佳工艺方案。由于工件比较简单，只需用落料、弯曲两道工序即可完成。



图1  产品零件

3 落料模设计
  　落料模结构装配图如图2，采用后侧滑动导柱模架。由于所需的卸料力较大且工件定位困难，若采用弹性卸料板没有足够大空间摆放非标准弹簧，因此采用刚性卸料装置，它不受其它零件的限制，卸载力大，卸料板厚度取25㎜。采用卸料板、弹性挡料销定位，无需使用模柄，直接将模具上模座固定到压力机上。



1 导柱  2 导套  3 上模座  4 凹模  5 卸料板  6 内六角螺钉  7 圆柱销   8 弹簧  9 弹性挡料销  10 内六角螺钉  11 内六角螺塞  12 圆柱销  13 凸模  14 顶件板  15 顶料螺钉  16 圆柱销  17 内六角螺钉  18 下模座

图2  落料模结构装配图



图3 落料模凹模

3.1 冲裁力计算
　　由于工件属于中型厚板件，原考虑使用斜刃口以降低冲裁力，应用3150KN液压机，但通过计算知冲裁力依然很大，设备仍不能满足冲裁力要求，所以本模具采用平刃口，这样可以避开斜刃口制造较难缺点。冲裁力P总=P冲+P顶，P冲=KLt，冲裁总周长L=428.8+410.6+114×2+（54.5×4）+（428.8－410.6）=1303.6㎜，材料15MnVNq的抗剪强度可简化取τ＝0.65σb=0.65×520MPa，材料厚度13㎜，系数K＝1，则P冲=1×1303.6×13×0.65×520×5727KN，顶件力P顶=K顶P冲，顶件力系数K顶=0.03，P顶=K顶P冲=0.03×5727=172KN，P总=P冲+P顶=5727+172=5899KN。
3.2 凹模设计
　　在凹模设计中，考虑此件厚度较大在设计资料中难查到相应的参数，而且厚板冲裁力大、凹模刃口周长值大且材料为合金钢，所以各结构尺寸计算公式中各项系数均取最大值，凹模高度H=KB=0.22×428.8=94.336㎜，B为凹模孔的最大宽度㎜，修正后凹模高度 H=1.6×94.336=150.9376mm，修正系数为1.6。凹模壁厚C=（1.2~2）H＝2×H=2×50.9=301.8㎜，取C=305㎜，凹模结构如图3所示。
3.3 设备选择　　
　　根据上述计算总冲压力为5899KN，考虑到摩擦力等因素的影响，选用6300kN闭式单点单动压力机，模具的闭合高度与压力机装模高度，安装尺寸等都符合要求。

4 弯曲模设计
　　弯曲模结构装配图如图4，由于工件精度要求不高，模具的设计力求简单。采用定位板定位，弯曲后通过刚性顶件装置将工件顶起，由于所需的卸料力较大且工件定位困难，若采用弹性卸料板没有足够大空间摆放非标准弹簧，因此改用刚性卸料装置，卸料板厚度取25mm。上模通过模柄直接固定到压力机上。



1 下模座  2 内六角螺钉  3 定位板  4 限位板  5 内六角螺钉  6 圆柱销      7 上模座  8 模柄  9 内六角螺钉  10 垫板  11 内六角螺钉  12 凸模  13 内六角螺钉  14 圆柱销  15 凹模  16 顶件板  17 顶杆螺钉

图4  弯曲模结构装配图

4.1 弯曲力计算
　　根据工艺性分析两弯曲处的相对弯曲半径均大于最小相对弯曲半径值，回弹值也在公差范围内，可一次弯曲且不需校正过程，所以按自由弯曲计算弯曲力，件底部直角弯曲处按U形件计算最大自由弯曲力直边45°弯曲处可按V形件计算，，式中：

　　σ——为材料抗拉强度MPa；
　　K——为安全系数取1.3；
　　b——为弯曲件宽度㎜。





　　则弯曲力F＝212＋153＝365KN，根据经验顶件力可近似取自由弯曲力的30%~80%，即Q＝0.8F＝0.8×365＝292KN。则总弯曲力为。  

4.2  凸、凹模设计
　　凸模圆角半径等于弯曲件内侧的圆角半径r，凹模两边的圆角半径γd一致，为防止弯曲时的毛坯偏移，半径不易过小以免擦伤毛坯表面。凸、凹模间隙C=（1.05～1.15）t =1.1 t=1.1×13=14.3mm，V形弯曲部分的间隙靠调节压力机的闭合高度控制。由于弯曲件宽度尺寸标注在外侧的，所以凸、凹模的宽度尺寸计算以凹模为基准，先确定凹模尺寸，凹模工作部分宽度尺寸㎜，凸模尺寸bd按凹模配制，保证单边间隙C，㎜，凸、凹模结构如图5、图6所示。



图5 凸模



图 6  凹模

4.3 设备选定
　　根据总弯曲力数值，模具尺寸，选YA32-315液压机，模具的闭合高度与压力机装模高度，安装尺寸等都符合要求。

5  结束语
　　厚板冲压近年来得到很大的发展，厚板件不仅能实现优质、高效、低耗、提高零件寿命，而且能够部分取代铸造、锻造、粉末冶金及切削加工，生产各种机电与家电产品。虽然，冲压技术发展迅速，但对于厚板冲压还存在着很多未得到解决的问题，通过本设计过程中感到有几个必须注意的问题。
　　（1）断面粗糙甚至出现参差不齐的台阶，冲件尺寸与形状精度较低，落料后有明显的穹弯变形。
　　（2）冲制厚度大的硬钢板料，冲模寿命低。
　　（3）厚板冲压工艺还不很成熟，模具结构参数的选择、工作零件的材料选用及热处理等方面还有待进一步研究探索

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