自動彎曲機模具設計分析

戴宗聲

（柳州凌云汽車零部件有限公司 廣西柳州 545000）

自動彎曲機模具設計分析

戴宗聲

（柳州凌云汽車零部件有限公司 廣西柳州 545000）

本文主要介紹自動彎曲機模具的設計方法和步驟，重點分析按照常規方法設計彎曲模時所存在的問題，并結合實際經驗介紹可操作的設計手段。同時提出彎曲成形動態模擬的思想，建立彎曲成形的數學模型和力學模型，介紹成型模擬的計算方法。

自動彎曲機；彎曲成型；成型模擬

1 引言

自動彎曲機是一種高效先進的沖壓機床，它是利用機床的自動送料機構、沖床部分和彎曲滑塊部分對坯料進行沖孔、切邊、壓印、彎曲、成形的，可將復雜的彎曲成形工序分解成相對簡單的單個工序，最后完成零件加工。

設計彎曲模時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、工件及芯模之間應避免相互干涉。

（2）沖頭的運動加速度盡量小，增加工作平穩性和減少沖擊力。

（3）彎曲受力方向應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光滑的要求。

（6）設計中希望得到凸輪輪廓線上各點的速度、加速度、慣性力、壓力角、曲率半徑等參數值，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為3工位模具，其余為單工序模具。為穩定質量，提高效率，現改用自動彎曲機加工，加工工藝為：下料→成形→鎖邊，相對于原工藝，保留了第一和最后一道工序，中間5道工序在彎曲機上一次完成，達到了穩定質量，提高效率的目的。

圖1 零件及展開圖

3 彎曲機模具設計

3.1 系統總體設計

系統概貌如圖2所示。

圖2 系統樣貌

零件輸入是進行彎曲成形模擬的前提條件。因為受彎零件往往較為復雜，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通用性的參數代碼法處理模塊二，可以適用于普遍情況，使用效果良好。一般而言，零件輸入在整個成形模擬中所占工作比重并不大，但是所有后續工作均要建立在一個準確的零件基型上。

由于在成形模擬過程中工件形狀不斷發生變化，其變化與沖頭、芯模形狀有關，故設計一個通用數據結構極有必要。該數據結構要將沖頭、芯模、工件以統一形式表示，并適應于變動的需要。我們采用了一種環數據結構，該數據結構既有幾何信息、又有拓撲信息，可以隨時反映工件的當前形態。

通過不考慮工件的空行程試車和成形模擬兩個過程，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系到成形的質量，動態模擬可對成形過程的受力情況進行定性分析，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行及便于制造，每一刀具形狀不應太復雜，這也是在各種布局下選擇最后解的一個考慮因素。

3.2 沖裁部分設計

沖裁部分設計應盡可能采用導板模結構。導板模具有制造容易，導向好，動作可靠等優點，在進行設計時需要注意的是：固定凸模與凸模時需要零間隙配合，凸模與導板采用雙面0.01mm間隙配合，根據材料的性質來確定凸模與凹模的配合。如果是切邊，凸模則會受到較大的側向力，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向凸臺，從而使材料前凸模進入到凹模，然后才能進行進行導向。在自動彎曲機上加工零件時，坯料寬度就是零件的寬度。在導板適當的位置增加導料柱安裝孔，通過導料柱控制零件的相對位置。料槽在適當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 彎曲成形設計

確定凸模的具體尺寸和結構，需要根據總體方案制定的要求，來計算每個凸模的形狀尺寸、相互位置以及每個凸模的行程距離和動作時間。在進行參數的設計時可以采用多種技巧，以便更快捷方便完成既定目標。凸模導向部分可以采用鑲拼結構，鑲拼結構具有制造方便，易于改動和調整容易的優點。凸模與導向塊的形狀、尺寸需要進行精密加工，達到活動自如，無手感間隙的目的。

3.4 凸輪設計

凸輪的設計需要根據彎曲成型方案來確定。在設計凸輪時，根據彎曲成形的實際情況，大約需要5～7個凸模來完成。因此，在彎曲機上所布置的滑塊機構空間會變得很緊湊，通常情況下凸輪的外形不可以設計得很大，因為按照常規設計時會產生凸輪外形過大的問題，從而導致無法再彎曲機上安排下。按照實際情況，升程壓力角可以控制在38°以內，而回程壓力角大約在60°以內最好。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機床空間的位置來確定。如果空間許可，應該采用較小的壓力角。

以前的彎曲機滑塊機構采用彈簧回程，因而可靠性不高，尤其是大型彎曲機，其重量大，使得彈簧剛度要求很大。現在的彎曲機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、退動作。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床背面的輔助芯軸和卸料機構，凸輪輪廓曲線一般采用簡諧的運動曲線。

3.5 設計基準

在進行自動彎曲機設計時，基準點可以設在沖床曲柄轉角270°位置，也就是沖床回程的1/2處。這時送料機構正準備送料，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，因此設計時需要以此點為共同基準點。

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對稱運動使工件彎成設計所需要的形狀。

圖3 工件的形狀

圖4 數學模型工件

數學模型工件、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。工件可以看作為開環，在成形過程中，開環的形狀將根據有關兩閉環的相對位置而變化。成形時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到凸圓弧的切線及兩圓之間作公切線。所以彎曲成形的數學關系是兩維圖形中多環間的運算及幾何交切運算。

在進行模具設計的時候通常會碰到這樣一個問題：所有運動必須要有個基準點，針對自動彎曲機，基準點需要設在沖床曲柄轉角270°處位置，也就是沖床回程1/2處。這個時候送料機構恰好開始送料，因此彎曲成形部分和沖床部分模具正處于靜止的狀態，所以在設計時以此點作為共同的基準位置比較方便。

4.2 成型模擬的適用范圍

系統考慮了成形模擬中可能出現的各種情況，實現了多種成形過程。如兩個彎模可以同時參與成形（見圖4（c））；每一沖頭的形狀可由幾個凹面不同的輪廓組成；芯模可以是固定芯模、活動芯模或一個沖頭作為另一沖頭的芯模；工件可以被夾緊在當前芯模上或芯模外；工件固定點位置可有多種，固定點在當前成形段的兩端點之一，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行，速度很快，且受到彎曲機尺寸的限制，在彎曲模設計過程中經常發生沖頭、芯模、滑塊、工件之間相互干涉，用動態模擬可以非常直觀地顯示干涉現象。由于受計算機屏幕尺寸及內存的影響，同時為了更好地處理干涉現象，術系統將干涉檢查分兩步進行：

（1）空行程試車先不考慮工件的因素，只進行沖頭、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、給定運動角下的彎曲成形可能性的檢驗方法。如果出現干涉現象，可以改變如下因素：改變布局或運動角分配。改變布局將影響彎模分布和沖頭、形狀，改變運動角分配將影響沖頭的進給位置和凸輪形狀。進一步地可以再重新進行工步劃分。

用常規的設計方法，往往在加工了彎曲模進行機床調試時才發現干涉，在不斷修改設計及試車中逐步完善設計。

6 結束語

設計彎曲機模具時，首先應對所選用的機床性能和必要的數據了解清楚，避免設計中出現不必要的錯誤。其次要對所加工的零件進行工藝性分析，確定成形步驟，合理安排各個機構應該擔負的任務。如果動作不夠，還應自行設計輔助凸輪和必要的機構，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。模具設計時應留有一定的調整余地，在調試過程中修改各種參數就非常方便。

[1]高建明.自動彎曲機模具設計規律的研究.北京航空航天大學碩士論文.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：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方面工作。