復(fù)平模具的有限元分析與操作指導(dǎo)

喬根榮，黃 兵，劉 聰

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī) 械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

折彎機(jī)上的復(fù)平模具被廣泛應(yīng)用于鍛壓行業(yè)，復(fù)平模具分為復(fù)合型復(fù)平模具與專用復(fù)平模具。由于復(fù)合型復(fù)平模具可以將銳角折彎與壓邊兩個(gè)工序共用一套模具完成，不需要更換模具，故可減少輔助工時(shí)，適用于批量生產(chǎn)，但是如果操作不當(dāng)或是模具的承載力過大往往會(huì)影響到復(fù)平模具的使用壽命。

目前對(duì)于折彎機(jī)使用的復(fù)平模具的研究較少，主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文使用有限元方法［1，2］對(duì)復(fù)平模具進(jìn)行分析并對(duì)該使用方法提出改進(jìn)。

1 復(fù)平力的計(jì)算

表1為Q235 A鋼單位長度上的復(fù)平壓力。不銹鋼板復(fù)平力為表1數(shù)據(jù)的1.5倍，鋁板復(fù)平力為表1數(shù)據(jù)的0.6倍。

表1 單位長度上的復(fù)平壓力

復(fù)平壓力F（N）的計(jì)算公式為：

其中：K為復(fù)平壓力系數(shù)，半閉式為20×104N／m，全閉式為40×104N／m；δ為折彎板料的厚度，mm；L為折彎板料的長度，m。

從使用模具的安全性考慮，根據(jù)復(fù)平壓力表及復(fù)平壓力計(jì)算公式，K取40×104N／m，δ取5 mm，L值根據(jù)加工鋼板的實(shí)際長度選用。

2 研究對(duì)象

以亞威標(biāo)準(zhǔn)復(fù)平模為例，其長度L＝835×3＝2 505 mm，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)復(fù)平模

從折彎和復(fù)平的板料規(guī)格出發(fā)，可分為3種板料，分別是長度L＜835 mm，835 mm≤L＜1 670 mm，1 670 mm≤L≤2 505 mm。在實(shí)際加工中發(fā)現(xiàn)，如果操作不當(dāng)會(huì)使得模具的復(fù)位彈簧失效、導(dǎo)向定位螺釘斷裂以及導(dǎo)致復(fù)平模具損壞。

下面分別以L為500 mm，1 100 mm和1 800 mm的3種工件為例，在單位復(fù)平力40 t／m作用下，對(duì)復(fù)平模具的應(yīng)力變形情況進(jìn)行有限元分析。

3 有限元模型的建立

3.1 模型簡化

為了建立合理的有限元力學(xué)模型，在保證計(jì)算模型的幾何特性、力學(xué)特性和真實(shí)情況相近的條件下做如下簡化［3］：①為避免復(fù)平模具中復(fù)位彈簧復(fù)雜的非線性變形，將復(fù)位彈簧去掉；②為保證能有高質(zhì)量的網(wǎng)格，將模具上小圓角去除。

該模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分后共得到171 719個(gè)節(jié)點(diǎn)，87 154個(gè)單元，如圖2所示。

3.2 接觸與約束處理

如圖1所示，模具上部與下部之間在受載時(shí)都會(huì)有相對(duì)滑動(dòng)，因此在此均設(shè)為摩擦接觸。在工作臺(tái)底面的分割面上作位移約束，限制其上下的移動(dòng)。

圖2 有限元模型

3.3 載荷施加

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)復(fù)平力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于折彎力，因此在模型中加載時(shí)只考慮復(fù)平力對(duì)模具變形的影響，而力的加載位置取決于板料的放置位置，因此鋼板放置位置的不同對(duì)模具的應(yīng)力變形都會(huì)有影響。下面對(duì)L分別為500 mm，1 100 mm和1 800 mm的鋼板在模具不同位置的受力變形情況進(jìn)行有限元分析。

4 有限元分析及結(jié)果

（1）當(dāng)折彎工件長度L＝500 mm時(shí)，分別采用將工件放置于兩段下模之間的位置和將工件放置于任意一段下模的中間位置這兩種方法放置工件。

圖3、圖4給出了兩種情況經(jīng)過迭代計(jì)算后的應(yīng)力云圖。

圖3 L＝500 mm工件放置于兩段下模之間時(shí)的應(yīng)力云圖

圖4 L＝500 mm工件放置于一段下模中間位置時(shí)的應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，兩段下模接觸的位置應(yīng)力為285.4 MPa，模具上的最大應(yīng)力為347 MPa；而圖4中三段下模之間接觸位置的應(yīng)力都很小，模具上最大應(yīng)力為267 MPa。

（2）當(dāng)折彎工件長度L＝1 100 mm時(shí)，分別采用將工件放置于整副模具中間的位置和將工件放置于任意兩段下模的中間位置這兩種方法來放置工件。

圖5、圖6給出了兩種情況經(jīng)過迭代計(jì)算后的應(yīng)力云圖。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，圖5中最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩段下模接觸位置，最大應(yīng)力為373 MPa；圖6中下模之間接觸位置的應(yīng)力為278 MPa，模具上的最大應(yīng)力為332 MPa。顯然，圖5中的放置方案出現(xiàn)的應(yīng)力要比圖6中的稍大。

圖5 L＝1 100 mm工件放置于整副模具中間時(shí)的應(yīng)力云圖

（3）當(dāng)折彎工件長度L＝1 800 mm時(shí)，分別采用將工件放置于整副模具最邊上的位置和將工件放置于整副模具的中間位置這兩種方法來放置工件。

圖7、圖8給出了兩種情況經(jīng)過迭代計(jì)算以后的應(yīng)力云圖。

圖7 工件放置于整副模具最邊上時(shí)的應(yīng)力云圖

圖8 工件放置于整副模具中間時(shí)的應(yīng)力云圖

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，圖7中兩段下模接觸位置的應(yīng)力大小為361 MPa，最大應(yīng)力為371 MPa；圖8中下模之間接觸位置的應(yīng)力為302 MPa，模具上的最大應(yīng)力為360 MPa。

3種工件分別在兩種不同方案下的有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比說明：準(zhǔn)確的板料放置方法可以有效地減小模具的應(yīng)力，增加模具的使用壽命。

5 小結(jié)

本文采用有限元方法對(duì)公司標(biāo)準(zhǔn)復(fù)平模應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)操作方式的不同對(duì)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)平模的應(yīng)力分布的影響較大，長期使用會(huì)嚴(yán)重影響模具的使用壽命。因此，從以上分析得出結(jié)論：當(dāng)折彎工件長度L＜835 mm時(shí)，應(yīng)將工件放置于任意一段下模的中間位置；當(dāng)折彎工件長度在835 mm～1 670 mm時(shí)，將工件放置于任意兩段下模的中間位置；當(dāng)折彎工件長度在1 670 mm～2 505 mm時(shí)，將工件放置于整副模具的中間位置。

［1］ 浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［2］ 林道盛.鍛壓機(jī)械及其有限元計(jì)算［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2003.