自動(dòng)彎曲機(jī)模具設(shè)計(jì)分析

戴宗聲

（柳州凌云汽車零部件有限公司 廣西柳州 545000）

自動(dòng)彎曲機(jī)模具設(shè)計(jì)分析

戴宗聲

（柳州凌云汽車零部件有限公司 廣西柳州 545000）

本文主要介紹自動(dòng)彎曲機(jī)模具的設(shè)計(jì)方法和步驟，重點(diǎn)分析按照常規(guī)方法設(shè)計(jì)彎曲模時(shí)所存在的問題，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)介紹可操作的設(shè)計(jì)手段。同時(shí)提出彎曲成形動(dòng)態(tài)模擬的思想，建立彎曲成形的數(shù)學(xué)模型和力學(xué)模型，介紹成型模擬的計(jì)算方法。

自動(dòng)彎曲機(jī)；彎曲成型；成型模擬

1 引言

自動(dòng)彎曲機(jī)是一種高效先進(jìn)的沖壓機(jī)床，它是利用機(jī)床的自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、沖床部分和彎曲滑塊部分對(duì)坯料進(jìn)行沖孔、切邊、壓印、彎曲、成形的，可將復(fù)雜的彎曲成形工序分解成相對(duì)簡單的單個(gè)工序，最后完成零件加工。

設(shè)計(jì)彎曲模時(shí)必須解決如下主要問題：

（1）由于多工位彎曲成形（可以是六工位），在成形過程中各沖頭、工件及芯模之間應(yīng)避免相互干涉。

（2）沖頭的運(yùn)動(dòng)加速度盡量小，增加工作平穩(wěn)性和減少?zèng)_擊力。

（3）彎曲受力方向應(yīng)有利于工件彎曲成形。

（4）在空間各彎模布置合理，使芯模上所受合力盡量小，以減少芯模變形。

（5）由于受機(jī)床尺寸限制，凸輪的基圓較小，在此前提下仍要滿足許用壓力角及凸輪輪廓線連續(xù)光滑的要求。

（6）設(shè)計(jì)中希望得到凸輪輪廓線上各點(diǎn)的速度、加速度、慣性力、壓力角、曲率半徑等參數(shù)值，用以作定性分析。

2 成形工藝分析

圖1所示零件原加工工藝為：下料→落料→沖孔→小端彎曲→主體彎曲→成形→鎖邊，其中成形和鎖邊工序?yàn)?工位模具，其余為單工序模具。為穩(wěn)定質(zhì)量，提高效率，現(xiàn)改用自動(dòng)彎曲機(jī)加工，加工工藝為：下料→成形→鎖邊，相對(duì)于原工藝，保留了第一和最后一道工序，中間5道工序在彎曲機(jī)上一次完成，達(dá)到了穩(wěn)定質(zhì)量，提高效率的目的。

圖1 零件及展開圖

3 彎曲機(jī)模具設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)概貌如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)樣貌

零件輸入是進(jìn)行彎曲成形模擬的前提條件。因?yàn)槭軓澚慵^為復(fù)雜，有較多的圓弧連接，具有一定的特殊性，為此我們專門研制了一個(gè)通用性的參數(shù)代碼法處理模塊二，可以適用于普遍情況，使用效果良好。一般而言，零件輸入在整個(gè)成形模擬中所占工作比重并不大，但是所有后續(xù)工作均要建立在一個(gè)準(zhǔn)確的零件基型上。

由于在成形模擬過程中工件形狀不斷發(fā)生變化，其變化與沖頭、芯模形狀有關(guān)，故設(shè)計(jì)一個(gè)通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)極有必要。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要將沖頭、芯模、工件以統(tǒng)一形式表示，并適應(yīng)于變動(dòng)的需要。我們采用了一種環(huán)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既有幾何信息、又有拓?fù)湫畔ⅲ梢噪S時(shí)反映工件的當(dāng)前形態(tài)。

通過不考慮工件的空行程試車和成形模擬兩個(gè)過程，以工件、沖頭、芯模互不干涉為條件，我們可以找到某一布局下的一組解。

受力方向的合理性直接關(guān)系到成形的質(zhì)量，動(dòng)態(tài)模擬可對(duì)成形過程的受力情況進(jìn)行定性分析，通過改變彎模的布局可以改善受力條件。

為保證彎曲過程順利進(jìn)行及便于制造，每一刀具形狀不應(yīng)太復(fù)雜，這也是在各種布局下選擇最后解的一個(gè)考慮因素。

3.2 沖裁部分設(shè)計(jì)

沖裁部分設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能采用導(dǎo)板模結(jié)構(gòu)。導(dǎo)板模具有制造容易，導(dǎo)向好，動(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的是：固定凸模與凸模時(shí)需要零間隙配合，凸模與導(dǎo)板采用雙面0.01mm間隙配合，根據(jù)材料的性質(zhì)來確定凸模與凹模的配合。如果是切邊，凸模則會(huì)受到較大的側(cè)向力，因此需要在主沖裁面的反向取0.005mm間隙，還需要在凸模頭部修磨出導(dǎo)向凸臺(tái)，從而使材料前凸模進(jìn)入到凹模，然后才能進(jìn)行進(jìn)行導(dǎo)向。在自動(dòng)彎曲機(jī)上加工零件時(shí)，坯料寬度就是零件的寬度。在導(dǎo)板適當(dāng)?shù)奈恢迷黾訉?dǎo)料柱安裝孔，通過導(dǎo)料柱控制零件的相對(duì)位置。料槽在適當(dāng)情況下能夠加工得寬些，這樣能夠減少因坯料直線度的問題而造成的送料不暢。

3.3 彎曲成形設(shè)計(jì)

確定凸模的具體尺寸和結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)總體方案制定的要求，來計(jì)算每個(gè)凸模的形狀尺寸、相互位置以及每個(gè)凸模的行程距離和動(dòng)作時(shí)間。在進(jìn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)可以采用多種技巧，以便更快捷方便完成既定目標(biāo)。凸模導(dǎo)向部分可以采用鑲拼結(jié)構(gòu)，鑲拼結(jié)構(gòu)具有制造方便，易于改動(dòng)和調(diào)整容易的優(yōu)點(diǎn)。凸模與導(dǎo)向塊的形狀、尺寸需要進(jìn)行精密加工，達(dá)到活動(dòng)自如，無手感間隙的目的。

3.4 凸輪設(shè)計(jì)

凸輪的設(shè)計(jì)需要根據(jù)彎曲成型方案來確定。在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，根據(jù)彎曲成形的實(shí)際情況，大約需要5～7個(gè)凸模來完成。因此，在彎曲機(jī)上所布置的滑塊機(jī)構(gòu)空間會(huì)變得很緊湊，通常情況下凸輪的外形不可以設(shè)計(jì)得很大，因?yàn)榘凑粘Ｒ?guī)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生凸輪外形過大的問題，從而導(dǎo)致無法再彎曲機(jī)上安排下。按照實(shí)際情況，升程壓力角可以控制在38°以內(nèi)，而回程壓力角大約在60°以內(nèi)最好。這樣借可以減小凸輪的外形尺寸，但是具體情況扔需要根據(jù)機(jī)床空間的位置來確定。如果空間許可，應(yīng)該采用較小的壓力角。

以前的彎曲機(jī)滑塊機(jī)構(gòu)采用彈簧回程，因而可靠性不高，尤其是大型彎曲機(jī)，其重量大，使得彈簧剛度要求很大?，F(xiàn)在的彎曲機(jī)基本上都采用共軛凸輪來完成行程，通常共軛凸輪是由2片凸輪共軸所組成的，分別控制滑塊的進(jìn)、退動(dòng)作。2片凸輪的基圓半徑是相同的，其采用相同的行程和相位，方向卻是相反的，但凸輪輪廓曲線是相同的。用溝槽凸輪來控制機(jī)床背面的輔助芯軸和卸料機(jī)構(gòu)，凸輪輪廓曲線一般采用簡諧的運(yùn)動(dòng)曲線。

3.5 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

在進(jìn)行自動(dòng)彎曲機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)可以設(shè)在沖床曲柄轉(zhuǎn)角270°位置，也就是沖床回程的1/2處。這時(shí)送料機(jī)構(gòu)正準(zhǔn)備送料，而沖床部分模具以及彎曲成形部分凸模則處于靜止的狀態(tài)，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要以此點(diǎn)為共同基準(zhǔn)點(diǎn)。

4 彎曲成形模擬

4.1 成形模擬的模型

圖3表示了工件的形狀。圖4（a）表示了四工位彎模（其中一把為割刀）及兩個(gè)固定芯模的布局，圖4（b）表示了沖頭1壓緊工件并暫停，割刀切斷工件并開始返回，沖頭1使工件兩面彎折，圖4（c）表示沖頭2和3對(duì)稱運(yùn)動(dòng)使工件彎成設(shè)計(jì)所需要的形狀。

圖3 工件的形狀

圖4 數(shù)學(xué)模型工件

數(shù)學(xué)模型工件、沖頭和芯模的縱向剖面是兩維圖形。沖頭、芯模是形狀不同的封閉環(huán)。工件可以看作為開環(huán)，在成形過程中，開環(huán)的形狀將根據(jù)有關(guān)兩閉環(huán)的相對(duì)位置而變化。成形時(shí)沖頭和芯模的凸包起推壓作用，工件不斷變形彎繞在沖頭和芯模的凸包上。在工件彎繞過程中要不斷求作端點(diǎn)到凸圓弧的切線及兩圓之間作公切線。所以彎曲成形的數(shù)學(xué)關(guān)系是兩維圖形中多環(huán)間的運(yùn)算及幾何交切運(yùn)算。

在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的時(shí)候通常會(huì)碰到這樣一個(gè)問題：所有運(yùn)動(dòng)必須要有個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，針對(duì)自動(dòng)彎曲機(jī)，基準(zhǔn)點(diǎn)需要設(shè)在沖床曲柄轉(zhuǎn)角270°處位置，也就是沖床回程1/2處。這個(gè)時(shí)候送料機(jī)構(gòu)恰好開始送料，因此彎曲成形部分和沖床部分模具正處于靜止的狀態(tài)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)以此點(diǎn)作為共同的基準(zhǔn)位置比較方便。

4.2 成型模擬的適用范圍

系統(tǒng)考慮了成形模擬中可能出現(xiàn)的各種情況，實(shí)現(xiàn)了多種成形過程。如兩個(gè)彎?？梢酝瑫r(shí)參與成形（見圖4（c））；每一沖頭的形狀可由幾個(gè)凹面不同的輪廓組成；芯模可以是固定芯模、活動(dòng)芯?；蛞粋€(gè)沖頭作為另一沖頭的芯模；工件可以被夾緊在當(dāng)前芯模上或芯模外；工件固定點(diǎn)位置可有多種，固定點(diǎn)在當(dāng)前成形段的兩端點(diǎn)之一，在成形段中間或與成形段分離：彎曲受力面可以是凸包或凹面。

5 干涉檢查

由于彎曲成形是多工位進(jìn)行，速度很快，且受到彎曲機(jī)尺寸的限制，在彎曲模設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常發(fā)生沖頭、芯模、滑塊、工件之間相互干涉，用動(dòng)態(tài)模擬可以非常直觀地顯示干涉現(xiàn)象。由于受計(jì)算機(jī)屏幕尺寸及內(nèi)存的影響，同時(shí)為了更好地處理干涉現(xiàn)象，術(shù)系統(tǒng)將干涉檢查分兩步進(jìn)行：

（1）空行程試車先不考慮工件的因素，只進(jìn)行沖頭、芯模、滑塊之間的干涉檢查。

（2）成形模擬在工件成形過程中，檢查沖頭、芯模、工件之間的干涉檢查。

可以看到，所謂干涉檢查即是在某一布局、給定運(yùn)動(dòng)角下的彎曲成形可能性的檢驗(yàn)方法。如果出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，可以改變?nèi)缦乱蛩兀焊淖儾季只蜻\(yùn)動(dòng)角分配。改變布局將影響彎模分布和沖頭、形狀，改變運(yùn)動(dòng)角分配將影響沖頭的進(jìn)給位置和凸輪形狀。進(jìn)一步地可以再重新進(jìn)行工步劃分。

用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，往往在加工了彎曲模進(jìn)行機(jī)床調(diào)試時(shí)才發(fā)現(xiàn)干涉，在不斷修改設(shè)計(jì)及試車中逐步完善設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)彎曲機(jī)模具時(shí)，首先應(yīng)對(duì)所選用的機(jī)床性能和必要的數(shù)據(jù)了解清楚，避免設(shè)計(jì)中出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。其次要對(duì)所加工的零件進(jìn)行工藝性分析，確定成形步驟，合理安排各個(gè)機(jī)構(gòu)應(yīng)該擔(dān)負(fù)的任務(wù)。如果動(dòng)作不夠，還應(yīng)自行設(shè)計(jì)輔助凸輪和必要的機(jī)構(gòu)，以滿足成形過程中的工藝要求。排好凸輪工作程序圖，檢查工作過程是否合理也是非常重要的一環(huán)。模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有一定的調(diào)整余地，在調(diào)試過程中修改各種參數(shù)就非常方便。

[1]高建明.自動(dòng)彎曲機(jī)模具設(shè)計(jì)規(guī)律的研究.北京航空航天大學(xué)碩士論文.1987.

[2]吳中奇，陸國棟.彎曲模CAD前置處理一圖形輸入.機(jī)電工程，1991：（1）：5～8.

[3]WuhZongqi，LuGuodong，ChenXiangpin，TangJianrong.An Advaneed Produet Layobt Mod-elling System-PLAGE.1991CADDM’91國際會(huì)：401～408.

TG385

A

1004-7344（2016）32-0239-02

2016-10-16

戴宗聲（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事汽配工藝技術(shù)方面工作。