汽車制動(dòng)蹄翼板回彈控制與模具結(jié)構(gòu)研究

熊文偉，湯志國(guó)

（1. 湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410151；2. 中聯(lián)重科車橋有限公司，津市 415400）

0 引言

制動(dòng)蹄是汽車制動(dòng)器上的重要保安零件，一般為鑄件和焊接件兩種形式。由于鑄件存在許多缺陷，如氣孔、夾砂、冷隔、縮孔、裂紋等，且生產(chǎn)成本較高，所以目前制動(dòng)蹄常采用板料沖壓、彎曲，然后焊接成形等結(jié)構(gòu)。它由制動(dòng)蹄翼板、幅板、摩擦片等主要零件構(gòu)成。在汽車行車制動(dòng)過程中，液壓系統(tǒng)內(nèi)建立高壓液體，此高壓液體推動(dòng)制動(dòng)輪缸中兩個(gè)活塞向外張開，使緊靠于制動(dòng)輪缸的制動(dòng)蹄端向兩邊分開，消除制動(dòng)鼓與摩擦片間的預(yù)留間隙，從而貼于制動(dòng)鼓的內(nèi)圓面上，達(dá)到制動(dòng)的目的。但制動(dòng)蹄翼板在沖壓、彎曲成形和焊接的過程中，易產(chǎn)生彎曲回彈和焊接變形回彈，從而使零件的實(shí)際形狀和尺寸與設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生差別，影響制動(dòng)效果。為了保證質(zhì)量，減少回彈，本文對(duì)制動(dòng)蹄翼板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝性進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生回彈的原因及影響因素，探討減少回彈的對(duì)策，并設(shè)計(jì)出合理有效的彎曲模具，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)行之有效，使彎曲回彈和焊接變形回彈現(xiàn)象得到了有效控制，為類似彎曲零件沖壓成型提供了設(shè)計(jì)參考。

1 零件結(jié)構(gòu)及工藝分析

圖1所示零件為我校企合作開發(fā)的某汽車后制動(dòng)蹄翼板零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，材料為 16Mn，板厚5mm，彎曲內(nèi)半徑為R136，零件的生產(chǎn)批量很大，主要彎曲形狀是半圓形件。

該零件在常溫下成形，其工藝過程為：下料——落料沖孔（螺紋底孔、定位孔）——彎曲——酸洗——焊接。在彎曲成形過程中要求零件表面平滑，不允許有皺紋、劃傷、拉毛等表面缺陷，同時(shí)該成形零件必須具有足夠的剛性和尺寸穩(wěn)定性。彎曲時(shí)，由于材料產(chǎn)生的并不完全是塑性變形，其彎曲部位還存在著彈性變形，所以當(dāng)載荷去除后，零件就會(huì)產(chǎn)生回彈?；貜椀慕Y(jié)果表現(xiàn)在彎曲曲率和角度的變化，這種變化使得工件彎曲后的實(shí)際形狀和尺寸與設(shè)計(jì)要求有了差別。另外，后制動(dòng)蹄翼板在焊接后沿母線方向?qū)?huì)產(chǎn)生焊接變形，形狀由“—”變?yōu)椤?”，出現(xiàn)焊接變形回彈。這些都是影響制動(dòng)蹄產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，必須探討消除彎曲回彈和焊接變形回彈的有效辦法。

圖1 后制動(dòng)蹄翼結(jié)構(gòu)示意圖

2 影響彎曲件回彈原因分析及對(duì)策

產(chǎn)生回彈的主要原因是因工藝方法不當(dāng)或模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理導(dǎo)致零件變形區(qū)的材料塑性變形不足，進(jìn)而產(chǎn)生彈性回彈。要克服回彈，則可通過采用合理的工藝方法來改善板材在成形過程中的應(yīng)力狀態(tài)，還可通過設(shè)計(jì)模具時(shí)選用合理的回彈角、回彈半徑和模具間隙等工藝參數(shù)來解決。

2.1 影響彎曲回彈因素

1）材料的力學(xué)性能。工件的回彈量與材料屈服點(diǎn)σb成正比，與彈性模量E成反比，還與板厚各向異性r、材料的強(qiáng)化系數(shù)F值和材料的應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n值等有關(guān)。

2）材料的相對(duì)彎曲半徑R/t （R為彎曲件內(nèi)半徑，t為彎曲件厚度）。在同等條件下，R/t值越小，回彈量就越小。

3）彎曲角的影響。一般來說，彎曲角越大，卸載后回彈量也越大，U形件的回彈量比V形件大。

4）模具間隙。凸、凹模之間的間隙越小，回彈量越小。

5）校正力。增加彎曲校正力可以減小回彈量。6）軸向張力也對(duì)彎曲回彈產(chǎn)生影響。

7）弧形焊件在焊接熱源的作用下，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和變形，形成焊接變形回彈。

2.2 減小彎曲回彈對(duì)策

回彈問題是一個(gè)復(fù)雜的問題，由于影響零件回彈量的因素很多，且諸多因素相互影響、相互制約，所以理論上計(jì)算彎曲件的回彈值是比較困難的，必須建立理論分析與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

傳統(tǒng)的方法是在設(shè)計(jì)模具時(shí)，先按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或資料中的圖表來選用，等模具制造出來后經(jīng)過試沖，再對(duì)模具凸、凹模部分進(jìn)行修正獲得。對(duì)于本零件來說，工件的彎曲率半徑和材料的厚度的比值較大，即相對(duì)彎曲半徑較大，若按工件的形狀加工凸、凹模，壓出的工件回彈量會(huì)很大，所以設(shè)計(jì)凸、凹模時(shí)必須設(shè)法消除回彈因素。

采用的對(duì)策：

1）先是理論估算回彈量大小，進(jìn)行“補(bǔ)償彎曲”。

2）改變彎曲時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)行校正彎曲。在設(shè)計(jì)彎曲模具時(shí)，可考慮通過改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，使校正力作用于彎曲零件的轉(zhuǎn)彎處，達(dá)到消除回彈的目的。

3）調(diào)整凸、凹模之間間隙到最小。凸、凹模之間間隙的恰當(dāng)與否將直接影響彎曲件的質(zhì)量，若調(diào)整不當(dāng)，間隙大的一側(cè)，彎曲時(shí)拉應(yīng)力小于間隙小的一側(cè)，回彈量將大于間隙小得一側(cè)。凸、凹模之間間隙越小，零件的回彈量將越小。

4）適當(dāng)加入潤(rùn)滑油減少摩擦，也可減少回彈量。

2.3 防止焊接變形回彈的措施

1）用反變形法防止焊接變形，首先將焊件向焊接變形相反的方向進(jìn)行人為的變形，以達(dá)到與焊接變形相抵消的目的。

2）選擇合理的裝配和焊接順序，防止焊接變形。

3）用剛性固定法防止焊接變形。

4）用散熱法防止焊接變形。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 凸模的設(shè)計(jì)

針對(duì)減少回彈的原因及對(duì)策，在設(shè)計(jì)凸、凹模具時(shí)應(yīng)綜合考慮零件的回彈因素，一般當(dāng)彎曲工件的圓角半徑R＜（5～8）t時(shí)，工件的彎曲半徑一般變化不大，這時(shí)只需要考慮彎曲角度的回彈，回彈的角度一般通過查有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值獲得；當(dāng)彎曲工件的圓角半徑R≥（5～8）t時(shí)，可利用下面的公式計(jì)算回彈補(bǔ)償時(shí)所需彎曲凸模的圓角半徑。本零件的主要彎曲形狀是圓弧，其彎曲曲率半徑遠(yuǎn)大于8t，故決定采用補(bǔ)償法對(duì)彎曲半徑進(jìn)行修正，以消除回彈。

式中：R——彎曲件圓弧半徑（mm）

σs——材料的屈服強(qiáng)度（MPa）

E——彈性模量

t——材料的厚度 （mm）

對(duì)于16Mn鋼，查有關(guān)資料可知，材料的屈服強(qiáng)度σs＝345Mp，彈性模量＝211000Mpa，代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：

考慮到后制動(dòng)蹄翼板焊接后沿母線方向?qū)?huì)產(chǎn)生焊接變形，為減少焊接變形，設(shè)計(jì)凸模時(shí)，沿母線方向的截面形狀設(shè)計(jì)為“ ”形，尺寸由工藝試驗(yàn)定。因零件圖上的尺寸是標(biāo)注在內(nèi)形上的，所以設(shè)計(jì)凸模時(shí)，凸模壓形面的尺寸應(yīng)按計(jì)算出來的修正值來設(shè)計(jì)，本凸模按修正值設(shè)計(jì)的彎曲半徑R＝120mm，截面“ ”形高度差為1.5mm，凸模簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.2 凹模的設(shè)計(jì)

考慮到凹模的加工工藝性，設(shè)計(jì)凹模由三件鑲塊組合而成，即凹模左右塊和頂料塊，組合形狀側(cè)面為“ ”形，中間為頂料塊，三者由框形板固定，拼合圖如圖3所示。頂料塊在設(shè)計(jì)時(shí)既要保證在零件成形過程中與凸模一道將工件至始至終夾持住，防止壓形時(shí)工件跑料；又要考慮其與凹模的組合方式，達(dá)到成形后工件上不壓出接縫處的壓痕的效果。

圖2 凸模簡(jiǎn)圖

4 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

該模具的結(jié)構(gòu)如圖3所示。下模是由導(dǎo)柱2、定位板3、下模板5、定位銷6、固定板7、凹模頂料塊9、凹模左右塊10等組成；上模是由導(dǎo)套1、上模板4、凸模8等組成。

模具的工作過程：后制動(dòng)蹄翼板在彎曲時(shí)將坯料放在定位塊與定位銷上定位，上模在下行時(shí)，在凸模的作用下，零件被彎成“ ”形，上模到達(dá)下死點(diǎn)，保壓一段時(shí)間后，上模開始回升，直到上死點(diǎn)。

圖3 模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

5 使用效果

該模具在調(diào)試過程發(fā)現(xiàn)成形后，還存在少量回彈現(xiàn)象，內(nèi)圓弧半徑R120尺寸偏小，經(jīng)過多次修模、試模、校形，并完善圖紙，最終解決這一彎曲回彈問題。試壓出的工件形狀、尺寸基本符合要求，加工出來的制件能滿足零件的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已在企業(yè)加工出大批量合格零件。

6 結(jié)束語

由于回彈是影響彎曲工藝質(zhì)量最常見的因素之一，也是彎曲工藝中的技術(shù)難點(diǎn)問題。回彈問題的存在，除造成零件成形精度差之外，也還造成試模、修模工作量和成形后的校形工作量。所以如何使零件彎曲回彈現(xiàn)象得到有效控制，加工出合格制品，是我們研究者和設(shè)計(jì)者共同探討的問題。該彎曲模具的設(shè)計(jì)與使用，是我校推行的生產(chǎn)性實(shí)踐教學(xué)精細(xì)化管理模式中“校企合作”共同研發(fā)新產(chǎn)品、改進(jìn)新工藝的一次成功嘗試，具有十分重要的教學(xué)與生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

[1] 孫建亭, 高軍, 高田玉. 基于模糊聚類的彎曲回彈分析[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2010, (03): 84-04.

[2] 劉斌, 柳瑞清. V形件彎曲回彈問題分析與研究[J]. 南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, (02): 0146-05.

[3] 陳劍鶴.模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[4] 沖模設(shè)計(jì)編寫組. 沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[5] 王孝培. 實(shí)用沖壓手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.