林安潔，章盼梅，盧和宇，潘家慶，張森

（廣州城市理工學(xué)院機械工程學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

隨著現(xiàn)代工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)的折彎模具已經(jīng)無法滿足如今的加工需求。傳統(tǒng)的折彎模具很容易對工件表面造成損害（如圖1），因為制造的產(chǎn)品與折彎模塊之間為相對滑動摩擦，所以會使工件與模具接觸的表面產(chǎn)生一條明顯的痕跡。這不僅降低產(chǎn)品的價值和表面質(zhì)量、損傷產(chǎn)品與模具、降低它們的使用壽命，而且會影響產(chǎn)品的美觀度。為了消除傳統(tǒng)折彎時所帶來的痕跡，可從降低摩擦副中的壓力、減少板料與凹模V形槽之間的摩擦因數(shù)及利用支點轉(zhuǎn)動這3個方面進行改進[1-2]，實現(xiàn)產(chǎn)品的無痕折彎。本文將利用以上3個方面來實現(xiàn)模具的無痕折彎，使用滾軸槽結(jié)構(gòu)來改變板料與凹模之間的摩擦因數(shù)。通過對開口的調(diào)節(jié)[3]方式進一步創(chuàng)新，改進為利用滾珠絲杠[4]與由單片機編程控制的電動機導(dǎo)軌相結(jié)合，使折彎無痕并且凹模能夠左右移動，調(diào)節(jié)開口的大小，實現(xiàn)多種類型產(chǎn)品的多種角度的折彎。

圖1 傳統(tǒng)折彎模具的工作原理

1 開口可調(diào)的無痕V形折彎凹模工作原理

凹模的結(jié)構(gòu)包括2塊橫截面呈梯形的V形模塊、固定在兩側(cè)的電動機、連接模塊與電動機的導(dǎo)軌及長方體狀工作臺。V形模塊主要通過限位機構(gòu)固定在工作臺上，并且由滾珠絲桿的一端固定，由單片機編程控制兩相步進電動機進行調(diào)節(jié)其位置，精準(zhǔn)控制模塊橫向移動的距離。模塊上表面內(nèi)側(cè)開有半圓形的滾軸槽，滾軸槽外側(cè)開有壓板槽。滾軸槽和壓板槽內(nèi)分別安裝有圓柱形滾軸和軸端擋板，軸端擋板與滾軸的接觸面是和滾軸相適應(yīng)的弧面。利用支點轉(zhuǎn)動的原理：通過模塊上滾軸的滾動帶動產(chǎn)品的移動，從而實現(xiàn)零件的無痕折彎。改進后的開口可調(diào)的無痕折彎模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 開口可調(diào)的無痕折彎模具結(jié)構(gòu)圖

2 凹模主要零件結(jié)構(gòu)特點

將傳統(tǒng)V形折彎模具中凹模V形槽兩側(cè)的傾斜面改為滾軸槽結(jié)構(gòu)，并增加軸端擋板對滾軸進行固定。在凸模下壓板料的過程中，借助凸模對板料施加壓力，使凹模兩側(cè)的滾軸向內(nèi)滾動，從而使板料折彎成形。這種工況下板料與模具之間為滾動摩擦，折彎工件的板料與凹模沒有產(chǎn)生明顯的局部滑動摩擦，而是緊貼著滾軸向凸模的聚攏。這樣消除了工件表面由于受擠壓而產(chǎn)生的痕跡，實現(xiàn)無痕折彎[5]，提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。

對于不同型號工件的不同角度的折彎，將已改為滾軸槽結(jié)構(gòu)的凹模，分為左右均勻的2個模塊。在此基礎(chǔ)上，增加導(dǎo)軌及由兩相步進電動機控制的滾珠絲桿。由于左右兩側(cè)的滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)方向不同，所以在兩側(cè)安裝2個兩相步進電動機。通過單片機編程控制兩相步進電動機的啟動，帶動滾珠絲杠的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。以此控制左右2個模塊移動的距離，提高模具定位的精確性[6]。通過調(diào)節(jié)模塊開口的大小，控制產(chǎn)品所需折彎角度的大小。

運用SolidWorks軟件建立改進后的開口可調(diào)的無痕折彎模具如圖3所示。

圖3 開口可調(diào)的無痕折彎模具凹模三維圖

2.1 模塊

將傳統(tǒng)無痕折彎模具的凹模部分均分為左右2個模塊，使得凹模開口可調(diào)成為可能，并且表面內(nèi)側(cè)開有半圓形的滾軸槽。滾軸槽外側(cè)開有壓板槽，滾軸槽和壓板槽內(nèi)分別安裝有圓柱形滾軸和軸端擋板，使得工件與模具的相對摩擦為滾動摩擦。軸端擋板能在一定程度上保持滾軸的正常滾動，配合相應(yīng)的擰緊螺釘阻擋軸端擋板向上的力。改進后的模塊能最大程度減少產(chǎn)品與模具之間的損傷，保證折彎工件無壓痕。

由于滾軸轉(zhuǎn)動時會與滾軸槽及板料產(chǎn)生一定的摩擦，因此需要在滾軸與滾軸槽之間添加適量的潤滑劑，避免造成滾軸滑痕，并且需要定期進行潤滑劑的添加。由于折彎模具工作時一般為中低速，所以本次模型添加的潤滑劑為脂潤滑。脂潤滑密封性能好、密封條件較為簡單、可使用的時間較長、維修方便且油膜的強度較高[7]。在軸端擋板中間增加一個長條形的儲存空間，并與滾軸接觸的地方相通，將脂潤滑置于其中。當(dāng)滾軸開始滾動時，便帶動滾軸上的潤滑劑一起運動，使得滾軸與滾軸槽及板料之間均有潤滑劑加以潤滑。

為確保滾軸與板料之間能產(chǎn)生相對滑動，需對滾軸突出V形模具的距離進行測算。由于常用鈑金材料的厚度一般在0.4 mm以上，其所需受到的滾軸的支撐力不宜過大，否則容易產(chǎn)生印痕。本次模型以一般的鈑金材料厚度為例，為使?jié)L軸的滾動效果達到較佳的狀態(tài)，滾軸突出V形模具的距離為滾軸半徑的1/4～1/3較為合適。

2.2 電動機導(dǎo)軌

在凹模加裝導(dǎo)軌，使凹?？上蜃笥易杂梢苿?，并在導(dǎo)軌的兩側(cè)分別加上2個電動機與兩邊的導(dǎo)軌相連。通過運用單片機設(shè)定一定的參數(shù)，控制左右兩邊電動機的啟動，帶動滾珠絲杠的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。讓模塊可以相對滑動的同時，實現(xiàn)凹模左右移動后的精確定位，確保調(diào)節(jié)后開口大小的精確度，從而使產(chǎn)品所需的折彎角度達到要求。

步進電動機的控制方法有兩種:1）采用能產(chǎn)生周期性方波的邏輯控制器編程進行控制；2）使用專用的步進電動機驅(qū)動器。由于第2種電動機控制方式的價格比較昂貴，所以本次模型電動機的控制方法選擇第1種。

兩相步進電動機的控制原理：兩相步進電動機由定子和轉(zhuǎn)子所構(gòu)成，定子磁級數(shù)為4時，1個相由2個極組成。當(dāng)施加正向電壓時，若某一端產(chǎn)生S磁極，則對面一端會產(chǎn)生N磁極，并使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定位置停止下來。接著，讓另一對磁極也產(chǎn)生相同的動作使轉(zhuǎn)子運動。然后改變?yōu)槭┘臃聪螂妷?，同理使轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)動，完成一個旋轉(zhuǎn)周期，重復(fù)不間斷地進行周期運動便可使步進電動機旋轉(zhuǎn)起來。若是逆序進行上述運動，便可以使電動機產(chǎn)生反轉(zhuǎn)。兩相步進電動機產(chǎn)生雙極性驅(qū)動時，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使得轉(zhuǎn)子跟隨一起轉(zhuǎn)動。由于滾珠絲杠與兩相步進電動機相連，于是便跟隨電動機中的轉(zhuǎn)子進行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而帶動模塊的左右移動[8]。

兩相步進電動機的接線方式：本次模型采用的是四線的兩相步進電動機，驅(qū)動器按照電動機的標(biāo)稱電流設(shè)定，采用全橋輸出的四線接法。這樣能使得電動機的效率最高，以及輸出的轉(zhuǎn)矩能夠達到最大值。

2.3 滾珠絲杠

在導(dǎo)軌與模塊的連接中，增加滾珠絲杠。不僅能提高傳動效率，還能減少摩擦損害。滾珠絲杠副由絲杠軸、絲杠螺母及它們之間的滾珠共同組成。由于其利用滾珠產(chǎn)生的運動,需要的啟動力矩很小，所以模塊的運動能得到較高的效率和精度。本文改進的模具還與電動機相結(jié)合，更能保證實現(xiàn)精準(zhǔn)的進給量和較合適的軸向剛度。

3 凹模的創(chuàng)新點

對比傳統(tǒng)的V形折彎模具，本次改進的模具，改變了以往模具中凹模的固定模式，對其進行以下創(chuàng)新：1）將凹模的斜面改變?yōu)闈L軸槽結(jié)構(gòu)，使得模具與產(chǎn)品之間的相對摩擦由滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦，最大程度上減少滑動摩擦所帶來的折痕或刮痕，實現(xiàn)無痕產(chǎn)品的制造；2）將凹模平均分為等同的左右兩部分模塊，斜面并增加導(dǎo)軌實現(xiàn)其橫向可自由移動，調(diào)節(jié)開口的大小，從而控制折彎的角度；3）增加由單片機編程控制的兩相步進電動機，帶動所連接的滾珠絲桿進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)其凹模移動后的精準(zhǔn)定位，這種形式改變了傳統(tǒng)的人工測量及激光筆等工具測距，使得模具更加自動化和智能化；4）模具的改進與創(chuàng)新，不僅擴大模具加工工件的范圍，增強其通用性，而且提高生產(chǎn)效率和使用率。

4 模具的使用

將圖3中的凹模固定于工作臺上，運用51單片機接兩相步進電動機驅(qū)動器來調(diào)節(jié)電動機的參數(shù)，選定所需折彎角度的相關(guān)參數(shù)設(shè)定。開啟電源接通電動機，通過電動機帶動滾珠絲杠的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，使2個模塊分別向左右開始移動。當(dāng)達到參數(shù)設(shè)定的位置時自動停止，并固定于停止的位置。將板料置于凹模上，啟動凸模向下移動，對板料施加一定的壓力。板料與凹模上的滾軸發(fā)生相對滾動，板料向下移動，完成所需角度的無痕折彎。

5 結(jié)語

本次改進創(chuàng)新的模具從實用性、經(jīng)濟性和廣泛性3個角度出發(fā)，將傳統(tǒng)的V形折彎模具改進為由兩相步進電動機控制的開口可調(diào)的無痕折彎模具。不僅能保證產(chǎn)品的外觀和性能的完整，擴大加工工件的范圍，還能實現(xiàn)一個模具適用于多種產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，提高模具的利用率和生產(chǎn)效率。