異型導軌彎曲模具設計

王修濤 劉國強 翟 茜 李 強

（山東省機械設計研究院，濟南 250031）

彎曲成形就是將坯料彎曲成所需的形狀。彎曲成形的材料有型材、管材、板材和棒材[1]。彎曲型材和管材廣泛應用于汽車、航空航天、管道工程、工程機械以及石油化工等領域，占有十分重要的地位[2-3]。本文介紹的是汽車行業所用的異型導軌，如圖1（a）所示。該異型導軌是由一定形狀的型材通過彎曲成形而成，材料為鋁型材，用來裝置窗簾滑塊。它分為左右兩種零件，安裝到汽車頂部，對成型位置尺寸要求變形小，滑塊能順利通過且不脫落?？梢?，異型型材彎曲過程需減小彎曲部分變形，才能保證產品合格。對于形狀異型、復雜且材料厚度（1 mm）較薄的材料，彎曲過程中會出現彎曲的部分變形（彎曲半徑越小，變形越大），導致滑輪不能在軌道內正常滑動，達不到使用要求。此時，需要在加工過程中采用減小變形的加工工藝，保證零件變形尺寸在要求公差范圍內。

圖1 產品零件圖（單位：mm）

1 零件成形工藝分析與沖壓方案的確定

通過對零件的形狀分析，型材截面尺寸為15 mm×12 mm，厚度為1 mm，如圖1（c）所示。型材材質為鋁材，彎曲分兩個部分，如圖1（a）和圖1（b）所示。R48 mm圓弧在零件寬度10 mm面上，R150 mm圓弧在零件寬度15 mm平面上。鋁型材料較薄，形狀復雜，形狀彎曲過程中極易發生變形。經分析，確定該零件沖壓方案分兩步走，第一步彎曲R48 mm圓弧，第二步彎曲R150 mm圓弧。第一步彎曲模具采用簡單上下模結構，如圖2所示。為了減小彎曲變形，需在型材內部填加和型材內部形狀一致的型芯，彎曲前填入，彎曲后取出，左、右兩種零件可同時使用。第二步彎曲模具凸模采用和零件內部R150 mm吻合的整體結構，凹模采用旋轉彎曲成形結構，由左右兩部分組合而成。凹模開設零件形狀的槽筋，減小型材彎曲過程中的變形。在彎曲過程中，零件內圓和凸模完全貼合彎曲，外圓和凹模左右兩部分線接觸，實現凹模旋轉彎曲，減小凹模對型材的受力面積，有效減少變形。同時，凹模板采用中心對稱開設讓位槽，左、右零件可以使用一套模具加工完成。凹模旋轉結構還可以通過調整沖床行程控制彎曲回彈的大小。

圖2 R48圓弧彎曲模具結構圖

2 模具結構設計

2.1 R48 mm圓弧彎曲模具結構設計

2.1.1R48 mm彎曲凸模尺寸設計

零件R48 mm圓弧在零件的中間位置。由于零件整體較高，在彎曲R48 mm圓弧的過程中，圓弧兩邊材料成形后，需要在壓力設備工作部位以外的位置，防止和壓力設備發生干涉。所以，凸模的高度需要根據壓力機的外型尺寸設計。凸模結構采用固定板固定方式，凸模厚度尺寸和零件寬度尺寸一致，如圖3所示，選用10 mm（公差±0.05 mm）。凸模固定板厚度為30 mm，凸模固定板的上端用螺栓連接上模板，下端高于圓弧頂端15 mm。加工過程中可以保護型材，防止型材移動和翻轉導致變形。凸模圓弧半徑參數為46 mm，消除彎曲成形后的回彈。

圖3 R48 mm圓弧彎曲凸模結構

2.1.2R48 mm圓弧彎曲凹模尺寸設計

R48 mm圓弧彎曲凹模結構采用固定板固定方式，如圖4所示。凹模通過螺栓連接在凹模固定板上，凹模板兩側需水平延伸100 mm。作為初始放置型材的平臺，凹模厚度尺寸和零件寬度尺寸一致，選用10 mm（公差±0.05 mm）。凹模固定板厚度為30 mm，凹模低于凹模延伸平臺15 mm，防止型材移動和翻轉導致變形。凹模固定板的下端通過螺栓連接到下模板，在凹模固定板一側加裝定位板，點位板加工長槽，調節定位尺寸。

圖4 R48 mm圓弧彎曲凹模結構

2.1.3R48 mm圓弧彎曲模具型芯尺寸設計

為了防止型材在彎曲的過程中變形，在彎曲前需要將型材內部填充材料，用來支撐型材輪廓。如圖5所示，型材型芯結構分為左、中、右3個部分，其中左右型芯為對稱結構。3個型芯組合后和型材內部輪廓貼合，型材開口處的型芯低于型材0.2～0.3 mm。加工過程中，先安裝左、右型芯，然后安裝中間型芯。抽取型芯時，順序相反。

圖5 R48 mm圓弧彎曲模具型芯結構圖

2.2 R150 mm圓弧彎曲模具結構設計

2.2.1 彎曲凸模尺寸設計

確定彎曲成形凸模彎曲半徑尺寸時，根據零件材料回彈規律，彎曲成形凸模彎曲半徑設置為148 mm，并對彎曲形狀做出必要的修正。凸模圓弧弧長大于零件圓弧弧長。

2.2.2 彎曲凹模設計

如圖6所示，彎曲凹模采用旋轉方式成形。在彎曲圓弧中心位置分為左凹模板和右凹模板，凹模外側加工直徑12 mm的旋轉孔，凹模工作位置加工讓位槽（如圖7所示），零件和凹模讓位槽間隙采用0.1 mm。凹模板兩端加工圓弧，防止凹模板旋轉過程中出現干涉。腔體橫板和墻體側板通過螺栓連接，組成固定凹模板腔體。凹模板通過旋轉軸固定在腔體橫板上。腔體通過螺栓連接在下模板上。

圖6 R150 mm圓弧彎曲模具結構圖

圖7 凹模讓位槽剖面圖

2.2.3 旋轉軸結構設計

在凹模板的兩側加工12 mm的旋轉軸固定孔，如圖8所示。固定旋轉軸，腔體橫板加工直徑12.05 mm的半圓槽，旋轉軸蓋板加工12.05 mm的半圓槽，通過螺栓固定在腔體橫板上，組成直徑12.05 mm的圓孔。旋轉軸在孔內旋轉。旋轉槽采用兩個半圓組合的方式，有利于模具裝配和維修。

圖8 旋轉軸剖面圖

2.2.4 彈料板結構設計

如圖9所示，彈料板位于凹模腔體內，高度和凹模板下表面等高。凹模板在彎曲過程中，彈料板推動凹模板上下浮動，保證凹模板在不工作狀態下處于水平位置。彈料板下面安裝4個彈簧，通過卸料螺栓固定在下模板上。

圖9 R150 mm圓弧彎曲模具結構剖面圖

2.2.5 模具讓位槽設計

由于零件尺寸較大，在加工過程中型材尺寸大于凹模周界尺寸，需要在凹模腔體橫板和腔體側板開設讓位孔。同時，開設讓位槽尺寸大于型材外形尺寸。

3 模具工作過程

根據零件要求和工藝分析，零件加工共分為兩個工序。第一步，R48 mm圓弧彎曲。將模芯放入型材中，然后將其放在凹模水平臺上，側面貼近凹模固定板，端頭靠近凹模定位板，控制壓力機行程直至彎曲完成，取出工件，抽取型芯，完成第一個工序。第二步，R150 mm圓弧彎曲。將第一步彎曲后的鋁型材放入凹模槽，凸模向下彎曲過程中圓弧頂部先接觸型材，進一步推動凹模板內側向下運動。凹模板外側沿旋轉軸旋轉，直至最后彎曲成形到零件要求尺寸。彈料板在凹模板作用下向下運動，加工完成后，彈簧將彈料板推到初始位置，第二個加工工序完成。彎曲成形模具結構簡單，易操作實施，投入成本少，在生產過程中可以通過調節沖床行程控制型材回彈尺寸，避免更改模具參數。

4 結語

影響型材彎曲成形的因素較多，材料性能、彎曲形狀以及模具結構的選擇都會對最終產品的外觀和尺寸參數產生影響，特別是異型型材形狀復雜，所以選擇合理的加工工藝至關重要。本文主要從生產效率高、投入成本少、結構合理以及操作簡單等方面考慮，采用所述模具結構具有較好的實用價值。但是，設計的模具在使用過程也存在不足，如第一工序彎曲過程中零件會出現劃傷痕跡，模芯的使用尚待完善，是下一步需要研究解決的問題。