高強鋼U形件一次彎曲成形通用模具設計＊

宋 捷，牛永進，悅 平，楊愛萍

1.山西機電職業技術學院（山西長治 046012）

2.山西航天清華裝備有限責任公司（山西長治 046012）

1 引言

裝備制造企業的生產過程中，有許多成形后為U形的高強鋼零件，由于其U形直邊高度與寬度比比較大，一般折彎機無法完成，故需要壓模壓制而成，目前在壓力機上完成，凹模形式為直邊形式，存在的問題有：①由于高強鋼板回彈比較大，需要反復校形才能滿足設計尺寸要求，整個過程費時費力；②當前設計回彈完全靠經驗，沒有得出具體值；③模具使用過程中通用性差，造成極大的浪費。

本文目的為了減少反復校形造成工時的浪費，增加通用性，研究一次彎曲成形技術，減少勞動強度，摸索出合適的U形彎曲模結構（包括凹模、凸模形狀，上模架設計等）和合理的模具參數，以求提高一次彎曲成形的成功率。

2 U形模具參數設計

2.1 U形零件結構圖

U形件分為兩種情況：一種是寬度尺寸標在內側，一種是標在外側，圖1所示為兩種情況的綜合圖，其材料為高強鋼度焊接結構鋼HG785D，抗拉強度約為785MPa，具有較高的屈服強度和抗拉強度，被廣泛應用于裝備制造設備、礦山機械等大型鋼結構件中，如：起重機、車架等。

圖1 U形零件結構簡圖

2.2 U模具結構簡圖建立

圖2為U形模具的結構簡圖，由凸模、旋轉凹模等組成，U形件的尺寸依靠凹模和凸模同時保證。

圖2 U形模具結構簡圖

其中 rp——凸模圓角半徑，mm

rd——凹模圓角半徑，mm

h——凹模深度，mm

C——凸、凹模間隙，mm

Bp——凸模寬度尺寸，mm

Bd——凹模寬度尺寸，mm

α——回彈角

2.3 模具設計參數的確定

（1）凸模圓角。

凸模設計的關鍵在于凸模半徑rp的計算，理論計算尺寸[1]：

式中 r——制件下圓角半徑，mm

t——制件厚度，mm

E——制件材料的彈性模量

σs——制件材料的屈服極限，MPa

考慮回彈凸模實際尺寸：

式中 k——修正系數，取0.88

（2）凹模深度要適當，過小兩端的自由部分長，彎曲工件的回彈大，且成品不平直；過大凹模需要的鋼材尺寸比較大，且要求壓力機有較大的行程。因此h按表1選取。

（3）凸、凹模間隙的選取。

對于U形件必須選擇適當的間隙，間隙的大小對工作的質量和彎曲力有很大的影響，間隙小彎曲力越大，同時會使工件的部分臂體變薄，還造成凹模具的使用壽命降低，間隙過大，回彈大，降低工件的公差等級，因此間隙值的選取非常重要，查閱文獻[2]：凸、凹模間隙C=（0.95～1.1）t，效果最優。

（4）尺寸標在外側的以凹模為基準，先確定凹模尺寸，保證凹凸模之間的間隙計算出凸模的尺寸。尺寸標在內側的以凸模為基準，先確定凸模尺寸，保證凹凸模之間的間隙計算出凹模的尺寸。

尺寸外側時，凸凹模寬度尺寸如下：

尺寸內側時，凸凹模寬度尺寸如下：

式中 δp、δd——凸、凹模具的制造公差

（5）為了一次成形故將凸、凹模設計一個角度，這個角度為回彈角[3]，其確定根據回彈前后，中性層不變的條件可得：

（6）彎曲力的計算。

為了選擇時所需用的壓力機和進行模具設計，必須計算彎曲力，彎曲力的大小與彎曲件的形狀、機械性能及材料厚度等因素有關。按下列公式計算：

式中 F1——彎曲力，t

δb——抗拉強度極限，MPa

L——彎曲線長度，mm

t——材料的厚度，mm

根據計算結果選擇合適的壓力機并計算凹凸模具的強度。

3 模具結構設計

根據計算結果通過三維軟件對U形模具進行詳細建模設計，包括上模架、凸模、旋轉凹模、底座、調節板、卸料桿組成[4]。U形彎曲模結構示意圖如圖3所示。

凸模通過螺栓與上模架連接，安裝孔在上模架的中間部位，實現不同凸模的安裝，旋轉凹模能夠繞底座旋轉軸旋轉，當凸模壓到最下方時，兩旋轉凹模具側面形成銳角，實現對U形件的過壓，單邊過壓角度為α，回彈后恰好為U形，不用反復校形，達到一次成形的目的。卸料桿由彈簧和頂桿組成，卸料桿作用初始狀態將旋轉凹模頂起，使旋轉凹模開口處于張開狀態，壓制完成后再負責將工件頂起，完成U形件的拆卸。

圖3 U形彎曲模結構示意圖

為增加U形件的通用性，特設計調節板，首先梳理型號制件U形件一般尺寸范圍，A最大為300mm，B為400mm，厚度小于20mm，長度小于2,000mm，設計出通用彎曲模結構，由通用零部件和專用零部件組成，如表2所示。

表2 U形彎曲模結構參數 mm

經過通用化設計后，U形彎曲模的上模座、下模座、旋轉凹模具，可以適應不同U形件的成形，針對不同U形件的尺寸，通過調節側板和底板組合成需要的內腔尺寸，其流程如圖4所示。

圖4 U形模具設計流程圖

4 使用方法

（1）根據彎曲力選擇合適的壓力機。

（2）用壓板將模架安裝在壓力機的上壓盤上。

（3）用壓板將底座安裝在壓力機的下工作臺上，保證凹凸模具中心重合。

（4）放入工件完成U形件的壓制。

5 結束語

通過對模具每個參數進行計算和梳理現有U形件結構參數，得出所需要零件的結構參數，然后使用三維建模軟件對模具結構進行實體建模，實現一次成形和通用化的要求，此模具功能滿足使用要求，一次成形與理想值基本吻合，減少了反復校形的工作，同時通用化設計后，將凹模和上模架做為通用零部件，避免了每次設計時繁瑣的計算和大量零部件的設計，大大提高了設計和生產效率，降低了成本，提高了經濟效益。