施于慶

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

U形彎曲凹模平面部分與直壁部分的過渡處，一般設(shè)計(jì)成圓角。在沖壓生產(chǎn)中，大多為寬板彎曲[1]，凹模圓角半徑與被彎曲的板料厚度有關(guān)。彎曲模凹模圓角的半徑不能設(shè)計(jì)得過小，否則被彎曲板料移入凹模模腔時(shí)的彎曲阻力就會(huì)加大，可能在被彎曲板料、半成品或工件表面上出現(xiàn)因摩擦過大而產(chǎn)生的擦傷甚至壓痕。但是凹模圓角半徑也不能取得過大，否則，彎曲時(shí)會(huì)使板料在凹模表面上向兩邊移動(dòng)，板料定位的準(zhǔn)確性就會(huì)受到影響。凹模兩邊的圓角半徑應(yīng)一致，以免彎曲時(shí)工件產(chǎn)生偏移[2-6]。事實(shí)上，凹模圓角半徑除了影響工件產(chǎn)生偏移或彎曲阻力外，還會(huì)對(duì)彎曲后工件的回彈產(chǎn)生一定的影響。使板坯彎曲成形后變成U形工件，實(shí)際上是一個(gè)非線性塑性成形的大撓度變形過程，彎曲變形進(jìn)行過程中的板坯會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變，成形結(jié)束后，應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和應(yīng)變，使得所設(shè)計(jì)的U形件與模具不一致，即回彈?；貜検前辶蠌澢尚伪容^難解決的問題之一[7-11]。回彈不可能完全消除，只能在一定程度上將其抑制；或者能將彎曲變形后產(chǎn)生的回彈控制在一定范圍內(nèi)，以滿足初始彎曲件產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸及形狀要求。一般控制回彈或者減小回彈主要采用修正法和補(bǔ)償法。前者通過減少板料與模具的接觸面積來減小回彈, 后者是預(yù)先初步估算一個(gè)回彈量，即模具設(shè)計(jì)中先加入回彈量大小來進(jìn)行模具設(shè)計(jì)[12-14]。這兩種方法在生產(chǎn)中很少采用，因?yàn)樾Ч患?。可控變壓邊力彎曲過程與一般彎曲過程有所不同，其工藝方法就是在彎曲變形的過程中，在凹模平面增加壓邊圈，彎曲時(shí)加載壓邊力，并且這個(gè)壓邊力是隨時(shí)間變化的，這樣起到了一個(gè)有助于改善受力的作用，不過此工藝方法要與拉彎結(jié)構(gòu)彎曲模具配合或共同作用，所以使用此種方法會(huì)使彎曲成本提高[15-16]?；貜楇m然會(huì)影響沖壓件的精度或?qū)ρb配不便，但并非所有的沖壓件都要嚴(yán)格控制回彈。采用變壓邊力結(jié)構(gòu)的彎曲模就要采取圓角凹模結(jié)構(gòu)，對(duì)一般的大尺寸的回彈控制要求不高的彎曲件，如皮帶機(jī)側(cè)板，就沒有必要采用變壓邊力控制彎曲成形或圓角凹模，用45°倒角的凹模就可成形。相對(duì)而言,大尺寸的U形件一般多會(huì)用拼接分塊凹模結(jié)構(gòu)，這樣在安裝后圓角就要手工磨削，工作量大、精度不高，回彈可能更甚。而對(duì)45°倒角的分塊凹模結(jié)構(gòu)，磨削的工作遠(yuǎn)比圓角簡(jiǎn)單,加工很方便。并且,采用有限元分析45°倒角和圓角凹模結(jié)構(gòu)，壓制后產(chǎn)生的回彈差異不大。45°倒角凹模結(jié)構(gòu)對(duì)大尺寸的回彈控制要求不高的彎曲件更實(shí)用，設(shè)計(jì)制造成本更低,生產(chǎn)加工模具周期更短。本研究通過模擬彎曲成形，比較彎曲件的應(yīng)力應(yīng)變大小來確定圓角凹模與倒角凹模的差異，以期為彎曲模設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

1 U形件彎曲時(shí)受力分析

圖1 U形件彎曲時(shí)毛坯受力情況 Fig.1 Sheet metal loading of U-shaped workpiece in bending forming

將板坯彎曲變形并壓制成U形工件屬于比較基本的彎曲變形形式之一，如圖1所示是U形件在板料逐漸彎曲變形過程中的受力情況分析。在彎曲模具中，板料彎曲開始時(shí), 彎曲模具中的凸模和凹模分別在A處與B處相互接觸。板料彎曲首先在板料A處，彎曲模具的凸模加載的彎曲力在彎曲模具的凹模圓角半徑支撐B點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生支反力，這個(gè)支反力就與這個(gè)外力構(gòu)成了彎曲力矩。這樣，彎曲時(shí)，在這個(gè)彎曲力矩發(fā)生作用的情況下，板坯就會(huì)在受力不斷進(jìn)行的過程中產(chǎn)生比較大的塑性變形；也即彎曲變形進(jìn)行或發(fā)生時(shí)，當(dāng)彎曲模具的凸模逐漸往下進(jìn)入彎曲模具凹模時(shí)，隨著深度加大，彎曲模具的凹模圓角半徑支撐點(diǎn)B的位置就會(huì)發(fā)生變化或移動(dòng)，同時(shí)彎曲坯料的彎曲半徑也在發(fā)生變化。其突出的特點(diǎn)表現(xiàn)在支撐點(diǎn)距離L和板料的彎曲半徑逐漸減小，在彎曲力逐漸或不斷增大的同時(shí)，這個(gè)彎曲力矩當(dāng)然也在增加。而當(dāng)彎曲板坯的彎曲半徑變化達(dá)到某個(gè)確定的值時(shí)，板料在彎曲模具中的凸模圓角半徑處也開始塑性變形，其結(jié)果就是板坯彎曲變形，變成與所設(shè)計(jì)的彎曲凸模形狀和尺寸基本相同的半成品或彎曲件。凹模在B處對(duì)板料施加反作用力，由于是圓角，因此這個(gè)反作用力是變化的，但不影響毛坯彎曲半徑r發(fā)生彎化。如果彎曲件沿圓角軸線方向很長(zhǎng),那么帶圓角的凹模(凹模材料一般取45號(hào)鋼)不可能做成整體，而要分塊加工，安裝后成整體，圓角處還要整體打磨。但圓角軸線方向很難做到圓角半徑一樣大或一致。彎曲后工件的回彈還可能在軸線方向不一致。這對(duì)如汽車縱梁一類的彎曲件的裝配是很不利的。因?yàn)槠嚳v梁一類的彎曲件有側(cè)面孔，側(cè)面孔與彎曲件底部還有裝配尺寸要求。皮帶機(jī)側(cè)板雖然沿軸線尺寸也大，但沒有側(cè)面孔，一般與汽車縱梁取相同的板材16MnL，因此就沒有必要用圓角凹模，可在凹模B處采用45°倒角，分塊加工安裝后成整體，倒角處是平面打磨的,加工方便，制造容易,周期也短。

2 圓角和倒角凹模U形件彎曲的有限元模擬

U形件彎曲的圓角凹模和倒角凹模如圖2所示。設(shè)U形件參數(shù)：兩翼邊之距離和高度分別為100、60 mm，板厚8 mm；彎曲坯料為16MnL。16 MnL的材料特性為：材料彈性模量E，206 GPa； 泊松比ν，0.29；屈服極限σs，355 MPa。凸模與凹模圓角半徑相同，取R=12 mm,倒角凹模的倒角取12×45°，單元類型solid164；板坯單元數(shù)8 000；凸、凹模間隙取10 mm。倒角凹模和圓角凹模2種情況彎曲成形模擬后，都將U形件留在凹模模腔中的位置作為觀察結(jié)果，比較此時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，如果應(yīng)力和應(yīng)變大，則退出凹模模腔后發(fā)生殘余應(yīng)力和應(yīng)變也大，而殘余應(yīng)力和應(yīng)變大，則得到回彈也大。U形件彎曲成形后的應(yīng)力云圖、應(yīng)變圖及翼邊角度如圖3～5所示。

圖2 圓角凹模和倒角凹模Fig.2 Die fillet and chamfer

圖3 U形件彎曲成形后的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of U-shaped workpiece after bending forming

圖4 U形件彎曲成形后的應(yīng)變圖Fig.4 Strain nephogram of U-shaped workpiece after bending forming

圖5 U形件彎曲成形后的翼邊角度Fig.5 Wing angle of U-shaped workpiece after bending forming

從模擬結(jié)果可以看出：圓角凹模與倒角凹模在工件圓角處對(duì)回彈影響最大的應(yīng)力分別是483.7、490 MPa，兩者之差為6.3 MPa,只占16 MnL的屈服強(qiáng)度σs的18%,是很小的；應(yīng)變同樣相差不大，兩者之差0.018；而成形后翼邊角度是相同的，均是2°。

3 結(jié) 論

將U形彎曲凹模平面部分的板料拉入模腔變成直壁部分的過渡處可設(shè)計(jì)成圓角，也可設(shè)計(jì)成倒角凹模。對(duì)于尺寸比較大的U形彎曲件，當(dāng)彎曲件精度要求比較高時(shí)，采用圓角合適，但加工圓角成本高，加工相對(duì)困難一些；而當(dāng)彎曲件精度要求不高、回彈控制不太嚴(yán)格時(shí)，采用倒角合適，采用倒角凹模加工比較容易, 加工周期短，成本較低。

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