黃彪

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

鈑金折彎是機(jī)械制加工常見(jiàn)的加工工序，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、船舶、工程機(jī)械等各大領(lǐng)域。鈑金折彎尺寸精度主要取決于展開(kāi)尺寸是否準(zhǔn)確，而折彎模具是影響展開(kāi)尺寸的關(guān)鍵，同一個(gè)折彎尺寸，使用不同折彎模具，有不同的展開(kāi)尺寸。因此，對(duì)成形尺寸精度要求高的企業(yè)通常會(huì)測(cè)定自己企業(yè)內(nèi)的展開(kāi)系數(shù)，根據(jù)所選用的模具，匹配不同的展開(kāi)系數(shù)進(jìn)行展開(kāi)計(jì)算。

展開(kāi)尺寸計(jì)算的方法有折彎扣除法、折彎系數(shù)法、折彎修正法。從展開(kāi)的手段來(lái)看，可使用CAD 進(jìn)行作圖放樣和計(jì)算展開(kāi)，也可使用SolidWorks、Creo、UG 等三維軟件進(jìn)行自動(dòng)展開(kāi)。與CAD 展開(kāi)計(jì)算相比，三維軟件展開(kāi)效率高且出錯(cuò)率低，尤其是對(duì)于復(fù)雜圖形的展開(kāi)。但三維軟件在實(shí)際使用過(guò)程，其默認(rèn)的展開(kāi)參數(shù)與實(shí)際的展開(kāi)尺寸相差較大，因此不能直接使用。目前介紹三維軟件進(jìn)行展開(kāi)方法的文章有不少，但結(jié)合實(shí)際工藝參數(shù)進(jìn)行應(yīng)用的文獻(xiàn)不多。本文通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定展開(kāi)系數(shù)，制定折彎工藝參數(shù)表，然后將該計(jì)算原理應(yīng)用于Creo 展開(kāi)中，來(lái)實(shí)現(xiàn)折彎零件的快速、精確展開(kāi)。

1 實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)量結(jié)果

由于不同板厚，不同材質(zhì)折彎時(shí)會(huì)選用不同的折彎模具，因此需要設(shè)計(jì)不同的模具進(jìn)行試驗(yàn)，本文選取了幾種典型的材質(zhì)和板厚進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：每種規(guī)格下料3 件，樣件尺寸為100mm×100mm×板厚T，為保證測(cè)量精度，使用激光切割下料樣件。然后根據(jù)板厚和材質(zhì)匹配相應(yīng)折彎模具，沿中間線50尺寸折彎90°，測(cè)量折彎后的外包尺寸L1、L2，同時(shí)記錄折彎模具與設(shè)備。實(shí)驗(yàn)樣件如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣件示意圖

眾所周知，在折彎過(guò)程中，沿板厚方向必有一層既不產(chǎn)生拉伸變形，也不產(chǎn)生壓縮變形的中性層，中性層位置t 與板厚T 的比值為K，也就是我們所需測(cè)定的展開(kāi)系數(shù)。圖2～圖4 分別為直角、鈍角、銳角折彎的展開(kāi)計(jì)算示意圖。

圖2 直角折彎展開(kāi)計(jì)算示意圖

圖3 鈍角折彎展開(kāi)計(jì)算示意圖

圖4 銳角折彎展開(kāi)計(jì)算示意圖

根據(jù)展開(kāi)計(jì)算方法，成形尺寸之和減去展開(kāi)料尺寸就是折彎拉伸變形的長(zhǎng)度。于是有：

式中：X 為扣除值，用游標(biāo)卡尺測(cè)量，測(cè)量三組樣件取平均值；L 為展開(kāi)長(zhǎng)度；L0 為彎曲段中性層長(zhǎng)度；L1、L2 分別為折彎后外包尺寸；K 為展開(kāi)系數(shù)；t為中性層位置；T 為板厚；R 為折彎內(nèi)徑；α 為折彎角度。

從公式（4）中可以看出，測(cè)量出扣除值X 與折彎內(nèi)徑R 值即可計(jì)算出K 值。在實(shí)際測(cè)量中，折彎內(nèi)徑R 比較難以準(zhǔn)確測(cè)量。其實(shí)R 也可以假定一個(gè)數(shù)值，同樣可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的K 值，本實(shí)驗(yàn)就直接選用板厚做為計(jì)算R 值。表1 是幾組不同材質(zhì)鋼板測(cè)定的折彎工藝參數(shù)表。

表1 不同材質(zhì)的鋼板折彎工藝參數(shù)表

本實(shí)驗(yàn)對(duì)這幾種板材測(cè)定了90°折彎的展開(kāi)系數(shù)，對(duì)于非90°折彎，也可采用同樣的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定展開(kāi)系數(shù)。但由于銳角和鈍角折彎后的外包角尺寸并不方便測(cè)量，因此，存在有一定的測(cè)量誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，若零件成形的鈍角或者銳角不多，可直接選用90°的K 值進(jìn)行展開(kāi)，成形尺寸誤差在可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)然，對(duì)于需要精確成形尺寸的，同樣也可以參照本文參數(shù)表制定不同角度的折彎工藝參數(shù)表。

特別地，考慮到折彎時(shí)頻繁更換模具不利于高效生產(chǎn)，因此通常會(huì)在企業(yè)內(nèi)針對(duì)某些材質(zhì)和板厚設(shè)定常用的折彎模具，便于模具通用化。同時(shí)，對(duì)于成形時(shí)需用到的非常用模具也應(yīng)測(cè)定展開(kāi)系數(shù)，并在工藝指導(dǎo)文件中注明使用的模具和設(shè)備。

2 K 因子在Creo 中的應(yīng)用

以材料為鋼板5/Q355B 的折彎零件為例，圖5～圖8 展示了Creo4.0 軟件使用K 因子在Creo 展開(kāi)出圖中的應(yīng)用。第一步，首先確認(rèn)模型是否為鈑金模型，否則需轉(zhuǎn)換成鈑金模型；第二步，在模型屬性中，調(diào)整模型折彎半徑為板厚（本例中選用5）；第三步，在模型屬性中取消“使用分配材料定義折彎余量參數(shù)”，然后輸入相應(yīng)的K 因子值0.414，點(diǎn)擊“確定”，返回主頁(yè)面，點(diǎn)擊“展開(kāi)”；第四步，點(diǎn)擊“快速出圖”，使用PI 標(biāo)注快速出圖，標(biāo)注出折彎線位置及折彎方向。

圖5 鈑金建模主頁(yè)面

圖6 設(shè)置折彎半徑

圖7 設(shè)置K 因子

圖8 標(biāo)注折彎線位置與方向

如圖8 所示零件的展開(kāi)圖，其成形尺寸如圖9所示，按照本文使用的展開(kāi)方法，展開(kāi)后的下料長(zhǎng)度L=333.32，根據(jù)折彎工藝參數(shù)表，選用上模圓角R3，下模V 寬36mm 的模具，按照?qǐng)D8 所示的折彎線位置和方向成形，實(shí)測(cè)成形尺寸L1=99.84，L2=150.12，L3=50.02，L4=49.78，對(duì)比圖9 所示尺寸，成形尺寸與理論尺寸相差0.3mm 以內(nèi)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本文Creo中所應(yīng)用的展開(kāi)計(jì)算方法是準(zhǔn)確的。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以在激光下料時(shí)將折彎位置打標(biāo)在工件上，方便對(duì)線折彎，同時(shí)減少操作失誤。

圖9 示例折彎件尺寸圖

3 Creo 展開(kāi)與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)K 值展開(kāi)的對(duì)比

如表2 所示為鋼鐵材料常用的經(jīng)驗(yàn)K 值。為方便對(duì)比，同樣使用鋼板5/Q355B，折彎上模圓角R3，下模V 寬36mm，折彎成形90°。折彎后用R 規(guī)測(cè)量實(shí)際折彎內(nèi)徑為4，查詢表2 可知，R/t=0.8，則取K值=0.3。根據(jù)前面推算公式可知，彎曲段中性層長(zhǎng)度L0=α/180 π（R+KT），代入得出L0=8.36，根據(jù)式（2）推算出展開(kāi)長(zhǎng)L=108.9-2×（4+5）+8.36=99.26（mm）。從上文分析可知，按照本文的計(jì)算方法，使用Creo 展開(kāi)的長(zhǎng)度是100mm?？梢钥闯?，用經(jīng)驗(yàn)K 值計(jì)算的展開(kāi)長(zhǎng)度與本文Creo 展開(kāi)方法相比約有0.7mm 的差別，若是多道折彎，成形尺寸的誤差會(huì)更大。另外，采用經(jīng)驗(yàn)K 值計(jì)算時(shí)，需使用R 規(guī)測(cè)量實(shí)際折彎半徑，這種測(cè)量結(jié)果本身也會(huì)產(chǎn)生一定誤差。因此，對(duì)于精度要求不高的零件可采用經(jīng)驗(yàn)K 值計(jì)算，但對(duì)于要求精密成形的企業(yè)則不適用。

表2 鋼鐵材料常用經(jīng)驗(yàn)K值

4 Creo 應(yīng)用過(guò)程一些注意事項(xiàng)

（1）需特別說(shuō)明的是，本實(shí)驗(yàn)方法所測(cè)定的K 值與選定的折彎內(nèi)徑R 是一一對(duì)應(yīng)的，并不一定要求是實(shí)際測(cè)量的折彎內(nèi)徑。

（2）實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，影響展開(kāi)系數(shù)的因素有很多，比如上模圓角、下模的V 寬、上下模角度等等，因此應(yīng)在工藝指導(dǎo)文件中需注明相應(yīng)K 值計(jì)算時(shí)所匹配的折彎模具和設(shè)備。

（3）該實(shí)驗(yàn)的展開(kāi)系數(shù)是在比較規(guī)整的零件上測(cè)量的，實(shí)際成形精度與原材料本身、工件結(jié)構(gòu)、設(shè)備精度、模具精度等因素均有關(guān)。

5 總結(jié)與展望

本文通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了幾種典型板材的展開(kāi)系數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于Creo 展開(kāi)計(jì)算中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維折彎零件的快速展開(kāi)，得到了精確的展開(kāi)尺寸。同時(shí)，詳細(xì)介紹了Creo 的應(yīng)用過(guò)程及注意事項(xiàng)，并與采用經(jīng)驗(yàn)K 值計(jì)算的展開(kāi)尺寸進(jìn)行了對(duì)比。按照本文的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)企業(yè)獲取精密成形工藝參數(shù)提供了一定的參考。

另外，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在使用Creo 展開(kāi)過(guò)程中需按折彎工藝參數(shù)表手動(dòng)輸入K 值，此外還需核對(duì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的折彎半徑，這一過(guò)程較為繁瑣且容易出錯(cuò)。另一方面，在實(shí)際的成形過(guò)程中，鋼板折彎后的應(yīng)力不同導(dǎo)致的回彈，也是影響成形精度的一個(gè)重要因素。因此對(duì)Creo 在精密成形中的應(yīng)用提出以下兩點(diǎn)展望。

（1）可將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的K 值與R 值的計(jì)算公式導(dǎo)入Creo 中形成參數(shù)表，根據(jù)圖紙材料和折彎半徑自動(dòng)匹配展開(kāi)系數(shù)與模具，能大大提高展開(kāi)效率，且避免出錯(cuò)，后續(xù)還可直接用于三維展開(kāi)下料。

（2）使用Creo Simulate 模塊對(duì)不同折彎半徑下的成形應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，分析在何種折彎半徑下，應(yīng)力最低，回彈最小，可用于指導(dǎo)折彎模具的設(shè)計(jì)。