葉 姍 徐漢超 吳 瓊

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

液壓機(jī)折彎模具設(shè)計(jì)與制作*

葉 姍 徐漢超 吳 瓊

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

文章利用單臂式液壓機(jī)工作原理，研究設(shè)計(jì)出能安裝在液壓機(jī)上的板材折彎模具，并用CADDS5軟件建模，為實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的板材后續(xù)加工提供方便。設(shè)計(jì)制作出來(lái)的模具試用效果良好，可投入船體加工裝配實(shí)訓(xùn)室教學(xué)使用，并能保障實(shí)訓(xùn)安全，節(jié)約教學(xué)成本。

液壓機(jī)；折彎模具；三維建模；上模；下模

在工科類高職院校中，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)置通?？紤]教學(xué)計(jì)劃、設(shè)備配置、場(chǎng)地條件、師資能力及實(shí)習(xí)成本等因素，很多院校通常受各方面條件的制約。[1]加強(qiáng)重點(diǎn)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高實(shí)踐安全和降低實(shí)踐教學(xué)成本，是這類高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的目標(biāo)。筆者所在學(xué)校的船體加工裝配實(shí)訓(xùn)中心是為配合《船舶加工裝配實(shí)訓(xùn)》課程建設(shè)的實(shí)訓(xùn)室，船舶構(gòu)件的加工是該課程的主要內(nèi)容之一，其中板材折彎加工又是船舶構(gòu)件材料處理的重要步驟。為完善板材折彎加工教學(xué)內(nèi)容和提高學(xué)生實(shí)踐安全性，配套的加工設(shè)備制作和研究勢(shì)在必行。

1 設(shè)備分析

三輥卷板機(jī)是常見(jiàn)的金屬板材彎卷設(shè)備，不論是實(shí)際生產(chǎn)還是高職院校相關(guān)專業(yè)教學(xué)，該設(shè)備均不可缺少。筆者所在學(xué)校的船體加工裝配實(shí)訓(xùn)中心一臺(tái)三輥對(duì)稱上調(diào)式卷板機(jī)，主要用于船舶結(jié)構(gòu)板材的卷板加工，該機(jī)缺點(diǎn)是板材端部需借助其他設(shè)備進(jìn)行預(yù)彎。但加工裝配中心沒(méi)有用于板材預(yù)彎及折邊的設(shè)備，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中需通過(guò)人工完成預(yù)彎，而人工預(yù)彎比較危險(xiǎn)，且噪音大，非常不利于實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

筆者考慮利用設(shè)備進(jìn)行預(yù)彎，有兩種方式可供選擇：第一種為直接購(gòu)買市面上的板材折邊、折彎?rùn)C(jī)，這類設(shè)備可直接對(duì)板材預(yù)彎折邊，但價(jià)格較貴，教學(xué)成本過(guò)高；第二種可利用沖壓模具配合壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)板材折彎。

液壓機(jī)是壓力機(jī)的一種，它利用液體靜壓力來(lái)加工金屬、塑料、橡膠等制品，常用于壓制工藝和壓制成形工藝，是工科類高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的常見(jiàn)設(shè)備。筆者建議，實(shí)訓(xùn)中心在已有單臂式液壓機(jī)設(shè)備(如圖1所示)的前提下，為節(jié)約成本可選擇第二種方式對(duì)板材預(yù)彎。

圖1 單臂式液壓機(jī)

圖2 V形件彎曲過(guò)程

2 折彎模具設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 折彎模具設(shè)計(jì)原理

板材折彎可以通過(guò)沖壓過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。沖壓是指在常溫下靠壓力機(jī)和模具對(duì)板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸工件的加工方法。沖壓由設(shè)備和模具完成其加工過(guò)程，需具備三個(gè)要素：設(shè)備(壓力機(jī))、模具和原材料。[2]

在沖壓生產(chǎn)中，利用模具將制件彎曲成一定角度和形狀的加工方法，稱為彎曲。V形彎曲是最基本的彎曲，任何復(fù)雜彎曲都可以看成是由多個(gè)V形彎曲組成(如圖2所示)。

船舶零件加工過(guò)程中有許多板材和型材需要進(jìn)行折彎。為了讓學(xué)生了解船體零件加工過(guò)程，在實(shí)訓(xùn)時(shí)要求學(xué)生按照?qǐng)D紙對(duì)某個(gè)零件進(jìn)行放樣和加工，不論是對(duì)板材折邊，一定角度彎曲還是一定曲面弧度彎曲，都可以通過(guò)V形彎曲來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)單臂式液壓機(jī)工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適合實(shí)訓(xùn)室的折彎模具，其工作原理為：將上、下模分別固定于機(jī)床的上、下工作臺(tái)，利用液壓傳輸驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合上、下模的形狀，對(duì)板材進(jìn)行沖壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的折彎成形。

2.2 折彎模具設(shè)計(jì)過(guò)程

通過(guò)精確測(cè)量折床上下工作臺(tái)的尺寸，結(jié)合板材折彎需求，設(shè)計(jì)出模具上模和下模的形狀與尺寸。其中上、下模分別由兩塊鋼板組成，與機(jī)床上、下工作臺(tái)固定的部分只起固定連接的作用，因此，選取15mm厚度鋼板即可，而上、下模的主要部分為保證其強(qiáng)度，選取30mm厚度鋼板。此外，上模兩塊鋼板成T字形連接，焊上后為保證其強(qiáng)度，在左右兩側(cè)各安裝3塊肘板(如圖3所示)。考慮到經(jīng)費(fèi)以及實(shí)用性問(wèn)題，本套模具設(shè)計(jì)首先考慮板材直角折彎，因此上、下模的開(kāi)口角度預(yù)設(shè)計(jì)為90°。

但是根據(jù)彎曲的彈性變形，通常把彎曲加工的板材從模具中取出后，會(huì)出現(xiàn)被彎曲的板材形狀與尺寸變得與模具形狀和尺寸不一致的回彈現(xiàn)象。彎曲回彈是所有沖壓工序中回彈量最大且無(wú)法消除的現(xiàn)象，為使板材彎曲的精度和質(zhì)量達(dá)到要求，必須通過(guò)工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)來(lái)適當(dāng)減小。學(xué)生實(shí)訓(xùn)是以學(xué)習(xí)了解加工過(guò)程，其加工量并不大，且加工件復(fù)雜度不高，可選擇最簡(jiǎn)單直接的方法來(lái)減小彎曲回彈，也就是加反變形值的方法。若將上、下模開(kāi)口設(shè)計(jì)為90°，板材彎曲后離開(kāi)模具會(huì)產(chǎn)生正回彈，即角度會(huì)大于90°。為減小這種角度回彈，可以通過(guò)加大板材彎曲角度，即減小模具開(kāi)口角度的方法，使板材即使回彈，也能控制在90°誤差范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)實(shí)訓(xùn)教師估算和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，最終將角度設(shè)計(jì)為88°。

設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮模具與液壓機(jī)固定的方式。其中液壓機(jī)上工作臺(tái)為正方形，對(duì)角開(kāi)槽的結(jié)構(gòu)，因此上?？赏ㄟ^(guò)四個(gè)開(kāi)孔用螺母固定在上工作臺(tái)上；而下工作臺(tái)為長(zhǎng)方形，對(duì)角開(kāi)槽的結(jié)構(gòu)，且考慮到下模安裝時(shí)的方便性，采用在下模四個(gè)角開(kāi)槽用螺母加墊片固定在下工作臺(tái)上的方式固定。

圖3 折彎模具設(shè)計(jì)圖

2.3 軟件模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)可用的軟件很多，隨著 CAD/CAE/CAM 技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代注塑模具設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)者在電腦上直接建立產(chǎn)品的三維模型，根據(jù)產(chǎn)品三維模型進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。[3]常見(jiàn)的有:UG；Pro/Engineer；AutoCAD等。

為方便學(xué)生學(xué)習(xí)，可利用三維建模軟件CADDS5對(duì)模具進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。CADDS5軟件是美國(guó)PTC(Parameter Technology Cooperation)公司的產(chǎn)品。它是一種通用的機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件,具有功能齊全、真三維造型、數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)放等一系列優(yōu)點(diǎn)。該軟件造型手段豐富,尤其是曲線、曲面功能齊全，使用面非常廣泛,幾乎涉及機(jī)械設(shè)計(jì)和分析的各個(gè)領(lǐng)域,能夠滿足用戶的多種需求,如曲面造型、管系放樣、暖通工程設(shè)計(jì)、電纜布放、鈑金、數(shù)控加工、模具設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、強(qiáng)度分析、熱流場(chǎng)分析等。[4]

為充分利用資源，以及今后可能為學(xué)生《船舶建造軟件使用》課程提供的CADDS5建模原型，筆者用CADDS5對(duì)此模具進(jìn)行建模，結(jié)合之前二維圖紙修改完善模型，并對(duì)后期的模具制作過(guò)程提供指導(dǎo)。三維模型如圖4所示。其中上模的88°角形狀未在模型中體現(xiàn)，需在現(xiàn)場(chǎng)加工的時(shí)候制作。

圖4 液壓機(jī)折彎模具三維模型

3 折彎模具的制作與試用效果

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，通過(guò)三維模型指導(dǎo)制作出折彎模具(如圖5所示)。安裝過(guò)程中，為配合液壓機(jī)上折床的上下運(yùn)動(dòng)，適當(dāng)對(duì)上模與折床固定的鋼板進(jìn)行開(kāi)口，下模安裝時(shí)也注意調(diào)整位置，加墊片固定好。

圖5 折彎模具實(shí)物

為測(cè)試模具的使用效果，對(duì)模具的安裝位置進(jìn)行微調(diào)并保證今后加工裝配實(shí)訓(xùn)課程中的正常使用，筆者組織了一個(gè)小組的學(xué)生，在加工裝配實(shí)訓(xùn)當(dāng)中，利用液壓機(jī)折彎模具制作出一個(gè)“天方地圓”(上面方形開(kāi)口，下面圓形開(kāi)口)的構(gòu)件，與往屆學(xué)生手工制作的構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比。由于該構(gòu)件的制作難點(diǎn)在于從方形到圓形的過(guò)渡連接，按圖放樣后，根據(jù)線條進(jìn)行折壓彎曲，并保證彎曲的自然過(guò)渡。這個(gè)操作過(guò)程可以通過(guò)折彎模具來(lái)實(shí)施，并可以從成品中直接看到折彎質(zhì)量和效果。圖6為往屆學(xué)生用手工敲打折彎的效果，圖7為學(xué)生用模具折彎的效果。

圖6 手工敲打折彎效果

圖7 模具折彎效果

手工折彎可明顯看出折壓線，曲面過(guò)渡不自然，折痕明顯，并且線條不直；通過(guò)模具折彎后過(guò)渡自然，線性流暢，效果良好。對(duì)比結(jié)果表明，液壓機(jī)折彎模具的設(shè)計(jì)和制作成功，可正式投入船體加工裝配實(shí)訓(xùn)室教學(xué)使用。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)本模具的設(shè)計(jì)和制作，實(shí)訓(xùn)中心已有的設(shè)備工具和三維建模軟件物盡其用；在模具制作投入使用后，學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的安全性和工藝性大大提高，為實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供很大的便利，具有非常重要的作用和意義。

(2)本模具僅能對(duì)型材進(jìn)行90°折彎。雖然可以通過(guò)多段折彎達(dá)到想要的曲度，但不能進(jìn)行單純的其他角度折彎。在后續(xù)研究中，應(yīng)加大折彎模具的使用范圍，達(dá)到多用途多角度折彎的目的。

[1]談華軍.淺談模型制作在實(shí)踐教學(xué)中的作用[J].廣東科技,2011,(22):27.

[2]柯旭貴,張榮清.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012：1-2，135-136.

[3]羅小發(fā).CAD/CAE/CAM技術(shù)在模具設(shè)計(jì)制造的應(yīng)用[J].橡塑技術(shù)與裝備,2005,(8):54-60.

[4]王軍,陳寧,高霆.CADDS5與TRIBON之比較[J].江蘇船舶,2003,(1):29-31.

2015-04-08

葉 姍(1984-)，女，湖北通山人，武漢交通職業(yè)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院工程師，主要從事船舶設(shè)計(jì)教學(xué)與研究。 徐漢超(1961-)，男，江蘇淮安人，武漢交通職業(yè)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院助理工程師，主要從事船體加工裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。 吳 瓊(1965-)，女，安徽合肥人，武漢交通職業(yè)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院副教授，主要從事船舶設(shè)計(jì)教學(xué)與研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2015.02.021

TG76

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1672-9846(2015)02-0078-03