凹模圓角和倒角對U形件彎曲成形的影響

施于慶

(浙江科技學院 機械與汽車工程學院，杭州 310023)

U形彎曲凹模平面部分與直壁部分的過渡處，一般設計成圓角。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。彎曲模凹模圓角的半徑不能設計得過小，否則被彎曲板料移入凹模模腔時的彎曲阻力就會加大，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，彎曲時會使板料在凹模表面上向兩邊移動，板料定位的準確性就會受到影響。凹模兩邊的圓角半徑應一致，以免彎曲時工件產(chǎn)生偏移[2-6]。事實上，凹模圓角半徑除了影響工件產(chǎn)生偏移或彎曲阻力外，還會對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，實際上是一個非線性塑性成形的大撓度變形過程，彎曲變形進行過程中的板坯會產(chǎn)生復雜的應力和應變，成形結束后，應力和應變會產(chǎn)生殘余應力和應變，使得所設計的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]?；貜棽豢赡芡耆荒茉谝欢ǔ潭壬蠈⑵湟种?；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)品設計尺寸及形狀要求。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, 后者是預先初步估算一個回彈量，即模具設計中先加入回彈量大小來進行模具設計[12-14]。這兩種方法在生產(chǎn)中很少采用，因為效果不佳?？煽刈儔哼吜澢^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，彎曲時加載壓邊力，并且這個壓邊力是隨時間變化的，這樣起到了一個有助于改善受力的作用，不過此工藝方法要與拉彎結構彎曲模具配合或共同作用，所以使用此種方法會使彎曲成本提高[15-16]?；貜楇m然會影響沖壓件的精度或對裝配不便，但并非所有的沖壓件都要嚴格控制回彈。采用變壓邊力結構的彎曲模就要采取圓角凹模結構，對一般的大尺寸的回彈控制要求不高的彎曲件，如皮帶機側板，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。相對而言,大尺寸的U形件一般多會用拼接分塊凹模結構，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45°倒角的分塊凹模結構，磨削的工作遠比圓角簡單,加工很方便。并且,采用有限元分析45°倒角和圓角凹模結構，壓制后產(chǎn)生的回彈差異不大。45°倒角凹模結構對大尺寸的回彈控制要求不高的彎曲件更實用，設計制造成本更低,生產(chǎn)加工模具周期更短。本研究通過模擬彎曲成形，比較彎曲件的應力應變大小來確定圓角凹模與倒角凹模的差異，以期為彎曲模設計提供可靠的依據(jù)。

1 U形件彎曲時受力分析

圖1 U形件彎曲時毛坯受力情況 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, 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點處會產(chǎn)生支反力，這個支反力就與這個外力構成了彎曲力矩。這樣，彎曲時，在這個彎曲力矩發(fā)生作用的情況下，板坯就會在受力不斷進行的過程中產(chǎn)生比較大的塑性變形；也即彎曲變形進行或發(fā)生時，當彎曲模具的凸模逐漸往下進入彎曲模具凹模時，隨著深度加大，彎曲模具的凹模圓角半徑支撐點B的位置就會發(fā)生變化或移動，同時彎曲坯料的彎曲半徑也在發(fā)生變化。其突出的特點表現(xiàn)在支撐點距離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，這個彎曲力矩當然也在增加。而當彎曲板坯的彎曲半徑變化達到某個確定的值時，板料在彎曲模具中的凸模圓角半徑處也開始塑性變形，其結果就是板坯彎曲變形，變成與所設計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處對板料施加反作用力，由于是圓角，因此這個反作用力是變化的，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,那么帶圓角的凹模(凹模材料一般取45號鋼)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。這對如汽車縱梁一類的彎曲件的裝配是很不利的。因為汽車縱梁一類的彎曲件有側面孔，側面孔與彎曲件底部還有裝配尺寸要求。皮帶機側板雖然沿軸線尺寸也大，但沒有側面孔，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果，比較此時的應力和應變狀態(tài)，如果應力和應變大，則退出凹模模腔后發(fā)生殘余應力和應變也大，而殘余應力和應變大，則得到回彈也大。U形件彎曲成形后的應力云圖、應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

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

3 結 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計成圓角，也可設計成倒角凹模。對于尺寸比較大的U形彎曲件，當彎曲件精度要求比較高時，采用圓角合適，但加工圓角成本高，加工相對困難一些；而當彎曲件精度要求不高、回彈控制不太嚴格時，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。

[1] 賀廣零，羅文波，盧晉福，等．寬板彎曲成形過程中的板厚變化規(guī)律[J].塑性工程學報，2006，13(6):48.

[2] 施于慶.沖壓工藝及模具設計[M].杭州：浙江大學出版社，2012:144.

[3] 王桂英.沖壓工藝與模具設計[M].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2010:122.

[4] 余健，高志海.U形支承件彎曲模設計[J].模具工業(yè)，2016，42(3):3.

[5] 金龍建,劉美玲,金龍周,等.L形支架彎曲模設計[J].模具工業(yè),2015,41(9):13.

[6] 余健,葉偉東.帶內(nèi)孔翻孔的凸字形零件彎曲模設計[J].模具工業(yè),2016,42(4):29.

[7] 李亨,夏沖沖,趙運運,等.工藝參數(shù)與模具參數(shù)對大型厚板彎曲件彎曲角度的影響[J].模具工業(yè),2015,41(7):14.

[8] 李堯.金屬塑性成形原理[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2013:143.

[9] 嚴仁軍,李雙印,王呈方.船體中厚板冷壓成形的回彈模擬[J].塑性工程學報,2011,18(4):54.

[10] 谷瑞杰,楊合,詹梅，等.彎曲成形回彈研究進展[J].機械科學與技術,2005,24(6):653.

[11] 劉金武,賀永祥.理想彈塑性材料彎曲回彈分析及回彈彎矩計算[J].金屬成形工藝,2001,19(3):22.

[12] 施于慶.抑制汽車縱梁彎曲回彈的彎曲模改進設計[J].浙江科技學院學報,2014,26(6):405.

[13] 韓雄偉，李欣星，陳祖紅.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的鋁合金板料彎曲回彈的研究[J].模具工業(yè),2011,37(9):22.

[14] 張先進,張迎年,王克文,等.高精度內(nèi)側式彎曲模設計[J].模具工業(yè),2016,42(7):33.

[15] 陳磊,楊繼昌,陳煒,等.變壓邊力方式對板料U形回彈影響的有限元模擬[J].塑性工程學報,2005,12(5):12.

[16] 吳斌，單云.分塊式壓邊圈盒形件成形數(shù)值模擬研究[J]. 鍛壓技術，2015，40(9):139.