铁路罐车封头冲压成形研究

        摘 要: 为保证某型铁路罐车封头冷冲压成形质量， 设计了具有圆形拉延筋、 矩形拉延筋和不设置拉延筋 3 种结构形式的拉延模具型面;使用有限元方法， 对 3 种模具结构形式下封头的冲压成形过程进行模拟分析， 对比了封头起皱趋势、成形回弹和料厚变化等模拟结果， 并根据仿真结果选择合理的模具结构形式进行了试验． 研究结果表明:采用矩形拉延筋进行封头冲压成形， 能更有效的避免封头出现起皱、 鼓包等成形缺陷， 而且成形后回弹量较小;矩形拉延筋模具冲压试验所得封头无成形缺陷， 测得封头最小料厚为9.6mm，最大料厚为10.5 mm，与模拟结果基本一致;采用矩形拉延筋模具进行该型封头冷冲压成形是有效的。钢管切割机，相贯线切割机
        关键词: 罐车封头;冷冲压;拉延筋;有限元模拟 钢管切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

       铁路罐车封头是罐体的主要承力部件，其力学性能好坏直接影响铁路罐车的运行安全。为此，罐车封头制造生产过程中， 要保证材料壁厚变化合理和材料强度足够． 罐车封头由于尺寸大、 材料较厚，因此， 封头的成形加工一直是罐体成型的难点和重点。目前对封头的成形方法中， 常见方法为分瓣式焊接成形、 旋压成形和冲压成形。 由于铁路罐车运行使用过程中具有特殊力学性能要求和需求量较大的特点， 罐车封头加工采用冲压成形的方式更适合其运行可靠性和大批量生产。

       罐车封头冲压成形常用热压工艺和冷压工艺．热压工艺是在高温下进行封头冲压成形， 该工艺下材料塑性好， 易于成形， 但封头表面易产生氧化皮，力学性能降低;受热应力、 组织应力和变形应力影响， 封头形状和尺寸精度不易控制。 冷压工艺在常温下成形， 材料加工硬化有利于提高封头强度，成形后形状准确， 尺寸稳定性好， 生产效率高． 因此， 封头生产中常采用冷压成形工艺． 但冷压工艺易产生起皱和鼓包等成形缺陷。 为此， 常采用压边圈和拉延筋来避免和控制封头冷冲压成形过程中的成形缺陷。钢管切割机，相贯线切割机

       有限元方法已成为材料成形研究的重要方法。 有些文献中使用模拟仿真手段对厚壁封头成形进行了研究， 有些文献中对冲压成形中的回弹现象进行了模拟。

       本文以某型铁路罐车封头为例， 采用有限元法对其冷压成形过程进行分析， 重点研究拉延模具型面采用圆形拉延筋、 矩形拉延筋和无拉延筋时， 不同模具结构形式对封头最终成形质量的影响。钢管切割机，相贯线切割机

1 封头冲压成形中拉延筋作用原理
      

       封头冷压成形中， 拉延筋主要作用是增加材料成形时的阻力． 通过合理设计与调整拉深筋的结构形式和参数， 可有效地控制成形时板料各部分的变形阻力及状态。 封头板料拉延筋位置变形原理如图 1 所示。钢管切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

  

                      图 1 拉延筋原理

       由图 1 可知， 由于 A、 C、 E 点弯曲， 板料经过拉延筋后的拉延筋阻力由 B、 D、 F 点反弯曲力和 AB、CD、 EF 段摩擦力， 以及因加工硬化引起的再变形抗力增量共同作用而产生。钢管切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

       设置拉延筋后， 板料成形时所需的阻力可不再依靠板料与压边圈间的摩擦阻力， 压边圈只需提供拉延筋的压筋力及板料变形时对拉延筋产生的上浮力， 使成形时所需压边力大幅减小， 从而使成形工艺对设备吨位、 模具刚度及压料面等方面的要求大大降低。

       拉延筋常见的基本形式为矩形和半圆形， 如图 2 所示。 当板料通过半圆形拉延筋时， 发生 3 次弯曲和反弯曲过程;板料通过矩形拉延筋时， 发生4 次弯曲和反弯曲变形。因此， 矩形拉延筋的阻力更大。同时， 矩形拉深筋对润滑条件不敏感， 适用于在拉深过程中润滑条件变化， 而拉深阻力保持稳定的场合。

       根据封头尺寸和材料厚度大、 材料冷压成形难度相对较大的特点， 结合拉延筋工作原理和模具结构特征， 设计了图 3 所示的拉延筋形式进行封头冲压成形， 并分别进行成形模拟分析。钢管切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

                

                                    图 3 封头冲压成形拉延筋形式

2 有限元模型建立

       本文研究直径 Φ3 000 mm 的椭圆形封头冷压成形。 坯料材料为 Q345Ｒ， 料厚为10 mm， 下料直径为Φ3 900 mm。

2． 1 Q345Ｒ材料性能
       Q345Ｒ 材料化学组成和主要力学性能参数见表 1 和表 2 所示。

                                       表 1     Q345R 材料化学组成

名称	C	S	Si	Mn	P	V	Ti
w B /%	0.19	0.01	0.32	1.46	0.017	0.0024	0.028

                                

                                       表 2    Q345Ｒ材料力学性能

性能 指标	屈服强度   /MPa	拉伸强度   /MPa	延伸率  /%	冲击功  /J
Q345Ｒ	≥345	≥550	≥28	135

                                                      

2． 2 有限元模型
       根据图 3 所示拉延筋形式， 建立罐车封头零件冲压成形分析有限元模型． 封头是中心对称结构，为提高计算效率， 计算模型取 1/4， 设置对称边界条件。

       构建得到封头冲压计算有限元模型如图 4 所示。 有限元模型单元为 240 167 个， 节点为 247 059 个。

              

                           图 4 封头冲压有限元模型

2． 3 边界条件
       模拟过程中， 凸模、 凹模及压边圈设置为刚性体， 板料单元采用 BT 壳单元， 接触类型为单向面-面接触， 摩擦条件为库仑摩擦， 板料与所接触刚体的摩擦因数为 0.12。 压边过程中压边圈速度为250 mm/s， 拉深过程中， 凸模速度为 500 mm/s， 压边力为 20 MN。钢管切割机，相贯线切割机

3 封头冲压成形模拟结果分析

       将 3 种拉延筋形式下的封头冲压成形过程数值模拟后， 对结果中的成形质量、 料厚变化和成形回弹进行分析比较。

3． 1 起皱趋势
       图 5 为封头在不同模具入口形式下的成形图。

       图 5(a)表明， 无拉延筋情况下， 封头起皱明显， 不仅在凸缘面上起皱严重， 而且在壁部也有较明显的起皱． 封头底部区域变形不充分， 将造成零件脱模后回弹变形严重。 可见， 封头成形中， 不使用拉延筋而单纯靠压边力作用， 不能有效抑制封头拉延起皱缺陷。

               

                                 图 5 封头成形图

       图 5(b)表明， 圆形拉延筋作用下， 封头凸缘面及入口部位起皱明显， 但起皱区域明显较少， 壁部区域无明显起皱， 但材料有起皱趋势。 封头底部区域变形较充分。 成形质量相对无拉延筋时成形质量明显改善。

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       图 5(c)表明， 矩形拉延筋作用下， 封头凸缘面起皱不明显， 壁部和凹模入口处也无明显起皱。封头底部区域材料变形充分。封头成形质量比无拉延筋和圆形筋时更好。

      上述分析表明， 矩形拉延筋作用下所得的封头椭圆型面， 无起皱且材料塑性变形充分， 封头整体成形质量较好。

3． 2 封头厚度变化钢管切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
       沿封头底部向封头凸缘区域均匀选取节点如图 6(a)所示， 绘制成形后， 可得到不同凹模入口形式下产品料厚变化曲线， 如图 6(b)所示。

                

                                                                   图 6 封头材料厚度变化

       图 6 表明， 3 种凹模入口形式下， 成形后材料厚度变化趋势基本一致， 凸缘部位材料厚度有一定的增加， 内部型面区域材料厚度均有一定的减小。最大材料厚度在凸缘边缘， 最大值接近 10． 6 mm，材料变薄最大区域位于型面直壁与椭圆面相切部位。其中， 无拉延筋时材料厚度变化幅度较小， 有拉延筋时材料厚度变化较大。 圆形筋和矩形筋模具成形所得封头材料厚度变化数值较接近， 最薄处材料厚度约为 9.5 mm， 但圆形拉延筋在直壁和封头底部区域的材料厚度变薄量更大。 模拟分析结果表明， 矩形拉延筋时， 材料厚度变化更加合理， 材料变形充分， 能有效抑制变形后回弹。

       3 种凹模入口形式下封头减薄率分布云图如图 7 所示。 根据 GB/T 25198—2010 压力容器封头标准中对封头成形减薄率要求， 直径 Φ3 000 mm，料厚 10 mm 封头， 材料变薄率应小于 15%。      

       图7 表明， 3 种情况下材料最大减薄率均小于15%， 满足 GB/T 25198—2010 压力容器封头标准中对封头成形减薄率要求。 但矩形拉延筋作用下所得产品在椭圆型面区域料厚减薄率分布更趋于均匀。

                                                                  图 7 封头材料变薄率

3． 3 成形回弹
       封头冲压回弹将对罐体组焊质量产生较大影响， 模具成形零件的形状和尺寸、 润滑条件、 设备压边力和材料性能等都对封头冲压成形回弹有一定影响。在工厂设备确定， 罐车材料已定的条件下， 模具成形零件形状尺寸的改进， 成为控制封头冲压回弹量的主要方法。本文中封头成形回弹分析后， 将回弹前后结果沿某截面截取剖面线， 对 3 种凹模入口形式的回弹前后截面进行比较， 图 8 为放大10 倍的封头回弹前后截面视图。

       图 8 表明， 无拉延筋作用时， 封头变形后产生较明显的回弹， 而且回弹后零件截面形状发生较大的形态变化，无拉延筋时回弹量最大值为3.88 mm。 有拉延筋作用时， 成形零件回弹前后形状基本一致， 圆形拉延筋时回弹量最大值3.11mm， 矩形拉延筋时回弹量最大值为2.06 mm。可见， 矩形拉延筋作用下， 回弹后零件形状保持较好， 回弹量较小， 变形后回弹抑制效果明显。

              

                                                         图 8 封头回弹对比图

4 实验结果与仿真结果对比

       封头有限元成形分析结果表明， 矩形拉延筋模具结构防止了产品椭圆型面起皱， 变形后回弹变形量小， 材料厚度分布合理， 能够较好保证封头成形质量。 因此采用矩形拉延筋进行封头冲压模具设计制造， 并进行生产试验， 图 9 为冷压罐车封头产品。由图 9 可知， 产品无起皱和鼓包等成形缺陷． 使用智能超声波测厚仪对成形后封头进行厚度测量， 封头最薄处料厚为9.6 mm， 最大料厚为10.5 mm。该料厚测量值与数值模拟分析所得结果基本一致。

             

                                      图 9 封头产品

5 结束语

       本文中为某型铁路罐车椭圆形封头设计了带圆形拉延筋、 矩形拉延筋和无拉延筋等不同的模具结构形式． 用有限元数值模拟手段， 对不同模具结构冲压封头成形过程进行分析， 得到以下结论:

       (1) 拉延筋结构形式对封头成形有很大影响，不同拉延筋作用下， 封头起皱、 回弹和材料厚度都有较大差异;

       (2) 矩形拉延筋时， 封头无起皱和鼓包缺陷，成形后回弹量较小， 材料厚度变化范围在 9． 5 ～10． 6 mm 之间， 满足压力容器封头成形质量要求;

       (3) 使用矩形拉延筋模具进行封头冲压试验，所得封头试样无成形缺陷， 测试结果与模拟结果基本一致， 验证了模拟分析结果的有效性和可靠性。

本文作者：罗征志，曾京，黄烈兵，秦胜谋钢管切割机，相贯线切割机

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