一种U形大锻件精确连续折弯方法与流程

本发明涉及一种大锻件的弯曲方法，具体的涉及一种可提高U形大锻件尺寸精度和表面质量的精确连续折弯方法。

背景技术：

弯曲成形工艺仍然是制约高质量大锻件弯曲生产的一大难题。U形大锻件在弯曲变形过程中极易造成载荷突变、变形区剧烈减薄、锻件表面擦伤大，U形弯曲臂对称性差的问题，锻件整体质量低下，容易造成安全隐患。主流技术采用通用设备弯曲预成形辅以冷/热校正工序或者购置昂贵的弯曲专机回避这一技术难题，导致工艺路线冗长，生产成本极大提高。

因此，对于本领域技术人员来说，开发一种能够在通用锻压设备上实现大锻件精确、无损、高效弯曲生产的加工工艺，以显著降低生产成本，提升产品质量是十分必要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能在通用锻压设备上实施的U形大锻件弯曲加工方法，以克服现有技术中存在的成形载荷突变、锻件与模具接触区过度擦伤和锻件对称性差的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种U形大锻件精确连续折弯方法，该方法通过一个弧形入口凹模，和与其匹配的凸模和带折弯导板的背压模实现，其中所述弧形入口轮廓为完整圆弧的1/4，圆弧半径为100-350mm，弧形入口凹模工作表面沿运动方向每边均匀布置有3-8个辊轴，凸模下表面外侧沿弯曲轴向布置有两条半径为3-5mm的半圆柱形定位筋，所述定位筋与锻件中部内表面预压形成的定位凹槽相匹配，所述背压模设置于凹模型腔内部，其上表面型面轮廓与锻件中部外侧不弯曲区域形状相匹配，下端与液压缸连接提供大小为0.15-0.25倍弯曲力的恒定背压，所述折弯导板一端以铰链与背压模端部连接，并随凸模下压沿弧形凹模和辊轴表面滑动，所述弧形入口凹模下部呈燕尾形，并与底座用楔铁紧固，所述底座与凹模燕尾另一端设置有垫片槽，并在新制模具装配时预装厚度最大为1.0mm的垫片，随着模具的使用，垫片厚度可降低但应不低于0.3mm。该方法包含以下步骤：

a.将锻件预热到始锻温度，并展开锻造为“一”字型，同时在锻件中部与凸模接触部分的不弯曲变形区域外侧压半径为4-6mm并贯通锻件宽度方向的定位凹槽；

b.将上述锻件毛坯在预热过的切边模具上切边，切边采用与锻件主体非切边轮廓相匹配的背压模具，背压力为0.3-0.5倍切边力，保证切边后锻件的平直度和对称性；

c.将切边后的余热毛坯立即放置到弧形入口凹模上方，由背压模以及相连的两个折弯导板构成的水平定位空间内，并通过背压模型面轮廓实现与锻件中部不弯曲区形状的粗定位，随后压力机带动凸模加压于锻件毛坯，配合背压液压缸活塞杆沿锻件水平方向的轻微抖动完成定位筋与定位凹槽的咬合和压紧，并使锻件毛坯与背压模紧密贴合实现精确定位；

d.压力机带动凸模继续下压，折弯导板随下压过程进行以铰链为旋转轴，沿凹模弧形入口轨迹带动锻件弯曲部位进行连续折弯变形，当锻件达到预定的弯曲角度后连续折弯过程结束；

e.压力机带动凸模回程，随凸模上升背压模带动折弯导板沿弧形轨迹运动并展开回复到水平状态，锻件脱模并得到具有所需弯曲角度的锻件成品。

进一步，所述沿凹模弧形布置的辊轴呈哑铃型，其工作半径为15-40mm，辊轴与折弯导板接触的表面预留有深度为8-10mm的矩形沟槽，沟槽宽度相对折弯导板宽度单边预留1-3mm间隙，且沟槽入口做倒角处理，以保证折弯导板在沟槽构成的轨道内运动。

进一步，为保证弯曲过程锻件与折弯导板良好的位置关系，所述折弯导板与锻件接触的表面预留有深度为锻件厚度1/3-2/3的沟槽，沟槽宽度相对锻件宽度单边预留3-5mm间隙，且沟槽入口做倒角处理。从锻件初始定位到弯曲完成，都保证锻件位于折弯导板的定位沟槽内，沟槽单边预留的间隙用于容纳由于锻件变形带来的展宽。

进一步，所述折弯导板长度取1/2锻件弯曲臂长度与铰链和弧形入口凹模平面段水平距离的较大值，厚度需保证折弯导板在制作沟槽后有足够的刚度，在折弯过程中不发生变形和破坏。

进一步，区别于现有技术，在本申请所述的U形大锻件精确连续折弯方法中锻件并不直接与弯曲凹模及其辊轴接触，而是由折弯导板引导锻件沿弯曲凹模弧线轮廓轨迹运动。由于导板反复与凹模及其辊轴摩擦，为保证弯曲精度及使用寿命，所述折弯导板优选用热作模具钢并辅以表面硬化处理，保证表面硬度不低于60HRC。

进一步，所述导板与背压模连接的铰链配合公差不低于H10/d10，以保证折弯导板与背压模在弯曲运动进行中仍然保持较高的位置精度。

进一步，为了克服现有技术中出现的圆形截面活塞杆在受力状态下的扭转问题，所述液压缸活塞杆选择非圆形横截面，优选方形横截面。

相比现有技术，本方法具有的有益效果在于：

(1)弯曲载荷显著降低，加工过程平稳顺畅。本方法采用凹模弧形轮廓作为折弯运动轨迹，将现有技术中一次或两次(发明ZL200910104155.9)力能集中的剧烈阶段性变形改变为一次持续的连续弯曲变形过程，弯曲受力部位随着凸模下行从变形影响区逐步转移到锻件根部的大变形区，锻件弯曲臂随凸模下行连续发生从0°到90°的角度变化。整个加工过程弯曲载荷呈现上升、维持到下降的平稳变化，无现有技术中普遍存在的力能突变(1-2次)状况。有效降低弯曲载荷以及锻件与凹模接触受载部位的损伤，带来弯曲锻件质量的本质提升。

(2)锻件对称性显著提高。申请人通过大量试验发现，现有技术中锻件对称性差的根本原因在于锻件在弯曲前的切边过程中，由于采用简单冲头和凹模的切边模具，缺乏对超长锻件刚性较差的中间部位必要的支撑和定位，极易造成锻件在切边受力时偏载、错移，使锻件平直度下降，锻件沿水平方向出现不规则挠度，进一步弯曲时造成定位困难和模具接触的不同步，加剧锻件的不对称性。本发明通过在弯曲前的切边工序中引入背压模具，将锻件本体限制在凸模与背压模具构成的封闭空间中，完成切边过程，抑制切边变形的发生，从源头上保证初始锻件的尺寸精度和对称性。

(3)弯曲加工过程的定位精度显著提高。申请人发现，最终弯曲锻件的尺寸精度与锻件毛坯尺寸精度、弯曲初始定位精度以及加工过程中的定位精度密切相关。现有技术并未对加工过程定位精度给予足够的重视，也未采取行之有效的措施加以保证。在本次申请的技术方案中，首先在凸模上设置有定位筋并在锻件相应位置设置有与定位筋形状相匹配的定位凹槽，弯曲运动过程锻件在压力机滑块和背压力的作用下牢牢与凸模锁紧，克服现有技术中点定位精度不足造成的滑动和错移；其次，通过在辊轴工作部位和折弯导板内侧制作沟槽，形成凹模、辊轴、折弯导板和锻件变形部位环环相扣的状态，弯曲过程中运动部件都在预设的运动轨道中实施加工作业，配合方形截面的活塞杆，可有效限制锻件在X、Y平面内的旋转和错移。结合背压机构，可有效提高加工过程中的定位精度，确保最终锻件尺寸精确稳定。

(4)模具工作寿命和生产柔性极大提高。在本申请中，将凹模底部设计为燕尾型与底座配合，并使用斜铁紧固定位。在楔铁槽的对侧底座上设置有垫片槽，并在新制模具装配时预装一定厚度的垫片。可根据生产的进行实时测量由于最小入口处辊轴磨损或由工装刚度不足造成的凹模模口间隙改变量，并通过合理增减垫片厚度在工作过程中及时调整和保证模具装配精度。楔铁和垫片槽的设计避免了模具装配尺寸改变造成的凹模反复拆装定位的麻烦，确保弯曲过程精确、连续高效进行，极大提高了整套弯曲工装的工作寿命和生产柔性。

(5)从根本上解决锻件变形部位擦伤的问题。本申请提出的技术方案与现有基于通用设备进行弯曲的方法相比，最显著的特点在于锻件本体并不与弯曲凹模及辊轴直接接触，而是利用折弯导板进行运动轨迹的引导和弯曲力的传递。从跟本上解决了现有技术中锻件在1-2次剧烈弯曲过程中，载荷突变导致的锻件与辊轴接触部位严重擦伤，过度减薄的问题。

附图说明

图1为本发明所采用装置的的结构示意图，图中为锻件在弯曲进行中。

图2为辊轴结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的工艺过程，以下采用铁路货车钩尾框锻件作为示例用锻件，并结合其附图对本发明作进一步详细说明。在此需要特别说明的是，钩尾框是一种铁路货车用的重要零件，是典型的U形框结构，特别适宜于本发明的实施。

本方法在具体实施时，通过图1、图2所示结构装置实现铁路货车钩尾框锻件1的弯曲成型，其结构为，包括一个弧形入口凹模7，和与其匹配的凸模21和带折弯导板2的背压模26实现，其中，所述弧形入口凹模7与折弯导板2接触的工作表面5为完整圆弧的1/4，所述圆弧面5上沿工作方向每边均匀布置有5个辊轴6a-6e，如图2所示，所述辊轴6呈哑铃型，与折弯导板2接触的表面24预留有矩形沟槽25，该沟槽宽度相对折弯导板2宽度预留一定单边间隙23。其中辊轴6a工作表面与弧形入口凹模顶面水平段18相切，辊轴6b、6c和6d工作表面与弧面5相切，辊轴6e工作表面与弧形入口凹模的模口竖直侧壁15相切。所述折弯导板2端部用铰链17与背压模16连接，折弯导板2与钩尾框接触的表面3上设计有截面为矩形的贯通槽26，整个弯曲过程钩尾框1变形部位都被限制在贯通槽26中进行。所述凸模下表面20外侧沿弯曲轴向布置有两条定位筋4，所述定位筋4与钩尾框中部内表面预压形成的定位凹槽19相匹配。所述背压模16设置于弧形入口凹模7型腔内部，其上表面型面轮廓与钩尾框中部外侧不弯曲区域形状相匹配，下端与液压缸12连接提供恒定背压，所述液压缸12连接有截面为正方形的活塞杆11，所述液压缸12不受外力时能将背压模16顶至弯曲型腔上表面，同时折弯导板2展平搭接于弧形入口凹模7水平段与辊轴3a工作面形成的支撑面上。所述弧形入口凹模7下部呈燕尾形，并与底座10用楔铁9紧固，所述底座10与凹模燕尾14的另一端设置有垫片槽13，并在新制模具装配时预装一定厚度的垫片8；具体实施时，所述凸模21上端制作成阶梯式，方便弯曲后钩尾框锻件1随凸模21回程脱离凹模型腔。背压模16在液压缸12作用下可稳定在空载位置，初始状态时其表面与弧形入口凹模的顶面18相平，当展开锻造并切边完成的钩尾框锻件1放入弧形入口凹模7上后，钩尾框锻件1靠背压模16上表面形状粗定位。具体实施时，弧形凹模7的弧形半径合理取值范围为280-300mm，辊轴6工作部分半径合理取值范围为25-30mm，辊轴上矩形沟槽25相对于折弯导板宽度单边有1-2mm的间隙23，沟槽25深度为8-10mm，折弯导板2长度取钩尾框折弯臂长的1/2，约为450mm，折弯导板2厚度取65-70mm，考虑到钩尾框弯曲变形后根部会产生水平方向的展宽，所以折弯导板2与钩尾框锻件1配合的贯通槽26单边留5mm间隙22，沟槽深度为17-20mm，折弯导板2选用经表面硬化处理后硬度为60HRC的H13模具钢，其与背压模16连接的铰链17配合公差为H10/d10，所述活塞杆11为正方形横截面，以避免在压力加载和弯曲过程中背压模带动钩尾框锻件在X、Y平面内的旋转和错移，所述新模具预装的垫片8厚度为0.8mm。当各参数作上述取值范围后，可使弯曲效果最优。

本装置用于加工示例所用的钩尾框锻件1时，具体可采用下述步骤：a.将钩尾框毛坯预热到始锻温度1150-1180℃，并展开锻造为“一”字型，同时在钩尾框毛坯中部与凸模21接触部分的不弯曲变形区域外侧压半径为5mm并贯通钩尾框毛坯宽度方向的定位凹槽19；b.将上述钩尾框毛坯在预热到300-350℃的切边模具上切边，切边采用与钩尾框主体非切边轮廓相匹配的背压模具，保证切边后钩尾框的平直度和对称性；c.将切边后的余热毛坯立即放置到弧形入口凹模7上方由背压模16以及相连的两个折弯导板2构成的水平定位空间内，并通过背压模16的上型面轮廓实现与钩尾框中部不弯曲区形状的粗定位，随后压力机带动凸模21加压于钩尾框毛坯，配合背压液压缸12、活塞杆11沿钩尾框水平方向的轻微抖动完成定位筋4与定位凹槽19的咬合和压紧，并使钩尾框毛坯与背压模16紧密贴合实现精确定位；

d.压力机带动凸模21继续下压，折弯导板2随下压过程进行以铰链17为旋转轴，沿凹模7弧形入口轨迹带动钩尾框弯曲部位进行连续折弯变形，当锻件1达到预定的弯曲角度后连续折弯过程结束；e.压力机带动凸模21回程，随凸模21上升背压模16带动折弯导板2沿弧形轨迹面5运动并展开回复到水平状态，脱模并得到具有所需弯曲角度的钩尾框成品。

采用本发明提出的U形大锻件精确连续折弯方法，并按照权利要求限定的参数合理取值生产钩尾框锻件，所得产品与传统弯曲模具以及发明ZL200910104155.9提出的两段式弯曲方法所得的钩尾框产品性能相比，有益效果十分显著。具体结果如下：

注：表中比例数据均以传统一次弯曲方法为对比基准

最后说明的是，以上实施例仅用于更清楚地说明本发明的工作原理和过程，并不对本发明产生限制。本发明还可以适用于加工其他形状的大锻件，其加工原理和加工步骤与上述实例并无不同，故不需重复举例。本发明对现有技术做出创造性贡献的地方，在于提出了一种新型U形大锻件精确连续折弯方法，有效解决了现有技术及其改进技术中普遍存在的成形载荷突变、锻件与模具接触区过度擦伤和锻件对称性差的问题，有益效果非常显著。