圆棒回弹分析与模具的设计

2018-06-25柏广枭杜祥哲尹东海孙克华

装备制造技术 2018年4期

关键词：转轴冲压成型

柏广枭，杜祥哲，尹东海，孙克华

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102）

圆棒的弯曲加工，是模具对其进行冲压变形，获得具有相应弯曲半径与角度的加工工艺，在常规的生产中，由于一次冲压工艺不能够得到预期尺寸，需要后期进行修正，耗费大量人力，效率低下。

在加工过程中，回弹的现象导致弯曲棒缺陷产生（包括不对称、中心距过大等），由于回弹引起的尺寸变化导致工件的精度受到很大的影响，也是后期工序需要解决的主要问题，因此需要对工件进行前期理论分析，以期对模具的设计进行修整，保证冲压过程的一次成型。

本文对一种材料为黄铜的圆棒工艺进行分析，通过设计一种转轴式模具对其进行加工，可以为类似的产品加工提供一种方法。

1 弯曲棒回弹分析

本文所加工的圆棒为采集板扣，如图1所示，弯曲前形状，其中间直径为2.5 mm，两端直径为1.3 mm，弯曲后中心距为18±0.2 mm，弯曲半径为R9 mm，但主要要求为弯曲后两端面为平行状态。

图1 弯曲板扣

圆棒在冲压过后，弹性能释放造成回弹的发生，在本文中，回弹的发生是零件成型的主要缺陷，主要为弯曲半径变大，角度变小，导致圆棒两端面的不平行。为了更好地对圆棒进行分析，现对圆棒冲压进行理想化的分析：（1）在冲压过程中，圆棒弯曲时任意位置上的横截面一直保持平面；（2）圆棒变形区域横截面的形状和尺寸不发生变化；（3）弯曲变形时受压受拉时应力应变相同[1]。

1.1 弯曲棒受力分析

在圆棒受力弯曲时，在外部层为拉应力、应变，相反在内部层为压应力、应变，而在圆棒的中心层面上，没有应力变化，横向变形为0，因为不受约束。

在变形过程中，金属内部材料相互挤压，使变形区产生径向的压应力，内层为压缩性变形而外层为拉伸性变形。其应力应变如图2所示。

图2 应力—应变状态

1.2 圆棒的刚度分析

材料刚性是抵抗弹性变形的性能指标，一般采用弹性模量表示，刚度则是结构件抵抗弹性变形的指标，分为截面与构件刚度，受到压力与拉力时的刚度是弹性模量与横截面积之积，弯曲时的截面刚度是弹性模量与中性轴的惯性矩之积，圆棒弯曲几何关系如图3所示。

圆棒外部受到拉力，内部受到压力，中性层既不受压也不受拉，现以横截面的中性层设为z轴，y轴为垂直中性轴的对称轴，通过横截面的法线则称之为x轴。

图3 圆棒弯曲几何关系

1.3 回弹变量

回弹前后回弹角有着相应的变化，如图4所示，由于卸载前后弯曲件应变过程中，中性层长度不变（以回弹最大的点为基准），推出：

推出：

式中：r为回弹前的圆角半径；r′为回弹后的圆角半径；σSP为弯曲材料的屈服极限；t为弯曲件的厚度；E为弯曲材料的弹性模数。

图4 弯曲变形的回弹角

2 弯曲模的设计与仿真分析

2.1 上下模结构设计

根据图1成型零件特性，按照产品要求，进行相应的定制型设计，根据前文计算得出圆棒弯曲最大回弹角约18°，弯曲值回弹后半径约为9.04 mm，因此设计凸模时需要对其进行负角补偿设计，把试模修整考虑在内，a取95°，凸模R取7.2 mm.胆形上模结构如图5所示。

下模为转轴式对称性的分体式结构，以转轴进行固定，定位销对样件固定，还对总长进行限制。成形部位为铣圆弧槽成型[2]，结构如图6所示。

图6 整体结构

圆棒的加工过程：上模向下运动进行冲压零件，当圆棒U型最低点接触到凹模继续下行，直至来自弹顶器的力不能抵住来自于圆棒传递力，此时凹模沿转轴发生旋转圆棒贴住上模。行程到达死点，零件加工成型。凹模进行复位同时上模向上运动，圆棒留在下模内，取出零件完成加工。

2.2 仿真分析

为了选择合适的冲压力需要对弯曲力进行计算，影响弯曲力的因素有很多，弯曲力与材料的宽度成正比，与厚度平方成反比，增大凹模圆角半径及增大凹模开距能减少弯曲力。U形弯曲件自由弯曲力为[3]：

式中：Pt为材料在冲压行程结束时，不受校正的弯曲力（N）；B为弯曲件的宽度（mm）；t为弯曲件的材料厚度（mm）；R 为弯曲件内半径（mm）；σb为弯曲件材料抗拉强度为385（N/mm2）；K为安全系数，取1.3.

利用ansys软件对弯曲件进行力学仿真，模拟圆棒受到冲压力是其发生的应力应变情况，同时也可以直观了解弯曲棒在受力是主要变形区域，为圆棒的后期处理提供理论基础，圆棒的材质为H62铜，弹性模量 E 为 80（kN/mm2），泊松比为 0.36~0.37.根据上式得出，弯曲冲压力约为534 N.其仿真结果如图7-图8所示：