桁條彎形設計研究

鄭娜娜，趙 乾，趙志峰，張 勇，余春華

(駐長治地區軍事代表室，山西 長治 046012)

0 引言

在裝備生產制造企業中，桁條作為關鍵零組件保護筒的重要組成部分，被廣泛應用于型號產品中。桁條斷面形狀為U型，其成形的精度和質量直接影響保護筒的生產質量，因此對桁條進行彎形設計研究尤為重要。

目前，保護筒桁條彎形常用設備為折彎機，成型時需要在折彎機上折彎兩次，實現兩個直角邊的彎形。折彎模頭作為成型關鍵因素，依據桁條高度和折彎角度選定，若模頭規格參數選用不當，在折彎第二個直角邊時，先折彎好的直角邊會與模頭產生干涉，無法達到預期折彎效果，因此，迫切需要對保護筒桁條進行彎形設計研究。

本文對保護筒桁條彎形設計進行研究，從參數確定(模頭角度、刀尖位置、接口尺寸)、干涉檢驗、強度校核等方面考慮，提出滿足裝備需求的保護筒桁條彎形模頭設計方法。通過反復調整設計參數、分析計算、仿真模擬，對模頭結構尺寸進行優化，滿足了多種類型裝備保護筒桁條生產需求。

1 桁條折彎成型基本原理

目前金屬薄板折彎有兩種方法：①是模具折彎，用于結構比較復雜、體積較小、大批量加工的金屬薄壁件；②折彎機折彎，用于加工結構尺寸比較大的或產量不是太大的金屬薄壁件。其中，折彎機折彎基本原理就是利用折彎機的折彎模頭(上模)、凹槽(下模)對金屬薄板進行折彎和成型。

本文保護筒桁條為金屬薄壁U型結構件，成型包括以下步驟：根據桁條斷面中性層長度確定待折彎U型結構件的板件尺寸，在板件上畫出中心線和兩條折彎線；分別沿兩條折彎線折彎90°，形成U型結構件的兩邊；根據桁條兩直角邊長度去除多余材料，使U型件滿足圖紙尺寸要求。

2 參數確定

本文桁條截面形狀為U形，材料為Q345A，厚度t=3 mm，內半徑R0=5 mm，長度L=1 000 mm，如圖1所示。

圖1 桁條截面形狀

2.1 模頭角度確定

模頭形狀如圖2所示。

2.1.1 模頭圓角半徑R確定

根據金屬板材彎曲件凸模圓角半徑計算公式，可得圖2中模頭圓角半徑R(mm)：

(1)

其中：E為桁條材料的彈性模量,MPa;σs為桁條材料的屈服極限，MPa。

已知R0=5 mm,E=200 GPa,t=3 mm,σs=205 MPa,將各參數代入式(1)可得：R=4.97 mm。

根據經驗，考慮回彈，選擇模頭圓角R=4.75 mm。

2.1.2 回彈角確定

依據回彈前后中性層長度不變的條件，可得回彈角為：

(2)

其中：φ0為零件要求的角度。

已知φ0=90，將相關參數代入式(2)計算可得：Δφ=4.74°。

因此，考慮回彈后，圖2所示模頭角度α=90°-4.74°=85.26°，取85°。

2.2 模頭施力點選取

在折彎過程中，為防止模頭在施力點位置產生彎矩，降低使用壽命，模頭施力點應置于設備對模頭施力面的對稱中心線上，如圖2所示。

圖2 模頭形狀

2.3 模頭形狀參數及接口尺寸確定

圖3 模頭長度及卡槽尺寸

根據上述確定的模頭角度、模頭施力點、折彎設備接口尺寸，利用三維制圖軟件UG確定模頭形狀參數，如圖4所示。

圖4 模頭形狀參數 圖5 干涉檢驗

3 干涉檢驗

桁條折彎過程中，若模頭規格參數選用不當，折彎第二個直角邊時會出現工件與模頭干涉的現象，無法保證桁條成型要求。

利用三維制圖軟件UG模擬折彎過程中產品與設備干涉情況，調整模頭形狀尺寸，使產品與設備無干涉。實際成型過程先將桁條右側直角邊進行折彎，之后再折彎左側直角邊，調整模頭形狀尺寸，使第二個直角邊折彎時工件與模頭的最小距離大于0，本例調至3.1 mm，如圖5所示。

4 強度校核

4.1 幾何建模及網格劃分

為簡化幾何建模過程，導入外部幾何體模型(File→Import External Geometry File)。雙擊Engineering Date進入材料參數設置界面設置材料參數，選擇材料Structural Steel。

本文采用自動劃分網格法，在Outline(分析樹)中選擇Mesh節點，單擊Mesh工具欄上的refinement命令對模頭尖點位進行網格細化，單擊Generate Mesh生成網格，如圖6所示。

圖6 模頭網格劃分

4.2 施加載荷與邊界條件

在Outline(分析樹)中選擇Static Structural節點，單擊Static Structural工具欄上的Fixed Support命令，選擇如圖7所示刀尖位置添加約束，單擊Static Structural工具欄上的Force命令，在受力面添加載荷，載荷大小根據WE67K-600/6000DA69設備條件6 m長度受力600 t，模頭長度l=500 mm時受力500 000 N。

圖7 約束及載荷 圖8 模頭的變形云圖 圖9 模頭的應力云圖

4.3 設置求解項

在Outline(分析樹)中選擇Solution節點，單擊Solution工具欄上的Deformation│Total命令，在分析樹中插入Total Deformation(變形)項，單擊Solution工具欄上的Stress│Equivalent命令，在分析樹中插入Equivalent Stress(應力)項。

4.4 求解并顯示分析結果

單擊工具欄上的Solve按鈕，啟動求解，得到模頭的變形云圖及應力云圖，如圖8和圖9所示。

保護筒桁條折彎模頭材料選用T10鋼，熱處理后許用應力為900 MPa，刀尖位置許用應力為1 700 MPa，有限元分析可得模頭最大應力274.96 MPa，滿足使用要求。

5 試驗驗證

為驗證設計的合理性，進行試模，折彎設備及模頭如圖10所示。選用材料Q345A，厚度t=3 mm的下料毛坯進行試制，折彎加工后U形結構件截面高度為50 mm、寬度為40 mm，總長L=1 000 mm，圓角為5 mm，如圖11所示。經測量鑒定，尺寸符合圖紙要求。

圖10 折彎設備及模頭 圖11 試制U形件

6 結束語

本文對保護筒桁條折彎模頭進行了設計研究，從參數確定、干涉檢驗、強度校核等方面考慮，設計了模頭模型，并通過反復調整設計參數、分析計算、仿真模擬，對模頭結構尺寸進行優化，經試制驗證了設計的合理性。該技術研究保證了裝備生產需求，為同類產品彎形模頭設計積累了寶貴的經驗。