關于補償回彈的沖壓件模具設計方法的探討

管幸寰

（上海電子工業學校，上海 201411）

板料沖壓是利用沖模，使板料產生分離或形變的加工方法。因多數情況下板料無需加熱，故稱冷沖壓，又簡稱冷沖或沖壓。在進行板料加工時，材料的延展性、彈性等物理性質往往會帶來影響，使板材在加工過后出現回彈問題，如果這種回彈的幅度較小，肉眼可能無法分辨，但在實際使用過程中，由于工件精度不足，可能影響使用價值。就補償回彈的沖壓件模具設計方法進行探討有一定的實際意義。

1 回彈問題的出現以及影響

1.1 板材的回彈

常規的沖壓過程中，板材會按照模具狀況不斷出現形變，直到滿足實際使用需求。回彈問題在這一過程中是始終存在的，此前技術人員一般通過“試錯法”進行處理，但結果并不理想。由于大部分金屬材料，尤其是合金和其他延展性較好的材料，回彈問題往往十分嚴重，在力的相互作用下，瞬時回彈以及加工后一小段時間內出現的回彈現象屢見不鮮，比如汽車使用的鋁材，部分構件的回彈率甚至超過0.5%，對實際性能產生了很多不利影響。

1.2 回彈的影響

回彈的影響包括直接影響和衍生影響兩個方面，以數控機床所用工件為例，在沖壓制造完成后，存在回彈問題的工件被應用于數控機床，會造成精度、剛性的下降，并進一步影響機床的電動穩定性。數控機床對加工精度的要求非常高，精度則取決于剛性，剛性是指在固定工作負載條件下機床的加工結構出現的形變量，形變量越大、精度越低。應用存在回彈問題的工件，機床的精度受到直接影響，在實際工作中，還可能產生嚙合不嚴等問題，進一步降低剛性，而電動機工作帶來的小幅位移則會加劇回彈工件的破壞作用，使機床的加工成果無法得到保證。

2 補償回彈的沖壓件模具設計方法

2.1 設計思路

回彈問題雖然廣泛存在于各類板料的加工作業中，但帶有一定的規律性，如進行一次沖壓的板材可能存在較為嚴重的回彈問題，而反復沖壓后，每一次回彈都能得到控制，總的回彈量也因此較低。針對補償回彈的沖壓件模具設計也以此為切入點，分析可行思路。模具設計的核心理念為往復式加工，可以在現有技術條件下實現，其工作的基本流程是，了解加工物的特點，建立流水線，取固定模型，對于存在回彈可能的位置，給予多次沖壓，并在反復加工的過程中逐步降低沖壓力度，實現對其外形的有效控制，避免回彈問題。從初定的模具型面的結點位移反向減去模擬計算的回彈量，得到用于補償回彈所需的加工要求。金屬板料首先用試探模具成形，計算成形回彈后的工件形狀。該數值在不同的工件加工作業中也存在差異，需要根據實際情況確定往復次數和力負載水平。將回彈后的工件形狀與目標工件比較，如果存在的形狀誤差超出容許值，就從模具形狀中減去形狀誤差，得到新的加工要求，作為確定往復加工所需負載的基礎。在往復加工中，金屬板料將用這一新的試探模具型面成形。如果成形工件的形狀與目標工件誤差仍超出容許值，將再次從試探模具型面反向減去形狀誤差，得到更新的加工要求，作為確定下一次往復加工所需力負載的基礎，直到成形的工件形狀滿足要求，往復加工可進行5次或更多。

2.2 有限元模型分析

有限元模型以數據為基礎建立，收集不同工件的基本使用要求和加工存在的問題、加工流程，建立涵蓋上述內容的電子模型。如工件為齒輪，其使用的核心要求是良好的嚙合度，本質則是嚴格的精度控制。加工存在的問題也主要在機床的精度上，加工流程則相對固定，對金屬板材進行沖壓、粗加工，再進行打磨作業。建立模型時，以上述三項內容為基礎，將工件的各個部分以微米為單位劃分為若干部分，對存在較嚴重回彈問題的結構需要進行精劃分。沖壓加工是一種典型的物理加工方法，應用外力破壞板材固有的物理特征，并通過模具對其進行規范，在這一過程中，板材首先受力，之后出現形變，并在整個過程中不斷回彈。各國工業生產都面臨回彈問題，德國、日本等機械制造強國對回彈的控制最為成功，日本對各行業所用工件都給出十分嚴格的標準，而德國所用的加工材料性能突出、加工設備的剛性和精度也極為優越，因此能夠有效控制回彈問題。在板材受力的一瞬間，作用力和反作用力雖然在數值上基本是均等的，但會造成構件的形變，作用力消失后，反作用力也消失，被導入板材中的力因此失去制約，會沿著力消失的方向快速擴散，擴散的力受到板料物理性質影響，在擴散過程中不斷損耗，如果在工件邊緣已經嚴重損耗，回彈也會相對輕微，反之則較為嚴重。

2.3 模具設計

模具的設計理念是往復式加工，其控制則依賴于自動化技術，模具加工系統結構上包括控制端、執行端兩大部分，應用集成技術和通信技術實現實際作業。在往復加工的過程中，沖壓的負載是不同的，取往復5次加工模式，則負載變化的基本規律為：100%、90%、80%、70%、60%。實際工作中可視工件精度要求調整負載水平，基本規律是逐步降低。控制端主要由計算機構成，在對工件進行加工前，要通過反復收集數據了解精度要求，設定默認程序控制加工過程，控制端與執行端連為一體，依靠通信技術進行指令的下達，并將指令集和各類軟件、輸入、輸出系統、可視化結構集成到一塊芯片中，控制全過程。沖壓件模具實際工作的流程是：設定程序、粗加工、精加工、完成。人員下達的指令通過輸入模塊和通信技術傳輸至控制段，并實現記憶，之后模具對板料進行沖壓加工，分割為規格要求下的小模塊，再利用往復加工法進行精加工，最終完成沖壓作業，實現工件的精度加工。

3 實驗分析

3.1 實驗過程

為檢驗往復式加工法的可行性，利用虛擬現實技術建立了實驗。實驗共進行4次，包括常規加工實驗2次以及往復式沖壓件模具加工實驗4次，比對兩組實驗后的回彈量，并模擬使用，了解兩類工件的使用價值。實驗過程中，人工模擬了工作環境和往復式加工的作用力、反作用力。所選的工作模型如圖1所示。該工件的加工重點為AGFE范圍內的部分，要求將其突出工件表面0.5cm。

3.2 實驗結果與分析

圖1 所選工件模型

常規加工共進行四次，第一次加工所獲工件，AGFE部分突出工件表面0.5cm，但DB一側存在明顯的回彈問題，回彈量達到0.6%，無法滿足使用。第二次加工所獲工件回彈問題同樣在DB一側，回彈量超過1%，造成AGFE部分突出范圍大于0.6cm，也難以滿足使用要求。應用往復式沖壓件模具進行加工，第一次加工完成后，AGFE部分突出工件表面0.5cm，工件回彈量為0.03%，滿足使用需求，第二次加工完成后，AGFE部分突出工件表面0.5cm，工件回彈量為0.02%，滿足使用需求。實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據

在隨后進行的使用模擬中，以數控機床為模擬對象，為快速了解成果，人員加快了模擬速度，取100倍數值快速進行試驗。1、2號工件在作業中存在嚴重的不穩定問題，使加工作業誤差增加。3、4號工件工作性能較為良好，也能應對電動穩定性問題。

4 結語

通過分析補償回彈的沖壓件模具設計，了解了相關理論內容。回彈是板料沖壓中的主要缺陷之一，在工件制造等領域，回彈會帶來很多不利影響，比如降低工件精度、影響電動穩定性、降低剛性等。通過建立有限元模型，可以分析得到金屬板料受力、形變、回彈等情況，再根據具體情況設計往復式沖壓件模具。應用虛擬現實技術對設計構想進行模擬，結果證明了設計方法的可行性。深入了解上述理論，有利于在后續工作中控制回彈問題。

[1]李貴.面向產品設計的回彈模擬與幾何補償方法研究[D].華中科技大學,2014.

[2]解利娜.車身覆蓋件的回彈補償與模具型面設計方法的研究[D].沈陽工業大學,2014.