第 1 章 绪论
1.1 课题背景
随着国民经济的发展，铁路运输在货物运输中需求越来越大，刺激着铁路车辆制造业的持续稳定发展，同时也给铁路货车制造业带来了全球性的商业竞争。通过采用新结构、新材料开发货车车体，努力降低车辆自重系数，已是货车研究的主攻方向之一。冲压加工具有高效率和低成本的显著特点，是铁路货车制造的主要加工方法之一，其冲压制件占所有零部件的 30%以上，冲压成型的零部件，对于整车的重量和质量（特别是外观质量）影响非常大，被称为关键零部件。例如 P70 棚车侧板和顶棚、C70 型敞车下侧门等。
冲压加工技术与材料、模具和设备等方面的影响密切相关。创新加工工艺、科学分析成形过程、有效控制成形缺陷、合理的进行模具设计是冲压加工技术发展的重点，决定了冲压制件的加工周期、成本和质量等。所以，要减小铁路货车的自重、提高其质量（特别是外观质量），需要重点研究冲压加工技术。株洲星联铁路机械科技有限公司 2009 年承接了某型号铁路货车所有覆盖件系列模具开发任务，覆盖件均为厚度 5mm 的耐候钢板（09CuPCrNi），采用起伏成形冲压成形。图 1.1 为铁路货车下侧门示意图，该零件尺寸大、结构复杂（中部加强筋是典型起伏成形），该制件不仅有强度和刚度要求，还要求不出现拉裂，减轻变薄、褶皱、回弹变形等等。公司为提高加工质量、积累工艺设计和模具设计的经验，为设计整个系列模具提供技术参考，2009年 7 月特组织了专项开发团队进行攻关，主要是运用 CAE 技术对下侧门的成型技术进行数值分析，并运用 CAD 技术设计模具结构。
图 1.2 所示为铁路货车下侧门的零件图，由图可见其主要加工工序为起伏和切边工序。该侧门每辆车 12 件，年均产量为 3500 辆，企业现有 3500T 双动四柱式水压机，可以考虑在该设备上进行加工。坯料展开尺寸：5×1120±4×1425±4，成形后切边尺寸:5×986×1300，材料为 5mm 耐候钢（09CuPCrNi），其热轧态的力学性能为：
（1）屈服极限： 347 ~ 394sσ =MPa
（2）强度极限： 466 ~ 528bσ =MPa
（3）材料均匀延伸率： δ =30.5 ~ 37.8%
（4）材料拉深时的硬化指数： n ≈0.2（n值是判断金属性能的主要依据，这一参数越大，胀形时，向外扩散变形的趋势越均匀，材料被拉裂的可能性越小。
（5）材料成形压边：单位压边力 q=2.5MPa
1.2 国内外发展现状
因板材加工的零件质量轻、强度和刚度好，且加工方法简单，故板材冲压成形广泛应用各行各业，用板材成形的零件占飞机零部件数量超过 50%，汽车制造业中更是超过了 75%，铁路货车制造中板材零件比重也达到了 37%。所以，板材成形是制造业中重要加工技术之一，据统计全球生产的钢材约有 52.3%加工成板材。大型冲压件，特别是覆盖件的冲压成形过程复杂、装配精度要求往往比较高、模具成本也非常高，所以其成形分析是国际塑性成形研究领域的热点之一。
大型冲压件技术研究始于汽车制造业，20 世纪初，美国福特汽车开始对大型汽车冲压件的成形技术和成形性两个方面进行了深入研究，在控制破裂、起皱和回弹等方面取得了一系列成果，推动了该项技术的发展。20 世纪 60 年代，非线性连续介质力学理论研究成效显著，并随着有限元理论和计算机技术发展，推动了板材冲压成形分析技术的发展。但是，因为板材冲压成形数值分析涉及很多方面，例如材料、几何和状态等非线性的计算，导致难度很大。1967 年 P.V.Marcal 和 I.P.King 研究了材料成形的弹塑性问题，开创了弹塑性有限元分析，通过分析可以划分出材料成形时的弹性变形区域、塑性变性区和没有发生变形的区域。该技术不仅可以按照变形的路径获得塑性区域的变化状况，以及制件的应力分布状况、应变分布规律以及几何形状的变化特点，还可以对卸载进行分析处理，对残余应力和残余应变进行计算。但是，弹塑性有限元分析要逐步加载进行增量分析计算，增量的步长不能太小，导致计算工作量非常大、时间非常长。
20 世纪 70 年代后期至 80 年代初期，板料成形数值分析技术得到了迅速发展，研究开发了 ANSYS、AutoForm、PAM-STAMP 2G、KMAS、Dynaform 等商品化的板料成形 CAE 软件，美国通用和福特、德国大众和奔驰、日本丰田和日产等汽车制造公司将其应用于实际研发和生产，获得了良好的经济效益。一汽、上汽等国内汽车企业从上世纪 80 年代后期开始对汽车用薄板的冲压成形进行了数值模拟，取得了一定的成效，为数值模拟分析在国内的推广应用奠定了基础。中国北车集团齐车公司、中国北车集团四方车辆研究所等单位则在 90 年代后期开始对铁路货车中的材料成形进行了有关数值模拟的研究和应用，也取得了不少成功的经验。
第 2 章 下侧门冲压成形分析
铁路货车覆盖件冲压成形的应力应变分布情况非常复杂，板料的成形往往是拉延、翻边、胀形、弯曲等多种变形方式的组合过程。冲压工艺和模具设计的主要任务就是合理设计工艺和模具，使得板料在冲压过程中不同部位的材料变形尽量协调，避免局部因变形超过极限而变薄甚至拉裂，也要避免冲压起皱或留下划痕，还要控制回弹使零件尺寸符合设计和装配要求。拉裂与起皱，是覆盖件冲压成形中典型的一对矛盾，也是非常容易出现的两种缺陷，拉延筋（包括拉延埂）是解决该问题的重要手段。通过合理设置拉延筋（或拉延埂）来控制材料的流动阻力，从而促进板料材料的不同部位之间的协调变形。另外，模具间隙、润滑状态、坯料形状等因素对冲压零件的质量也是非常重要的因素。
一般的定性分析方法已经不能精确地确定上述因素对冲压过程影响。针对这一问题最好的解决方法就是利用 CAE 进行处理，在模具制造之前就获得各关键问题处理的方法，例如：所设计的拉延筋（拉延埂）是否能够按人们预期的方式获得板料的协调变形；改进模具间隙、润滑状态、坯料形状等因素是否能够改善成形条件等等。这些，对于铁路货车覆盖件的冲压成形和模具设计都具有重要的指导意义。
第3章 下侧门冲压成形的数值模拟........................ 21-35
3.1 下侧门冲压工艺方案设计........................ 21-23
3.2 Dynaform 软件的操作 ........................23-25
3.2.1 Dynaform 软件概述........................ 23
3.2.2 Dynaform 操作步骤........................ 23-25
3.4 下侧门冲压成形的数值模拟........................ 25-34
3.5 本章小结........................ 34-35
第4章 下侧门起伏成形质量影响因素的数值分析........................ 35-44
4.1 材料性能的影响 ........................35-37
4.2 毛坯形状的影响........................ 37-39
4.3 模具间隙的影响........................ 39-41
4.4 压边力的影响........................ 41-43
4.5 本章小结 ........................43-44
第5章 铁路货车下侧门起伏成形模设计........................ 44-51
5.1 铁路货车下侧门起伏成形模总体设计........................ 44-46
5.1.1 压力机的配用........................ 44-45
5.1.2 总体尺寸设计........................ 45
5.1.3 模具总体结构........................ 45-46
5.2 铁路货车下侧门起伏成形模........................ 46-49
5.3 铁路货车下侧门起伏成形过程........................ 49-50
5.4 本章小结 ........................50-51
结论
针对株洲星联铁路机械科技有限公司 2009 年承接的下侧门冲压模开发任务进行了成形分析，利用 Dynaform 软件对其进行了冲压成形的数值模拟，确定了合理的冲压方案，并对成形质量的主要影响因素进行了讨论，解决了下侧门冲压过程中的拉裂、起皱、划痕等缺陷，缩短了开发周期、降低了生产成本。本文主要取得了以下研究成果和结论：
（1）对覆盖件冲压的正装式和倒装式模具进行了分析比较，确定了下侧门倒装冲压方式，根据制件出现拉裂、变薄、褶皱、回弹变形等等缺陷，从材料性能、工艺参数、模具结构、冲压过程等方面提出了防范措施。
（2）对下侧门成形设计了两种冲压工艺方案，利用 Dynaform 软件分别对其成形过程进行了模拟分析，确定了在 2500T 的水压机起伏成形和 2000T 冲床切边两道工序的冲压工艺。
（3）针对选定方案的起伏成形工序，从材料性能、毛坯形状、模具间隙和压边力大小等四个方面对成形质量的影响进行了比较研究，得出了下侧门起伏成形的最佳冲压工艺为：材料采用本钢 09CuPCrNi-A、毛坯形状为 1425×1120 的矩形毛坯、模具间隙采用坯料厚度的 1.0 倍、压边力为 120T。
（4）根据数值分析选定的冲压方案和确定的工艺参数，设计了下侧门起伏成形模。模具采用了箱式上模体、内外分动压边结构，模具制造完成后，经过简单调试，起伏成形冲压出合格产品。
国内冲压成形数值模拟分析的应用在汽车覆盖件冲压中得到了比较广泛的应用，但是在铁路货车冲压件的冲压成形中应用不是很广泛，同时数值模拟分析只能作为传统经验设计方法的一种辅助手段。所以，铁路货车冲压件的冲压成形生产一方面是要总结经验，另一方面是利用数值模拟分析影响因素，从而优化工艺设计、缩短模具开发周期、降低模具开发成本。
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