側(cè)柱制造工藝研究

側(cè)柱是鐵路貨車敞車側(cè)墻中關(guān)鍵零部件，是側(cè)墻中主要受力件，橫截面大多為帽型。該類帽型鋼側(cè)柱多為厚度不超過8mm的冷彎型鋼，在公司出口鐵路貨車中，首次采用厚度為12mm的帽型鋼側(cè)柱，該側(cè)柱的制造成為該車主要難點(diǎn)之一。側(cè)柱結(jié)構(gòu)分析出口鐵路貨車側(cè)柱的零件圖如圖1所示，材質(zhì)為Q450NQR1，數(shù)量為4件/輛。該件的制造難點(diǎn)是板材較厚，帽型截面成形非常困難。圖1側(cè)柱零件圖側(cè)柱制造方案確定帽型鋼側(cè)柱制造方案主要有冷彎型鋼方案和折壓方案兩種。冷彎型鋼方案冷彎成形是通過順序配置的多道次成形軋輥，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲，以制成特定斷面的型材。利用冷彎成形制成的型鋼，稱之為冷彎型鋼。在我國鐵路貨車敞車中，從60t敞車到70t敞車，乃至80t敞車，帽型鋼側(cè)柱大多采用冷彎型鋼。在出口車中，帽型鋼側(cè)柱也大多采用冷彎型鋼。鑒于此，該車設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)、工藝、物資三方制定了該帽型鋼側(cè)柱采用冷彎型鋼的制造工藝方案。之前的冷彎型鋼側(cè)柱，厚度最大為8mm，材料最高屈服強(qiáng)度為450MPa。該側(cè)柱厚度達(dá)12mm，材料屈服強(qiáng)度為450MPa，需要新制成形軋輥方能制造。該方案優(yōu)點(diǎn)主要是產(chǎn)品制造質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。該方案的缺點(diǎn)：一是制造周期長，新制成形軋輥制造周期約1個(gè)月，冷彎型鋼側(cè)柱制造完成發(fā)運(yùn)到貨約1個(gè)月，制造周期共需約2個(gè)月；二是制造成本高，冷彎型鋼每噸價(jià)格比鋼板高約1500元，該側(cè)柱需要新制成形軋輥，制造成本更高。而該車生產(chǎn)進(jìn)度急，要求1個(gè)月試制完成，之后馬上接續(xù)批量生產(chǎn)，因此，冷彎型鋼方案因生產(chǎn)進(jìn)度無法保證而被否決。折壓方案在歷史車型中，帽型鋼側(cè)柱采用折壓制造工藝，側(cè)柱厚度為6mm，材質(zhì)為Q450NQR1。在側(cè)柱折壓內(nèi)側(cè)第二道彎時(shí)，為了避免干涉，必須采用如圖2所示的折彎上模，該類型折彎上模稱之為鵝頸折彎模，俗稱歪脖胎。歪脖胎在折壓過程中受力狀態(tài)較差，有折斷趨勢，因此采用歪脖胎折壓的帽型鋼側(cè)柱一般厚度較薄，不超過8mm。歪脖胎的截面形狀尺寸的確定一般參考之前折壓件，再結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。圖2歪脖胎折壓示意圖出口鐵路貨車厚度12mm的側(cè)柱在設(shè)計(jì)之初，曾考慮采用折壓方案制造，但因?yàn)闆]有合適的歪脖胎，且歷史上從未有采用歪脖胎折壓的先例，歪脖胎很可能折斷，存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)，所以放棄折壓方案，采用冷彎型鋼方案。在冷彎型鋼方案被否決之后，折壓方案重新提上日程，研究分析折壓方案的可行性迫在眉睫。折壓方案需要新制歪脖胎，生產(chǎn)周期約25天，可滿足試制及批量生產(chǎn)的進(jìn)度要求；折壓方案新制歪脖胎需要工裝費(fèi)用4萬元，折壓側(cè)柱成本較冷彎型鋼側(cè)柱每噸低約1000元，完成批量生產(chǎn)可大大降低制造成本，從成本角度分析，具有可行性。通過以上分析，折壓方案成為該側(cè)柱制造的唯一工藝方案。折壓方案需要重點(diǎn)解決的問題是設(shè)計(jì)制造合適的歪脖胎，同時(shí)避免歪脖胎折斷的風(fēng)險(xiǎn)。側(cè)柱制造工藝制定折壓機(jī)選擇通過分析側(cè)柱零件圖，結(jié)合折彎下模，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出彎曲力，然后根據(jù)彎曲力選擇數(shù)控折壓機(jī)。經(jīng)驗(yàn)公式為:P=Kbt2σb/L式中P——彎曲力（N）；b——彎曲件長度（mm）；t——毛坯厚度（mm）；σb——材料抗拉強(qiáng)度（MPa）；L——彎曲支點(diǎn)間距離（mm）；K——系數(shù)（K≈1+4t/L）。側(cè)柱參數(shù)b=2530mm、t=12mm、σb=600MPa、L=100mm，經(jīng)計(jì)算P≈3240000N，即需要324t彎曲力，因此選擇的數(shù)控折壓機(jī)額定折壓力應(yīng)大于324t。側(cè)柱長度為2530mm，因此選擇的數(shù)控折壓機(jī)有效折彎長度應(yīng)大于2530mm。側(cè)柱重量較重為102.23kg，因此應(yīng)考慮配備相應(yīng)工裝，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。綜合以上因素，我們選擇500t數(shù)控折壓機(jī)。該折壓機(jī)額定折壓力500t，有效折彎長度5m，配有液壓升降平臺(tái)。歪脖胎設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)Creo軟件設(shè)計(jì)歪脖胎，將側(cè)柱作為設(shè)計(jì)參考基準(zhǔn)，將側(cè)柱整體旋轉(zhuǎn)至內(nèi)側(cè)第二道彎的角平分線豎直位置，該角平分線即為歪脖胎的壓力中心線，考慮側(cè)柱回彈，按此進(jìn)行歪脖胎截面形狀設(shè)計(jì)。同時(shí)為方便操作者拆換歪脖胎，歪脖胎應(yīng)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，分塊數(shù)量不能太多，每塊重量又不能太重。對(duì)設(shè)計(jì)出的歪脖胎模型進(jìn)行有限元模擬分析，計(jì)算出歪脖胎在折壓中的應(yīng)力分布圖，最大應(yīng)力須小于歪脖胎材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，按此進(jìn)行歪脖胎強(qiáng)度校核。按以上過程，經(jīng)反復(fù)修正后，得出一合理的歪脖胎，既擁有足夠強(qiáng)度，安全可靠，又可輕便拆換。設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核示意圖如圖3所示。圖3歪脖胎設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算示意圖側(cè)柱生產(chǎn)現(xiàn)場工藝控制根據(jù)側(cè)柱零件圖，依據(jù)中性層理論，計(jì)算出展開尺寸及每道彎的折壓線尺寸。歪脖胎制造完成后，安裝到數(shù)控折壓機(jī)上，根據(jù)展開尺寸及每道彎的折壓線尺寸，劃線折壓。折壓第一道彎時(shí)逐步增大折壓力，直至能折壓成形為止，根據(jù)數(shù)控折壓機(jī)實(shí)際折壓力與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的折壓力進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確性。當(dāng)折壓力設(shè)置為300t時(shí)，可折壓成形，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式較為準(zhǔn)確，為了提高折壓效率，實(shí)際生產(chǎn)中折壓力設(shè)置為400t。記錄每道彎折壓時(shí)對(duì)擋尺寸數(shù)據(jù)，折壓時(shí)使用樣板檢測折壓角度及形狀。側(cè)柱試制折壓完成后，檢查各尺寸，驗(yàn)證展開尺寸