大型鋁合金錐形殼體壓圓工藝及模具設(shè)計(jì)

任樹林，郝飛斐，馬星明，許 揚(yáng)

（1.山西利民工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 太谷 030812；2.陸軍裝備部駐太原地區(qū)第四軍代室，山西 太原 030027）

0 引言

公司試制的一種鋁合金錐形殼體，如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品圖

經(jīng)過對零件技術(shù)要求的分析，制訂了試制工藝為：下料→成型→焊接→校形→機(jī)加。

殼體在制造過程中，成型是十分重要的工序。零件在成形后的圓度、開縫的大小、錯(cuò)邊量，直接影響后續(xù)焊接質(zhì)量、校形工序的尺寸精度及最終的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 成型工藝方案的分析

此鋁合金殼體尺寸較大、錐度較大，成型后要求的尺寸精度和表面質(zhì)量都很高。通用的成型工藝方式：卷板機(jī)滾圓，壓力機(jī)上用鋼模壓彎及折彎機(jī)壓彎各有優(yōu)缺點(diǎn)。卷板機(jī)滾圓有直邊，并且成型尺寸精度較差，容易造成板料表面特別是軟質(zhì)金屬表面的劃傷。折彎機(jī)壓彎，由于零件的大錐度，工藝難度較大，并且每段的圓弧銜接會有接刀痕。壓力機(jī)上用鋼模壓彎，調(diào)試中需要反復(fù)對凸、凹模的曲率半徑進(jìn)行修整，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。

聚氨酯橡膠由于其高強(qiáng)度、抗撕裂性、耐油耐磨耐老化和良好的機(jī)械加工性能等一系列特性，目前廣泛應(yīng)用于沖壓、成型模具。聚氨酯橡膠用于彎曲模有以下特點(diǎn)：①在成型過程中，橡膠墊將板料均勻包覆到凸模上，有效克服了直邊現(xiàn)象；②橡膠模墊在壓彎中，施加給板料是分布載荷，從而增加了板料的受力，而起到校形作用，所以能有效克服板料的回彈，而提高了零件的成形精度；③零件成形過程中與橡膠墊接觸，因此不會損傷表面；④模具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，制造成本低，適用于小批量生產(chǎn)。

結(jié)合以上特點(diǎn)，鋁合金殼體確定采用聚氨酯橡膠壓彎模成形。由于壓彎模具需分段多道次成形，所以采用等分壓彎成型工藝：下扇形料→畫等分標(biāo)識線→左側(cè)等分壓彎→右側(cè)等分壓彎→合圓。

2 聚氨酯橡膠壓彎模設(shè)計(jì)

2.1 材料性能試驗(yàn)

對材料5A06 O 狀態(tài)5mm 鋁合金板料進(jìn)行性能測試，結(jié)果如表1 所示。

隨著對行業(yè)的逐漸了解，何正偉開始在田間做起了示范田。雖然撒可富在四川已經(jīng)有了一定的渠道基礎(chǔ)，但由于近年來農(nóng)作物價(jià)格很不理想，農(nóng)戶們對于肥料價(jià)格十分敏感，對于走高端路線的撒可富來說，并不占優(yōu)勢。在何正偉看來，撒可富過硬的質(zhì)量是打開局面的突破口。利用撒可富肥效長、同等用量肥效更強(qiáng)的特點(diǎn)，何正偉與中阿公司商議在柑橘種植區(qū)推出40公斤小包裝產(chǎn)品，經(jīng)過試驗(yàn)，不僅能保證肥效，甚至優(yōu)于同類50公斤產(chǎn)品。真正幫助農(nóng)戶減肥增效，增產(chǎn)增收。

表1 5A06 O 鋁合金板機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 凸模壓入橡膠墊的深度與板料成形曲率半徑的關(guān)系工藝試驗(yàn)

材料：產(chǎn)品用5A06 O 5mm 鋁合金板，寬200mm，長650mm；工藝試驗(yàn)凸模h：100mm；橡膠墊：聚氨酯橡膠HSA80,厚度100mm，寬200mm。工藝設(shè)備：在100t 液壓機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。

由表2 數(shù)據(jù)看出，凸模下壓量h 大于10mm 以后，板料成形后曲率半徑R 隨下壓量增加量變化趨勢平緩，可以認(rèn)為R 大于一定值后，成型曲率半徑R基本不變。

2.3 聚氨酯橡膠壓彎模具

壓彎模具如圖2 所示。

圖2 壓彎模具示意圖

2.3.1 凸模圓弧半徑的確定

板料在彎曲變形卸載后，由于板料的彈性部分變形按照卸載規(guī)律產(chǎn)生彈性回復(fù)，使最終得到的彎曲角、半徑均發(fā)生變化，r/t>10 時(shí)，彎曲回彈值很大，彎曲半徑變化很大，需要進(jìn)行計(jì)算。凸模圓弧半徑

式中：r 為考慮回彈后凸模的圓弧半徑，mm；r0為產(chǎn)品要求的圓弧半徑，mm；σs為板料的屈服強(qiáng)度，MPa；E 為板料的彈性模量，MPa；t 為板料厚度，mm。

由于模具結(jié)構(gòu)的需要，上模座立板有一定的厚度b，要使壓彎成形后的零件能順利退出，因此零件成型后的開縫應(yīng)大于等于立板厚度，而工藝要求零件成型后開縫越小越好，所以選開縫量b。

則壓彎成形后零件曲率半徑

2.3.2 聚氨酯橡膠模墊、容框

選擇平板式模墊，半封閉式容框。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求及模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橡膠模墊用流動性較好的邵氏硬度HSA80 澆注型聚氨酯橡膠，參考表2 聚氨酯橡膠下壓量與成形件曲率半徑R 關(guān)系的工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果，壓縮率

表2 凸模下壓量h 與板料成形曲率半徑R 工藝關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果

式中：h 為橡膠壓下量，mm；H 為橡膠墊自由厚度，mm。

壓彎成形中，凸模下壓要有一定余量，壓下量取15mm，壓縮應(yīng)變相應(yīng)取15%，由（4）式得橡膠墊厚度H=100mm。

凸模壓彎零件曲面壓入橡膠墊部分如圖3 所示。圖中a1、a2分別為凸模小端、大端將零件壓入橡膠墊圓弧曲面對應(yīng)的半角；r1、r2是半徑，b1、b2是寬度，按下壓量h=15mm，計(jì)算出凸模壓彎零件板料，壓入橡膠墊的寬度分別為小端b1=151mm，b2=166mm，因此以大端b2加一定余量，橡膠墊寬度選260mm，長度1500mm。

圖3 凸模壓彎零件曲面壓入橡膠墊部分示圖

容框?yàn)榘敕忾]式，內(nèi)腔與橡膠墊寬度留2mm 間隙，上端兩側(cè)為開口式。

2.3.3 壓彎成形力計(jì)算

分析得到，零件壓彎成形力F 由零件自由彎曲力F1和橡膠墊壓縮變形抗力F2組成

板料自由彎曲力[1]

式中：B 為彎曲件的寬度，mm；t 為彎曲件的厚度，mm；σb 為材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；r0為彎曲件的內(nèi)彎曲半徑，mm；K 為安全系數(shù)，一般取1.3。

根據(jù)式（5），分別以錐形殼體小端r01、大端r02，計(jì)算F1，并取平均值得：F1=25.9kN。

聚氨酯橡膠墊壓縮變形抗力

式中：P 為橡膠壓縮變形應(yīng)變的單位壓力，MPa；A為橡膠壓縮變形承壓面積。

當(dāng)下壓量h 取15mm 時(shí)，橡膠墊壓縮應(yīng)變?yōu)?5%，由于成形凸模為規(guī)則對稱圓錐體的一部分，因此，平均壓縮應(yīng)變?nèi)?.5%，參照《沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)》[2]書中，國產(chǎn)聚氨酯橡膠的壓縮性能曲線，邵氏硬度80A 聚氨酯橡膠在壓縮應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)，對應(yīng)的單位壓力約為8.5MPa。

A 認(rèn)為是凸模壓彎成形零件壓入橡膠墊曲面在水平面上的投影面積。

將式（7）代入式（6）得

代入數(shù)值，計(jì)算得F2=1814.8kN。將F1、F2數(shù)值代入式（4）得，壓彎成形力為1840.7kN。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，結(jié)合模具的相關(guān)尺寸，選公司現(xiàn)有的6300kN 四柱萬能液壓機(jī)。

3 錐形殼體壓彎成形等分道次的計(jì)算

由圖3 可得

式中：n 為壓彎等分道次；α 為凸模將零件壓入橡膠墊曲面圓弧對應(yīng)的半角。

經(jīng)計(jì)算，分別得出錐形殼體小端n1，大端n2，因n2>n1，所以取大端道次數(shù)n2。而壓型要過渡銜接，因此，每道次壓彎成形加20%重疊，所以經(jīng)計(jì)算將展開扇形板料的大小端沿圓弧分別做16 個(gè)等分線。

經(jīng)過調(diào)試并適當(dāng)修整凸模曲率半徑，試制出的零件成形圓弧曲率規(guī)則、開縫均勻、尺寸精度高，表面光滑、無壓痕、劃傷，滿足工藝要求和產(chǎn)品技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

等分軟模壓彎工藝和聚氨酯橡膠壓彎模的應(yīng)用，為大尺寸高精度鋁合金錐形殼體及類似產(chǎn)品的壓彎成形探索了一條新途徑。