江丙云 蔣宏湘 曾慶勇 陳 煒

（①江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；②江蘇省精密高速模具工程技術研究中心，江蘇 昆山215316）

高精度沖壓模具是一種多工位的級進模，主要應用于電子領域。電子產(chǎn)品功能越來越多，要求精密級進模制造出的電子連接器體積也越來越小，其形狀也更為復雜，成形過程中需要進行多次彎曲，必須合理設計彎曲工藝，才能保證零件的質(zhì)量［1］。

特別是針對圖1所示的射頻（RF）連接器密合口卷圓殼件，體積非常小，內(nèi)徑僅有1.7 mm，由于回彈引起合口張大是難于解決的問題，其外形的圓度在級進模中也較難控制。

與一般彎曲件相比，卷圓殼件的成形工藝有兩個特點［2］：其一，卷圓中心角α=360°，材料的變形則遍及一周，在成形過程中的回彈累積較大；其二，因要保證外形的圓度，卷圓殼件無法采用在彎曲模上預先制作回彈補償角的方法解決卸載后的回彈。以上兩點體現(xiàn)在卷圓成形的口部密合精度上。

材料沖壓變形的成形性能，特別是成形后回彈角度大小，和材料成形過程的能量交換和能量變化緊密相關［3］。從能量守恒的角度結合數(shù)值模擬與能量轉(zhuǎn)換的方法，研究沖壓彎曲成形及其回彈是可行的。

綜上所述，本文采用有限元分析技術對卷圓殼件的成形進行數(shù)值模擬，并結合能量轉(zhuǎn)換理論，分析各步的成形尺寸及回彈，同時針對合口間隙設計調(diào)整工序，以提高成形精度。

1 特征分析

圖1所示為射頻連接器的卷圓殼件。要求合口部分無間隙，材料為銅合金C5210，材料厚度為0.15 mm，其彈性模量為111093.151 MPa，泊松比為0.3。

此卷圓殼件雖然成形工藝簡單，皆為彎曲成形，但卷圓彎曲與兩側(cè)“翅膀”折彎處相交在一起，使用理論公式對其展開，較為繁瑣且困難。采用DynaForm軟件中的一步展開模塊，對此卷圓殼件進行展開，鈑金中性層及展開外形見圖2。

2 方案設計及模擬

2.1 方案設計

考慮到本零件并非僅有卷圓成形，還有兩側(cè)“翅膀”的折彎，為避免干涉，首先對翅膀處折彎（圖3），并針對卷圓部分設計了圖4所示的5步彎曲成形。

2.2 數(shù)值模擬

自上世紀90年代開始，有限元分析技術已經(jīng)廣泛被應用于板料成形領域。它不僅能對板料成形性能進行預測分析，也能夠求解出實沖過程中影響成形性能的工藝因素［4］。

在卷圓的第5工序成形過程中，合口處板料的兩端發(fā)生了接觸產(chǎn)生作用力。因DynaForm軟件不能模擬板料與板料的自接觸，且不能對實體模型進行模擬，故使用ABAQUS/Standard軟件對以上卷圓工藝進行多步成形模擬。

在ABAQUS中直接導入AUTOCAD的DXF文件。如圖5所示，為減小模型的規(guī)模，按照平面應變問題來建模，并取對稱結構，針對第5工序在對稱中心處設置一個對稱面，簡化材料兩端的自接觸，見圖5c。

上模、下模、彈料塊和對稱面均設置為解析剛體，其單元類型為R2D2，板料的單元類型選擇CPE4R。在后一步成形時始終使用前一步成形、卸載回彈后的板料，以繼承前一工序的成形回彈后的板料信息，見圖5b所示。

由以上模擬設置，經(jīng)運算得到圖6所示的等效應變結果。在每一工序中都有“成形—卸載”兩步，以與實際情況相符合。

2.3 結果分析

分析各步成形、回彈時的合口間隙。對圖5c所示的材料端點到對稱軸的距離W進行統(tǒng)計，即合口間隙的1/2，繪制圖7所示的曲線圖。由圖可知每一步成形對卷圓合口都起到極好的效果，但在每一工步，卸載回彈都會對合口間隙造成較大的影響。

在參考他人研究結果的基礎上，提出將能量特征作為度量指標之一［5］。根據(jù)能量守恒定律，能量在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中能量的總量恒定不變。板料成形卸載后的回彈是模具約束去除后，由于板料彈性變形回復而產(chǎn)生在內(nèi)部的力學自平衡，可視為一個純彈性的靜態(tài)過程，即板料內(nèi)能的釋放過程［6］。由圖8材料的應變能變化情況，同樣可以看出卸載回彈對板材的影響。

由圖6e可知，第5工序的成形，已經(jīng)達到產(chǎn)品尺寸的要求，但上模卸載后，回彈造成合口較大的間隙。這是由于銅材在卷圓時，彎曲中性層的外區(qū)受拉應力，內(nèi)區(qū)受壓應力，中性層兩側(cè)的應力應變具有反向性，所以當卸去上下模載荷后，卷圓銅材發(fā)生回彈，使卷圓合口間隙增大。

同時，卷圓成形時銅材的變形是從中性層的內(nèi)區(qū)和外區(qū)的最邊緣開始，逐漸向中性層擴展。遠離中性層的材料變形程度大，吸收應變能量多，達到塑性變形的程度?？拷行詫拥牟牧献冃纬潭刃。諔兡芰可?，還處在彈性變形階段。這也是造成回彈的主要原因［7］。

3 模具設計

為了更好地控制合口間隙，增設了一個調(diào)整工位。如圖9所示，可以使用斜楔滑塊機構對其高度h進行調(diào)整。

下面將對不同高度h值進行數(shù)值模擬，以對上、下模的閉合作以指導。圖10所示為不同高度值所對應的所需成形能量，以及在此成形下卸載回彈后的合口間隙W值。由圖中可見，h值越大所需的成形能量越少，回彈越大，合口間隙越大。當h小于1.975 mm時，卷圓回彈后的合口間隙接近0，但此時的外圓已發(fā)生了畸變，見圖11a、b。當h=1.98 mm時，外形圓度較好（圖11c），其有限元分析的W為1.37329×10—4mm，已完全滿足產(chǎn)品要求。經(jīng)實際沖壓驗證，結果相差無幾。

雖然已經(jīng)滿足了產(chǎn)品要求，但在上步的調(diào)整工序中，是通過使h值小于零件要求的0.2 mm來控制回彈的，對卷圓殼件的整體圓度造成了一定的影響。故還需添加一步整形工位，來對外圓形狀進行整修。此工序結構與圖4中第5工序完全一樣。經(jīng)過模擬后的產(chǎn)品見圖12a，其合口間隙為9.3197×10—5mm。由圖12b，可知，卸載回彈階段，銅材釋放能量接近于為0，從而得知幾乎沒有回彈產(chǎn)生。

4 結語

（1）應用有限元分析技術，對連接器卷圓殼件的多步彎曲成形過程進行數(shù)值模擬，獲得每步成形中合口間隙的變化情況，以指導模具設計。

（2）應用能量轉(zhuǎn)換理論，研究連接器卷圓殼件的成形、回彈，對精密級進模的成形具有較為直觀的評估，能夠方便地優(yōu)化成形工藝。

［1］傅旻，董家權.電器接插件多工位級進模設計［J］.模具工業(yè)，2008，34（5）：33—36.

［2］艾道全.密合口卷圓工藝及自動卷圓模［J］.模具工業(yè)，2000，（9）：20—24.

［3］韓建保，云志剛.基于動態(tài)顯式算法的薄板沖壓成形回彈量工程估算研究［J］.塑性工程學報，2003，10（4）：13—18.

［4］SE—HO KIM，SEUNG—HO KIM，HOON HUH.Design modification in a multi—stage rectangular cup drawing process with a large aspect ratio by an elasto—plastic finite element analysis［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，113：766—773.

［5］劉月明，鞏亞東，仇鍵.超高速點磨削中切削速度對工件殘余應力的影響［J］.制造技術與機床，2009（7）：74—76，80.

［6］李文平.彎曲回彈變分原理及其數(shù)值模擬研究［D］.秦皇島：燕山大學，2006（4）.

［7］羅征志.基于數(shù)值模擬的板料翻邊成型回彈研究［D］.重慶：重慶大學，2005（5）.