高強(qiáng)鋼U形件一次彎曲成形通用模具設(shè)計(jì)＊

宋 捷，牛永進(jìn)，悅 平，楊愛萍

1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院（山西長(zhǎng)治 046012）

2.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司（山西長(zhǎng)治 046012）

1 引言

裝備制造企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，有許多成形后為U形的高強(qiáng)鋼零件，由于其U形直邊高度與寬度比比較大，一般折彎?rùn)C(jī)無(wú)法完成，故需要壓模壓制而成，目前在壓力機(jī)上完成，凹模形式為直邊形式，存在的問(wèn)題有：①由于高強(qiáng)鋼板回彈比較大，需要反復(fù)校形才能滿足設(shè)計(jì)尺寸要求，整個(gè)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力；②當(dāng)前設(shè)計(jì)回彈完全靠經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有得出具體值；③模具使用過(guò)程中通用性差，造成極大的浪費(fèi)。

本文目的為了減少反復(fù)校形造成工時(shí)的浪費(fèi)，增加通用性，研究一次彎曲成形技術(shù)，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，摸索出合適的U形彎曲模結(jié)構(gòu)（包括凹模、凸模形狀，上模架設(shè)計(jì)等）和合理的模具參數(shù)，以求提高一次彎曲成形的成功率。

2 U形模具參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 U形零件結(jié)構(gòu)圖

U形件分為兩種情況：一種是寬度尺寸標(biāo)在內(nèi)側(cè)，一種是標(biāo)在外側(cè)，圖1所示為兩種情況的綜合圖，其材料為高強(qiáng)鋼度焊接結(jié)構(gòu)鋼HG785D，抗拉強(qiáng)度約為785MPa，具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于裝備制造設(shè)備、礦山機(jī)械等大型鋼結(jié)構(gòu)件中，如：起重機(jī)、車架等。

圖1 U形零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 U模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖建立

圖2為U形模具的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，由凸模、旋轉(zhuǎn)凹模等組成，U形件的尺寸依靠凹模和凸模同時(shí)保證。

圖2 U形模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中 rp——凸模圓角半徑，mm

rd——凹模圓角半徑，mm

h——凹模深度，mm

C——凸、凹模間隙，mm

Bp——凸模寬度尺寸，mm

Bd——凹模寬度尺寸，mm

α——回彈角

2.3 模具設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

（1）凸模圓角。

凸模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于凸模半徑rp的計(jì)算，理論計(jì)算尺寸[1]：

式中 r——制件下圓角半徑，mm

t——制件厚度，mm

E——制件材料的彈性模量

σs——制件材料的屈服極限，MPa

考慮回彈凸模實(shí)際尺寸：

式中 k——修正系數(shù)，取0.88

（2）凹模深度要適當(dāng)，過(guò)小兩端的自由部分長(zhǎng)，彎曲工件的回彈大，且成品不平直；過(guò)大凹模需要的鋼材尺寸比較大，且要求壓力機(jī)有較大的行程。因此h按表1選取。

（3）凸、凹模間隙的選取。

對(duì)于U形件必須選擇適當(dāng)?shù)拈g隙，間隙的大小對(duì)工作的質(zhì)量和彎曲力有很大的影響，間隙小彎曲力越大，同時(shí)會(huì)使工件的部分臂體變薄，還造成凹模具的使用壽命降低，間隙過(guò)大，回彈大，降低工件的公差等級(jí)，因此間隙值的選取非常重要，查閱文獻(xiàn)[2]：凸、凹模間隙C=（0.95～1.1）t，效果最優(yōu)。

（4）尺寸標(biāo)在外側(cè)的以凹模為基準(zhǔn)，先確定凹模尺寸，保證凹凸模之間的間隙計(jì)算出凸模的尺寸。尺寸標(biāo)在內(nèi)側(cè)的以凸模為基準(zhǔn)，先確定凸模尺寸，保證凹凸模之間的間隙計(jì)算出凹模的尺寸。

尺寸外側(cè)時(shí)，凸凹模寬度尺寸如下：

尺寸內(nèi)側(cè)時(shí)，凸凹模寬度尺寸如下：

式中 δp、δd——凸、凹模具的制造公差

（5）為了一次成形故將凸、凹模設(shè)計(jì)一個(gè)角度，這個(gè)角度為回彈角[3]，其確定根據(jù)回彈前后，中性層不變的條件可得：

（6）彎曲力的計(jì)算。

為了選擇時(shí)所需用的壓力機(jī)和進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，必須計(jì)算彎曲力，彎曲力的大小與彎曲件的形狀、機(jī)械性能及材料厚度等因素有關(guān)。按下列公式計(jì)算：

式中 F1——彎曲力，t

δb——抗拉強(qiáng)度極限，MPa

L——彎曲線長(zhǎng)度，mm

t——材料的厚度，mm

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇合適的壓力機(jī)并計(jì)算凹凸模具的強(qiáng)度。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過(guò)三維軟件對(duì)U形模具進(jìn)行詳細(xì)建模設(shè)計(jì)，包括上模架、凸模、旋轉(zhuǎn)凹模、底座、調(diào)節(jié)板、卸料桿組成[4]。U形彎曲模結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

凸模通過(guò)螺栓與上模架連接，安裝孔在上模架的中間部位，實(shí)現(xiàn)不同凸模的安裝，旋轉(zhuǎn)凹模能夠繞底座旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸模壓到最下方時(shí)，兩旋轉(zhuǎn)凹模具側(cè)面形成銳角，實(shí)現(xiàn)對(duì)U形件的過(guò)壓，單邊過(guò)壓角度為α，回彈后恰好為U形，不用反復(fù)校形，達(dá)到一次成形的目的。卸料桿由彈簧和頂桿組成，卸料桿作用初始狀態(tài)將旋轉(zhuǎn)凹模頂起，使旋轉(zhuǎn)凹模開口處于張開狀態(tài)，壓制完成后再負(fù)責(zé)將工件頂起，完成U形件的拆卸。

圖3 U形彎曲模結(jié)構(gòu)示意圖

為增加U形件的通用性，特設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)板，首先梳理型號(hào)制件U形件一般尺寸范圍，A最大為300mm，B為400mm，厚度小于20mm，長(zhǎng)度小于2,000mm，設(shè)計(jì)出通用彎曲模結(jié)構(gòu)，由通用零部件和專用零部件組成，如表2所示。

表2 U形彎曲模結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

經(jīng)過(guò)通用化設(shè)計(jì)后，U形彎曲模的上模座、下模座、旋轉(zhuǎn)凹模具，可以適應(yīng)不同U形件的成形，針對(duì)不同U形件的尺寸，通過(guò)調(diào)節(jié)側(cè)板和底板組合成需要的內(nèi)腔尺寸，其流程如圖4所示。

圖4 U形模具設(shè)計(jì)流程圖

4 使用方法

（1）根據(jù)彎曲力選擇合適的壓力機(jī)。

（2）用壓板將模架安裝在壓力機(jī)的上壓盤上。

（3）用壓板將底座安裝在壓力機(jī)的下工作臺(tái)上，保證凹凸模具中心重合。

（4）放入工件完成U形件的壓制。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)模具每個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和梳理現(xiàn)有U形件結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出所需要零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后使用三維建模軟件對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，實(shí)現(xiàn)一次成形和通用化的要求，此模具功能滿足使用要求，一次成形與理想值基本吻合，減少了反復(fù)校形的工作，同時(shí)通用化設(shè)計(jì)后，將凹模和上模架做為通用零部件，避免了每次設(shè)計(jì)時(shí)繁瑣的計(jì)算和大量零部件的設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率，降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。