膨脹節沖壓工藝的研究及應用

鄭偉強

(太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030008)

0 引言

中國制造是世界上認知度最高的標簽之一。2018年10月24日，李克強總理在中國工會全國代表大會上說：“中國制造”要盡早變為“中國精造”。太原鍋爐集團有限公司為了打造超一流的循環流化床鍋爐產品，鼓勵設計、工藝、生產團隊積極研發新技術、新工藝、新產品。本文針對鍋爐膨脹節產品，設計沖壓工藝及沖壓模具，研究凸模圓角半徑和角度參數與膨脹節產品尺寸的關系，以保證膨脹節沖壓質量和產品性能。

1 膨脹節產品介紹

膨脹節產品安裝在鍋爐一次風和二次風的管道上，用于抵消管道的受熱延伸。膨脹節產品如圖1所示，材質為Q235B，理論展開寬度為484.5 mm，膨脹節開口處尺寸為92 mm～94 mm(等同于控制R46圓弧的角度為178.9°～180°)。

圖1 膨脹節產品

2 膨脹節沖壓工藝設計

2.1 膨脹節沖壓設備

膨脹節產品采用彎曲沖壓成型工藝，沖壓設備選擇壓力機，設備型號需要依據膨脹節沖壓所需彎曲力、模具外形尺寸、模具開合行程3個參數指標確定。

膨脹節沖壓彎曲力F由下式計算[1]：

F=Kbtσb.

(1)

其中：K為系數，一般為0.3～0.6，取K=0.6；b為彎曲件寬度，b=1 000 mm；t為料厚，t=2 mm；σb為材料抗拉強度,σb=460 MPa。將相關參數代入式(1)計算得：F=552 000 N。

模具外形尺寸為1 300 mm×400 mm，閉合高度為450 mm，開啟高度為620 mm。依據膨脹節沖壓參數和公司現有設備，確定膨脹節沖壓選用400 t單臂油壓機,設備參數如下：壓力400 t；上、下臺面最大開啟高度1 500 mm；設備臺面尺寸2 000 mm×1 500 mm。

2.2 膨脹節沖壓模具參數

膨脹節沖壓模具主要設計參數為凸模圓角半徑R和角度α,如圖2所示。

圖2 凸模結構

凸模圓角半徑由下式確定：

(2)

其中：r為彎曲件圓角半徑,r=46 mm；σs為材料屈服強度,σs=235 MPa；E為材料彈性模量,E=210 000 MPa。將相關參數代入式(2)計算得：R=42.7 mm。

2.3 膨脹節沖壓用材料要求

材料和毛坯質量對產品沖壓質量的影響極為關鍵，Q235B板材化學成分、力學性能必須符合GB700-88標準要求[2]。采用剪板機剪切下料，下料尺寸為1 000 mm×484.5 mm，寬度方向與板材軋制方向一致，邊角毛刺須清理干凈。

3 膨脹節沖壓模具結構

膨脹節沖壓模具(以下簡稱模具)結構如圖3所示。模具整體結構為轉軸式，主要包括凸模、凹模、凹模塊、凹模復位支撐塊、拉簧、拉桿和軸座。

模具結構特點如下：①凹模采用旋轉結構可實現膨脹節一次沖壓成型;②為了保證沖壓過程制件的彎曲空間及節約模具成本，設計上模墊塊2，材質45鋼;③拉簧、拉桿機構保證在上模開啟狀態時凹模處于初始狀態。

1-上模座；2-上模墊塊；3-凸模連接塊；4-凸模；5-制件；6-凹模復位支撐塊；7-拉簧；8-下模座；9-凹模塊；10-拉桿；11-凹模；12-軸座；13-銅套

4 模具沖壓工作過程

如圖3所示，上模左半部分示意上模開啟狀態，右半部分示意上模閉合狀態。模具沖壓工作過程如下：

(1) 工作時，上模處于開啟狀態，將制件5放在凹模塊9上，測量找正。

(2) 壓力機滑塊開始下行，帶著上模座1、上模墊塊2、凸模連接塊3和凸模4整體下行；凸模4壓著制件5繼續下行。制件5接觸凹模11后繼續下行；凹模11受壓逐漸向內側旋轉，凹模塊9和拉桿10同步旋轉；拉簧7被拉伸。當凹模11、凹模塊9與凸模4輪廓吻合，凸模4停止下行(壓力機滑塊停止下行)，上模達到閉合狀態。

(3) 壓力機滑塊開始回程，凹模塊9、凹模11、拉桿10和拉簧7復位。

(4) 取出制件，完成一次沖壓過程。

5 膨脹節沖壓試驗

5.1 試驗材料

試驗材料為復驗合格的Q235B板材，尺寸為2 mm×484.5 mm×1 000 mm，數量為20件。

5.2 試驗方法

凸模圓角半徑R和角度α是影響膨脹節沖壓質量的主要因素。試驗采用反推算回彈量的方法，通過測定膨脹節內寬尺寸，修訂設計參數，每次驗證沖壓10件產品。

5.3 試驗結果

第一次試驗，根據參考文獻[1]中“表8-11 U型彎曲回彈角”選定凸模設計參數：凸模圓角的半徑R為42.7 mm、角度α為158°，試件內寬尺寸如表1所示。沖壓的膨脹節產品內寬尺寸偏大，說明凸模圓角的角度α偏大，需進行重新修訂。取10組膨脹節內寬尺寸的平均值102.9，計算得膨脹節內寬夾角為6.12°，將凸模圓角的角度α修改為152°；用樣板符樣檢查膨脹節R46圓弧，基本吻合，凸模圓角半徑R不變，再次試驗。

表1 第一次試驗膨脹節內寬尺寸 mm

第二次試驗，在第一次試驗的基礎上，取凸模設計參數如下：凸模圓角半徑R為42.7 mm、回彈角度α為152°，試件內寬尺寸如表2所示。沖壓的膨脹節產品90%符合要求，說明凸模設計參數合理。

表2 第二次試驗膨脹節內寬尺寸 mm

6 結論

本文設計了膨脹節產品的沖壓工藝及沖壓模具，通過沖壓測試，得出下列結論：

(1) 膨脹節沖壓模具設計參數合理，模具結構、性能良好。

(2) 試驗結果表明，當凸模圓角的半徑R為42.7 mm、角度α為152°時，能夠獲得合格的膨脹節產品。

(3) 該膨脹節沖壓模具的成功研制，為薄板件彎曲沖壓回彈量補償提供了新的技術支持。