圓棒回彈分析與模具的設(shè)計(jì)

柏廣梟，杜祥哲，尹東海，孫克華

（1.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

圓棒的彎曲加工，是模具對(duì)其進(jìn)行沖壓變形，獲得具有相應(yīng)彎曲半徑與角度的加工工藝，在常規(guī)的生產(chǎn)中，由于一次沖壓工藝不能夠得到預(yù)期尺寸，需要后期進(jìn)行修正，耗費(fèi)大量人力，效率低下。

在加工過程中，回彈的現(xiàn)象導(dǎo)致彎曲棒缺陷產(chǎn)生（包括不對(duì)稱、中心距過大等），由于回彈引起的尺寸變化導(dǎo)致工件的精度受到很大的影響，也是后期工序需要解決的主要問題，因此需要對(duì)工件進(jìn)行前期理論分析，以期對(duì)模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行修整，保證沖壓過程的一次成型。

本文對(duì)一種材料為黃銅的圓棒工藝進(jìn)行分析，通過設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)軸式模具對(duì)其進(jìn)行加工，可以為類似的產(chǎn)品加工提供一種方法。

1 彎曲棒回彈分析

本文所加工的圓棒為采集板扣，如圖1所示，彎曲前形狀，其中間直徑為2.5 mm，兩端直徑為1.3 mm，彎曲后中心距為18±0.2 mm，彎曲半徑為R9 mm，但主要要求為彎曲后兩端面為平行狀態(tài)。

圖1 彎曲板扣

圓棒在沖壓過后，彈性能釋放造成回彈的發(fā)生，在本文中，回彈的發(fā)生是零件成型的主要缺陷，主要為彎曲半徑變大，角度變小，導(dǎo)致圓棒兩端面的不平行。為了更好地對(duì)圓棒進(jìn)行分析，現(xiàn)對(duì)圓棒沖壓進(jìn)行理想化的分析：（1）在沖壓過程中，圓棒彎曲時(shí)任意位置上的橫截面一直保持平面；（2）圓棒變形區(qū)域橫截面的形狀和尺寸不發(fā)生變化；（3）彎曲變形時(shí)受壓受拉時(shí)應(yīng)力應(yīng)變相同[1]。

1.1 彎曲棒受力分析

在圓棒受力彎曲時(shí)，在外部層為拉應(yīng)力、應(yīng)變，相反在內(nèi)部層為壓應(yīng)力、應(yīng)變，而在圓棒的中心層面上，沒有應(yīng)力變化，橫向變形為0，因?yàn)椴皇芗s束。

在變形過程中，金屬內(nèi)部材料相互擠壓，使變形區(qū)產(chǎn)生徑向的壓應(yīng)力，內(nèi)層為壓縮性變形而外層為拉伸性變形。其應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)

1.2 圓棒的剛度分析

材料剛性是抵抗彈性變形的性能指標(biāo)，一般采用彈性模量表示，剛度則是結(jié)構(gòu)件抵抗彈性變形的指標(biāo)，分為截面與構(gòu)件剛度，受到壓力與拉力時(shí)的剛度是彈性模量與橫截面積之積，彎曲時(shí)的截面剛度是彈性模量與中性軸的慣性矩之積，圓棒彎曲幾何關(guān)系如圖3所示。

圓棒外部受到拉力，內(nèi)部受到壓力，中性層既不受壓也不受拉，現(xiàn)以橫截面的中性層設(shè)為z軸，y軸為垂直中性軸的對(duì)稱軸，通過橫截面的法線則稱之為x軸。

圖3 圓棒彎曲幾何關(guān)系

1.3 回彈變量

回彈前后回彈角有著相應(yīng)的變化，如圖4所示，由于卸載前后彎曲件應(yīng)變過程中，中性層長(zhǎng)度不變（以回彈最大的點(diǎn)為基準(zhǔn)），推出：

推出：

式中：r為回彈前的圓角半徑；r′為回彈后的圓角半徑；σSP為彎曲材料的屈服極限；t為彎曲件的厚度；E為彎曲材料的彈性模數(shù)。

圖4 彎曲變形的回彈角

2 彎曲模的設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 上下模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1成型零件特性，按照產(chǎn)品要求，進(jìn)行相應(yīng)的定制型設(shè)計(jì)，根據(jù)前文計(jì)算得出圓棒彎曲最大回彈角約18°，彎曲值回彈后半徑約為9.04 mm，因此設(shè)計(jì)凸模時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行負(fù)角補(bǔ)償設(shè)計(jì)，把試模修整考慮在內(nèi)，a取95°，凸模R取7.2 mm.膽形上模結(jié)構(gòu)如圖5所示。

下模為轉(zhuǎn)軸式對(duì)稱性的分體式結(jié)構(gòu)，以轉(zhuǎn)軸進(jìn)行固定，定位銷對(duì)樣件固定，還對(duì)總長(zhǎng)進(jìn)行限制。成形部位為銑圓弧槽成型[2]，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)

圓棒的加工過程：上模向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行沖壓零件，當(dāng)圓棒U型最低點(diǎn)接觸到凹模繼續(xù)下行，直至來自彈頂器的力不能抵住來自于圓棒傳遞力，此時(shí)凹模沿轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)圓棒貼住上模。行程到達(dá)死點(diǎn)，零件加工成型。凹模進(jìn)行復(fù)位同時(shí)上模向上運(yùn)動(dòng)，圓棒留在下模內(nèi)，取出零件完成加工。

2.2 仿真分析

為了選擇合適的沖壓力需要對(duì)彎曲力進(jìn)行計(jì)算，影響彎曲力的因素有很多，彎曲力與材料的寬度成正比，與厚度平方成反比，增大凹模圓角半徑及增大凹模開距能減少彎曲力。U形彎曲件自由彎曲力為[3]：

式中：Pt為材料在沖壓行程結(jié)束時(shí)，不受校正的彎曲力（N）；B為彎曲件的寬度（mm）；t為彎曲件的材料厚度（mm）；R 為彎曲件內(nèi)半徑（mm）；σb為彎曲件材料抗拉強(qiáng)度為385（N/mm2）；K為安全系數(shù)，取1.3.

利用ansys軟件對(duì)彎曲件進(jìn)行力學(xué)仿真，模擬圓棒受到?jīng)_壓力是其發(fā)生的應(yīng)力應(yīng)變情況，同時(shí)也可以直觀了解彎曲棒在受力是主要變形區(qū)域，為圓棒的后期處理提供理論基礎(chǔ)，圓棒的材質(zhì)為H62銅，彈性模量 E 為 80（kN/mm2），泊松比為 0.36~0.37.根據(jù)上式得出，彎曲沖壓力約為534 N.其仿真結(jié)果如圖7-圖8所示：

圖7 總變形

圖8 等效應(yīng)力

在彎曲沖壓的過程中，最大變形發(fā)生在底部圓弧處，在兩端角處也發(fā)生較大的應(yīng)力應(yīng)變，主要因?yàn)椋跊_壓過程中，圓弧抵觸是直接受到?jīng)_壓了力的作用，應(yīng)力比較集中，約為247.3 MPa，圓棒由直條形變?yōu)閁形，兩端角受力彎曲，其最大應(yīng)變?yōu)?.013 mm，變形在屈服極限范圍內(nèi)，壓力去除恢復(fù)原狀。

3 結(jié)論

圓棒的加工是復(fù)雜的過程，在成型的過程中，回彈的不確定性導(dǎo)致彎曲半徑和彎曲角的不確定，因此在加工過程中，需提前預(yù)知圓棒的回彈規(guī)律以采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修正。本文根據(jù)圓棒的回彈規(guī)律設(shè)計(jì)的圓棒彎曲的上下模，滿足了圓棒彎曲加工的條件[4]。

[1]沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M[.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：170-172.

[2] 鐘翔山.轉(zhuǎn)軸式彎曲模具設(shè)計(jì)[J].模具技術(shù)，2004，22（5）：20-23.

[3]王新生.擺塊式U形彎曲模的設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，1990，16（2）：20-23.

[4]李 浩，尹東海，孫克華.階梯凸模的沖模設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2017（03）：29-30.