虞鑫磊,王 蕾
(臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 臺(tái)州 318000)
如圖1所示某鈑金彎曲零件,前角有對(duì)稱彎曲、兩側(cè)有彎曲和孔。根據(jù)工件形狀分析需采用彎曲成形工藝。材料厚度0.6mm,材料1Cr18Ni9Ti,具有良好的抗腐蝕性。零件外形較復(fù)雜,可近似看成一個(gè)簡(jiǎn)單的條料經(jīng)過(guò)多次彎曲成形并沖孔。彎曲過(guò)程中應(yīng)注意彎裂問(wèn)題,當(dāng)工件的相對(duì)彎曲半徑r/t較小時(shí),凸模圓角半徑r等于工件的彎曲半徑;凹模圓角半徑不能過(guò)小,以免擦傷工件表面影響沖模壽命,結(jié)合工件的形狀,采用多次彎曲成形,以減小模具的彎曲回彈。經(jīng)過(guò)工藝分析與比較,采用7工位級(jí)進(jìn)模。本設(shè)計(jì)難點(diǎn)是解決偏移、回彈和定位問(wèn)題。
圖1 成形零件三維圖
彎曲沖孔件的工藝性是指該工件對(duì)沖壓工藝的適應(yīng)性,即彎曲沖孔件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、精度等級(jí)等是否符合彎曲及沖孔加工的工藝要求。良好的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)保證材料消耗少、工序數(shù)目少、模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而壽命高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單等。
(1)材料性能:制件成形材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti,具有良好的抗腐蝕性。
(2)彎曲沖孔件的形狀及尺寸:制件形狀簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)對(duì)稱??山瓶闯梢粋€(gè)簡(jiǎn)單的條料經(jīng)多次彎曲成形。①?zèng)_孔:零件形狀簡(jiǎn)單,孔在中心線上,可直接沖孔成形。②彎曲:當(dāng)工件相對(duì)彎曲半徑r/t較小時(shí),凸模圓角半徑r取值等于工件彎曲半徑;凹模圓角半徑不能過(guò)小,以免擦傷工件表面影響沖模壽命。按照材料厚度決定凹模圓角半徑,結(jié)合工件形狀,采用多次彎曲成形,以減小模具的彎曲回彈。
(3)沖裁件的尺寸精度:按工件圖要求的加工精度等級(jí),凸模為IT8級(jí)公差,凹模為IT9級(jí)公差。
(4)尺寸標(biāo)注:分析零件的尺寸標(biāo)注情況,符合要求。
(5)送料:在送料過(guò)程中,采用中間載體可保證送料的強(qiáng)度要求。
綜上所述,該制件適合拉深及沖孔,可利用多次彎曲沖孔得到。
根據(jù)零件外形特點(diǎn),成形過(guò)程中需采用沖孔、分刀、彎曲;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況是大批量生產(chǎn);沖壓工件的尺寸精度、對(duì)稱度等位置精度較高,適合于復(fù)合工序數(shù)量在三個(gè)工序以下的特點(diǎn),因此選擇多工位級(jí)進(jìn)模沖裁成形。方案分析如下:
方案一:多套模具多次加工,即沖孔→落料→彎曲。
方案二:沖孔落料彎曲級(jí)進(jìn)模,沖孔定位→切除廢料→前角彎曲成形→切除廢料→彎曲成形,切斷。
方案三:沖孔落料彎曲級(jí)進(jìn)模,沖孔定位→切除廢料→前角彎曲成形→切除廢料→兩邊90°彎曲→90°彎曲向上成形→成形彎曲,切斷。
結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求,方案一生產(chǎn)效率低,工件累積誤差大,需設(shè)計(jì)至少兩套模具,生產(chǎn)設(shè)備成本比較高,操作不方便。由于該零件為批量生產(chǎn),相比較方案三和方案二更具有優(yōu)越性,方案中,彎曲成形工藝采用兩次彎曲成形,分別為前角的彎曲成形和兩邊的彎曲成形,這種方案工藝很難控制和零件的回彈值比較大,容易使模具零件加速磨損,方案三在彎曲的過(guò)程中采用三次彎曲成形的工藝,簡(jiǎn)化了模具的結(jié)構(gòu),能夠很好地控制彎曲過(guò)程的回彈量,大大提高了零件的工藝性。
圖2 工位示意圖
(1)定位精度。定位精度問(wèn)題是級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)中首先需要解決的。在條料向前輸送的過(guò)程中,由于磨損和制造誤差等原因,定位精度逐漸下降,降低模具使用壽命。因此要將定位零件進(jìn)行熱處理,提高定位零件的硬度以降低磨損程度。
(2)彎曲成形缺陷。回彈和偏移是彎曲成形工藝中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題,回彈使彎曲半徑變大,彎曲件角度變大;偏移使長(zhǎng)度方向產(chǎn)生移動(dòng),工件兩邊不符合圖樣要求。因此,要合理計(jì)算相對(duì)彎曲半徑和模具間隙,從工藝上采取措施,用校正彎曲代替自由彎曲。對(duì)于克服偏移的措施,利用毛坯上的孔或者設(shè)計(jì)工藝孔、定位銷插入孔內(nèi)再?gòu)澢?,使毛坯無(wú)法移動(dòng),或者采用壓料裝置,使毛坯在壓緊狀態(tài)下逐漸彎曲成形,從而防止毛坯移動(dòng),得到較為平整的工件。
(3)少?gòu)U料排樣。為提高材料利用率,降低生產(chǎn)成本,要求凸模、凹模等工作零件的尺寸精度高,送料精度高,減少修正余量。
根據(jù)工藝分析和方案制定,該零件需進(jìn)行多次彎曲成形。成形中彎曲力影響受力分布和材料流動(dòng)。為驗(yàn)證彎曲成形的可行性,設(shè)計(jì)中進(jìn)行仿真分析,通過(guò)設(shè)定 P1、P2、P3、P4、P5點(diǎn),可模擬監(jiān)測(cè)仿真數(shù)據(jù),如圖 3、4、5、6 所示。
由圖3可得,在彎曲成形過(guò)程中,變形主要集中在兩側(cè)邊的V形彎曲邊緣。
由圖4可得,變形主要集中在彎曲區(qū)域和底部,原因是彎曲變形區(qū)受力和凸模對(duì)零件底部的壓平;前端兩側(cè)未受力,等效應(yīng)力為0。仿真的等效應(yīng)力值為640MPa。
圖3 金屬流動(dòng)
圖4 等效應(yīng)力
圖5 等效應(yīng)變
圖6 破壞程度
由圖5可得,等效應(yīng)變主要集中在兩側(cè)邊的V形彎曲區(qū),原因是兩側(cè)從90°彎曲成設(shè)計(jì)角度,金屬流動(dòng)變化大;從整體看,等效應(yīng)變較為集中,主要分布在V形變形邊緣。兩側(cè)分析數(shù)據(jù)得知零件等效應(yīng)變介于最大值和最小值之間,仿真等效應(yīng)變值分別為 0.0945、0.0787、0.00394、0.00138、0.000717。
由圖6可得,變形破壞主要集中在V形彎曲區(qū)。兩側(cè)分析數(shù)據(jù)得知變形破壞的值介于最大值和最小值之間,分別為 0.0605、0.071、0.00444、0.000544、0.000768。
有兩種排樣設(shè)計(jì)方案即零件的橫排和豎排。根據(jù)零件工藝特點(diǎn),零件在兩側(cè)需進(jìn)行彎曲成形,所以確定橫排即平行于彎曲成形方向的方案。
制件在條料上的獲取方法,根據(jù)相關(guān)帶料排樣的設(shè)計(jì)要求,有4種:①切制件留載體;②切載體留制件;③切載體也切制件;④留載體也留制件。
結(jié)合零件擬定的方案,即多步彎曲成形工藝,采用載體也切制件的方式。在下模座要讓制件有料斗或漏料通道,將它們分別排出,此法在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)中普遍應(yīng)用。
根據(jù)相關(guān)資料,載體的基本類型有雙側(cè)載體、單側(cè)載體、中間載體。本零件是對(duì)稱零件,且在成形過(guò)程中是兩側(cè)彎曲成形,所以采用中間載體,提高生產(chǎn)效率,保證精度。
載體分段切除的原則:形狀輪廓的分割,應(yīng)有利于簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu),形成的凸模外形簡(jiǎn)單規(guī)則,便于加工,并且要有足夠的強(qiáng)度。同時(shí)應(yīng)保證產(chǎn)品零件的形狀、尺寸、精度和使用原則。
工位數(shù)不是越多越好,工位數(shù)太多,將帶來(lái)一系列問(wèn)題,如不可避免的累積步距誤差、模具面積和質(zhì)量變大、模具材料費(fèi)用加大等。當(dāng)遇到復(fù)雜的制件外形或者孔之間間距太近時(shí),要考慮沖裁凸模、凹模的強(qiáng)度和模具加工等問(wèn)題。
適當(dāng)設(shè)計(jì)空工位,當(dāng)條料送至此工位時(shí),不做任何加工,隨條料送進(jìn)再進(jìn)入下一工位,其目的:①保護(hù)凹模、卸料板、凸模固定板有足夠的強(qiáng)度,確保模具使用壽命;②便于在模具中設(shè)置特殊結(jié)構(gòu);③必要的儲(chǔ)備工位。
通過(guò)UG級(jí)進(jìn)模向?qū)?,?jì)算本排樣設(shè)計(jì)的材料利用率79.22%,符合工藝和成本要求。
本排樣采用橫排(圖7),主要基于條料兩側(cè)需彎曲成形,橫排有利于模具結(jié)構(gòu),降低模具成本。若采用豎排,則與條料的成形角度發(fā)生干涉,影響模具和零件制造。
圖7 排樣示意圖
該級(jí)進(jìn)模沖裁、彎曲精度高。凸模和凹模采用簡(jiǎn)單高效的凸肩固定。第一個(gè)工位的沖裁采用初始擋料銷定位,條料的浮動(dòng)采用浮動(dòng)送料裝置,即采用浮動(dòng)導(dǎo)料桿,沖裁過(guò)程中采用彈性卸料板。模具結(jié)構(gòu)如圖8所示。
通過(guò)合理布置零件的成形工序,并利用仿真進(jìn)行輔助排樣設(shè)計(jì),以此設(shè)計(jì)出可行的模具結(jié)構(gòu)。模具精度高,效率好,可為同類零件模具設(shè)計(jì)提供參考。
圖8 模具裝配圖
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