一種開口可調(diào)的無痕V形折彎凹模

林安潔，章盼梅，盧和宇，潘家慶，張森

（廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

隨著現(xiàn)代工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)的折彎模具已經(jīng)無法滿足如今的加工需求。傳統(tǒng)的折彎模具很容易對(duì)工件表面造成損害（如圖1），因?yàn)橹圃斓漠a(chǎn)品與折彎模塊之間為相對(duì)滑動(dòng)摩擦，所以會(huì)使工件與模具接觸的表面產(chǎn)生一條明顯的痕跡。這不僅降低產(chǎn)品的價(jià)值和表面質(zhì)量、損傷產(chǎn)品與模具、降低它們的使用壽命，而且會(huì)影響產(chǎn)品的美觀度。為了消除傳統(tǒng)折彎時(shí)所帶來的痕跡，可從降低摩擦副中的壓力、減少板料與凹模V形槽之間的摩擦因數(shù)及利用支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)這3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)[1-2]，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的無痕折彎。本文將利用以上3個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)模具的無痕折彎，使用滾軸槽結(jié)構(gòu)來改變板料與凹模之間的摩擦因數(shù)。通過對(duì)開口的調(diào)節(jié)[3]方式進(jìn)一步創(chuàng)新，改進(jìn)為利用滾珠絲杠[4]與由單片機(jī)編程控制的電動(dòng)機(jī)導(dǎo)軌相結(jié)合，使折彎無痕并且凹模能夠左右移動(dòng)，調(diào)節(jié)開口的大小，實(shí)現(xiàn)多種類型產(chǎn)品的多種角度的折彎。

圖1 傳統(tǒng)折彎模具的工作原理

1 開口可調(diào)的無痕V形折彎凹模工作原理

凹模的結(jié)構(gòu)包括2塊橫截面呈梯形的V形模塊、固定在兩側(cè)的電動(dòng)機(jī)、連接模塊與電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)軌及長(zhǎng)方體狀工作臺(tái)。V形模塊主要通過限位機(jī)構(gòu)固定在工作臺(tái)上，并且由滾珠絲桿的一端固定，由單片機(jī)編程控制兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)其位置，精準(zhǔn)控制模塊橫向移動(dòng)的距離。模塊上表面內(nèi)側(cè)開有半圓形的滾軸槽，滾軸槽外側(cè)開有壓板槽。滾軸槽和壓板槽內(nèi)分別安裝有圓柱形滾軸和軸端擋板，軸端擋板與滾軸的接觸面是和滾軸相適應(yīng)的弧面。利用支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理：通過模塊上滾軸的滾動(dòng)帶動(dòng)產(chǎn)品的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零件的無痕折彎。改進(jìn)后的開口可調(diào)的無痕折彎模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 開口可調(diào)的無痕折彎模具結(jié)構(gòu)圖

2 凹模主要零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

將傳統(tǒng)V形折彎模具中凹模V形槽兩側(cè)的傾斜面改為滾軸槽結(jié)構(gòu)，并增加軸端擋板對(duì)滾軸進(jìn)行固定。在凸模下壓板料的過程中，借助凸模對(duì)板料施加壓力，使凹模兩側(cè)的滾軸向內(nèi)滾動(dòng)，從而使板料折彎成形。這種工況下板料與模具之間為滾動(dòng)摩擦，折彎工件的板料與凹模沒有產(chǎn)生明顯的局部滑動(dòng)摩擦，而是緊貼著滾軸向凸模的聚攏。這樣消除了工件表面由于受擠壓而產(chǎn)生的痕跡，實(shí)現(xiàn)無痕折彎[5]，提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。

對(duì)于不同型號(hào)工件的不同角度的折彎，將已改為滾軸槽結(jié)構(gòu)的凹模，分為左右均勻的2個(gè)模塊。在此基礎(chǔ)上，增加導(dǎo)軌及由兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的滾珠絲桿。由于左右兩側(cè)的滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)方向不同，所以在兩側(cè)安裝2個(gè)兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。通過單片機(jī)編程控制兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲杠的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。以此控制左右2個(gè)模塊移動(dòng)的距離，提高模具定位的精確性[6]。通過調(diào)節(jié)模塊開口的大小，控制產(chǎn)品所需折彎角度的大小。

運(yùn)用SolidWorks軟件建立改進(jìn)后的開口可調(diào)的無痕折彎模具如圖3所示。

圖3 開口可調(diào)的無痕折彎模具凹模三維圖

2.1 模塊

將傳統(tǒng)無痕折彎模具的凹模部分均分為左右2個(gè)模塊，使得凹模開口可調(diào)成為可能，并且表面內(nèi)側(cè)開有半圓形的滾軸槽。滾軸槽外側(cè)開有壓板槽，滾軸槽和壓板槽內(nèi)分別安裝有圓柱形滾軸和軸端擋板，使得工件與模具的相對(duì)摩擦為滾動(dòng)摩擦。軸端擋板能在一定程度上保持滾軸的正常滾動(dòng)，配合相應(yīng)的擰緊螺釘阻擋軸端擋板向上的力。改進(jìn)后的模塊能最大程度減少產(chǎn)品與模具之間的損傷，保證折彎工件無壓痕。

由于滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)與滾軸槽及板料產(chǎn)生一定的摩擦，因此需要在滾軸與滾軸槽之間添加適量的潤(rùn)滑劑，避免造成滾軸滑痕，并且需要定期進(jìn)行潤(rùn)滑劑的添加。由于折彎模具工作時(shí)一般為中低速，所以本次模型添加的潤(rùn)滑劑為脂潤(rùn)滑。脂潤(rùn)滑密封性能好、密封條件較為簡(jiǎn)單、可使用的時(shí)間較長(zhǎng)、維修方便且油膜的強(qiáng)度較高[7]。在軸端擋板中間增加一個(gè)長(zhǎng)條形的儲(chǔ)存空間，并與滾軸接觸的地方相通，將脂潤(rùn)滑置于其中。當(dāng)滾軸開始滾動(dòng)時(shí)，便帶動(dòng)滾軸上的潤(rùn)滑劑一起運(yùn)動(dòng)，使得滾軸與滾軸槽及板料之間均有潤(rùn)滑劑加以潤(rùn)滑。

為確保滾軸與板料之間能產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，需對(duì)滾軸突出V形模具的距離進(jìn)行測(cè)算。由于常用鈑金材料的厚度一般在0.4 mm以上，其所需受到的滾軸的支撐力不宜過大，否則容易產(chǎn)生印痕。本次模型以一般的鈑金材料厚度為例，為使?jié)L軸的滾動(dòng)效果達(dá)到較佳的狀態(tài)，滾軸突出V形模具的距離為滾軸半徑的1/4～1/3較為合適。

2.2 電動(dòng)機(jī)導(dǎo)軌

在凹模加裝導(dǎo)軌，使凹模可向左右自由移動(dòng)，并在導(dǎo)軌的兩側(cè)分別加上2個(gè)電動(dòng)機(jī)與兩邊的導(dǎo)軌相連。通過運(yùn)用單片機(jī)設(shè)定一定的參數(shù)，控制左右兩邊電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲杠的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。讓模塊可以相對(duì)滑動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)凹模左右移動(dòng)后的精確定位，確保調(diào)節(jié)后開口大小的精確度，從而使產(chǎn)品所需的折彎角度達(dá)到要求。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方法有兩種:1）采用能產(chǎn)生周期性方波的邏輯控制器編程進(jìn)行控制；2）使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。由于第2種電動(dòng)機(jī)控制方式的價(jià)格比較昂貴，所以本次模型電動(dòng)機(jī)的控制方法選擇第1種。

兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理：兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子所構(gòu)成，定子磁級(jí)數(shù)為4時(shí)，1個(gè)相由2個(gè)極組成。當(dāng)施加正向電壓時(shí)，若某一端產(chǎn)生S磁極，則對(duì)面一端會(huì)產(chǎn)生N磁極，并使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定位置停止下來。接著，讓另一對(duì)磁極也產(chǎn)生相同的動(dòng)作使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。然后改變?yōu)槭┘臃聪螂妷?，同理使轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期，重復(fù)不間斷地進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)便可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。若是逆序進(jìn)行上述運(yùn)動(dòng)，便可以使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)。兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生雙極性驅(qū)動(dòng)時(shí)，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子跟隨一起轉(zhuǎn)動(dòng)。由于滾珠絲杠與兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相連，于是便跟隨電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)模塊的左右移動(dòng)[8]。

兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接線方式：本次模型采用的是四線的兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)器按照電動(dòng)機(jī)的標(biāo)稱電流設(shè)定，采用全橋輸出的四線接法。這樣能使得電動(dòng)機(jī)的效率最高，以及輸出的轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到最大值。

2.3 滾珠絲杠

在導(dǎo)軌與模塊的連接中，增加滾珠絲杠。不僅能提高傳動(dòng)效率，還能減少摩擦損害。滾珠絲杠副由絲杠軸、絲杠螺母及它們之間的滾珠共同組成。由于其利用滾珠產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng),需要的啟動(dòng)力矩很小，所以模塊的運(yùn)動(dòng)能得到較高的效率和精度。本文改進(jìn)的模具還與電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，更能保證實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的進(jìn)給量和較合適的軸向剛度。

3 凹模的創(chuàng)新點(diǎn)

對(duì)比傳統(tǒng)的V形折彎模具，本次改進(jìn)的模具，改變了以往模具中凹模的固定模式，對(duì)其進(jìn)行以下創(chuàng)新：1）將凹模的斜面改變?yōu)闈L軸槽結(jié)構(gòu)，使得模具與產(chǎn)品之間的相對(duì)摩擦由滑動(dòng)摩擦改變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，最大程度上減少滑動(dòng)摩擦所帶來的折痕或刮痕，實(shí)現(xiàn)無痕產(chǎn)品的制造；2）將凹模平均分為等同的左右兩部分模塊，斜面并增加導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)其橫向可自由移動(dòng)，調(diào)節(jié)開口的大小，從而控制折彎的角度；3）增加由單片機(jī)編程控制的兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)所連接的滾珠絲桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其凹模移動(dòng)后的精準(zhǔn)定位，這種形式改變了傳統(tǒng)的人工測(cè)量及激光筆等工具測(cè)距，使得模具更加自動(dòng)化和智能化；4）模具的改進(jìn)與創(chuàng)新，不僅擴(kuò)大模具加工工件的范圍，增強(qiáng)其通用性，而且提高生產(chǎn)效率和使用率。

4 模具的使用

將圖3中的凹模固定于工作臺(tái)上，運(yùn)用51單片機(jī)接兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，選定所需折彎角度的相關(guān)參數(shù)設(shè)定。開啟電源接通電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，使2個(gè)模塊分別向左右開始移動(dòng)。當(dāng)達(dá)到參數(shù)設(shè)定的位置時(shí)自動(dòng)停止，并固定于停止的位置。將板料置于凹模上，啟動(dòng)凸模向下移動(dòng)，對(duì)板料施加一定的壓力。板料與凹模上的滾軸發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)，板料向下移動(dòng)，完成所需角度的無痕折彎。

5 結(jié)語

本次改進(jìn)創(chuàng)新的模具從實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和廣泛性3個(gè)角度出發(fā)，將傳統(tǒng)的V形折彎模具改進(jìn)為由兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的開口可調(diào)的無痕折彎模具。不僅能保證產(chǎn)品的外觀和性能的完整，擴(kuò)大加工工件的范圍，還能實(shí)現(xiàn)一個(gè)模具適用于多種產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，提高模具的利用率和生產(chǎn)效率。