關(guān)于補償回彈的沖壓件模具設(shè)計方法的探討

管幸寰

（上海電子工業(yè)學校，上海 201411）

板料沖壓是利用沖模，使板料產(chǎn)生分離或形變的加工方法。因多數(shù)情況下板料無需加熱，故稱冷沖壓，又簡稱冷沖或沖壓。在進行板料加工時，材料的延展性、彈性等物理性質(zhì)往往會帶來影響，使板材在加工過后出現(xiàn)回彈問題，如果這種回彈的幅度較小，肉眼可能無法分辨，但在實際使用過程中，由于工件精度不足，可能影響使用價值。就補償回彈的沖壓件模具設(shè)計方法進行探討有一定的實際意義。

1 回彈問題的出現(xiàn)以及影響

1.1 板材的回彈

常規(guī)的沖壓過程中，板材會按照模具狀況不斷出現(xiàn)形變，直到滿足實際使用需求?；貜梿栴}在這一過程中是始終存在的，此前技術(shù)人員一般通過“試錯法”進行處理，但結(jié)果并不理想。由于大部分金屬材料，尤其是合金和其他延展性較好的材料，回彈問題往往十分嚴重，在力的相互作用下，瞬時回彈以及加工后一小段時間內(nèi)出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象屢見不鮮，比如汽車使用的鋁材，部分構(gòu)件的回彈率甚至超過0.5%，對實際性能產(chǎn)生了很多不利影響。

1.2 回彈的影響

回彈的影響包括直接影響和衍生影響兩個方面，以數(shù)控機床所用工件為例，在沖壓制造完成后，存在回彈問題的工件被應(yīng)用于數(shù)控機床，會造成精度、剛性的下降，并進一步影響機床的電動穩(wěn)定性。數(shù)控機床對加工精度的要求非常高，精度則取決于剛性，剛性是指在固定工作負載條件下機床的加工結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的形變量，形變量越大、精度越低。應(yīng)用存在回彈問題的工件，機床的精度受到直接影響，在實際工作中，還可能產(chǎn)生嚙合不嚴等問題，進一步降低剛性，而電動機工作帶來的小幅位移則會加劇回彈工件的破壞作用，使機床的加工成果無法得到保證。

2 補償回彈的沖壓件模具設(shè)計方法

2.1 設(shè)計思路

回彈問題雖然廣泛存在于各類板料的加工作業(yè)中，但帶有一定的規(guī)律性，如進行一次沖壓的板材可能存在較為嚴重的回彈問題，而反復沖壓后，每一次回彈都能得到控制，總的回彈量也因此較低。針對補償回彈的沖壓件模具設(shè)計也以此為切入點，分析可行思路。模具設(shè)計的核心理念為往復式加工，可以在現(xiàn)有技術(shù)條件下實現(xiàn)，其工作的基本流程是，了解加工物的特點，建立流水線，取固定模型，對于存在回彈可能的位置，給予多次沖壓，并在反復加工的過程中逐步降低沖壓力度，實現(xiàn)對其外形的有效控制，避免回彈問題。從初定的模具型面的結(jié)點位移反向減去模擬計算的回彈量，得到用于補償回彈所需的加工要求。金屬板料首先用試探模具成形，計算成形回彈后的工件形狀。該數(shù)值在不同的工件加工作業(yè)中也存在差異，需要根據(jù)實際情況確定往復次數(shù)和力負載水平。將回彈后的工件形狀與目標工件比較，如果存在的形狀誤差超出容許值，就從模具形狀中減去形狀誤差，得到新的加工要求，作為確定往復加工所需負載的基礎(chǔ)。在往復加工中，金屬板料將用這一新的試探模具型面成形。如果成形工件的形狀與目標工件誤差仍超出容許值，將再次從試探模具型面反向減去形狀誤差，得到更新的加工要求，作為確定下一次往復加工所需力負載的基礎(chǔ)，直到成形的工件形狀滿足要求，往復加工可進行5次或更多。

2.2 有限元模型分析

有限元模型以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立，收集不同工件的基本使用要求和加工存在的問題、加工流程，建立涵蓋上述內(nèi)容的電子模型。如工件為齒輪，其使用的核心要求是良好的嚙合度，本質(zhì)則是嚴格的精度控制。加工存在的問題也主要在機床的精度上，加工流程則相對固定，對金屬板材進行沖壓、粗加工，再進行打磨作業(yè)。建立模型時，以上述三項內(nèi)容為基礎(chǔ)，將工件的各個部分以微米為單位劃分為若干部分，對存在較嚴重回彈問題的結(jié)構(gòu)需要進行精劃分。沖壓加工是一種典型的物理加工方法，應(yīng)用外力破壞板材固有的物理特征，并通過模具對其進行規(guī)范，在這一過程中，板材首先受力，之后出現(xiàn)形變，并在整個過程中不斷回彈。各國工業(yè)生產(chǎn)都面臨回彈問題，德國、日本等機械制造強國對回彈的控制最為成功，日本對各行業(yè)所用工件都給出十分嚴格的標準，而德國所用的加工材料性能突出、加工設(shè)備的剛性和精度也極為優(yōu)越，因此能夠有效控制回彈問題。在板材受力的一瞬間，作用力和反作用力雖然在數(shù)值上基本是均等的，但會造成構(gòu)件的形變，作用力消失后，反作用力也消失，被導入板材中的力因此失去制約，會沿著力消失的方向快速擴散，擴散的力受到板料物理性質(zhì)影響，在擴散過程中不斷損耗，如果在工件邊緣已經(jīng)嚴重損耗，回彈也會相對輕微，反之則較為嚴重。

2.3 模具設(shè)計

模具的設(shè)計理念是往復式加工，其控制則依賴于自動化技術(shù)，模具加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包括控制端、執(zhí)行端兩大部分，應(yīng)用集成技術(shù)和通信技術(shù)實現(xiàn)實際作業(yè)。在往復加工的過程中，沖壓的負載是不同的，取往復5次加工模式，則負載變化的基本規(guī)律為：100%、90%、80%、70%、60%。實際工作中可視工件精度要求調(diào)整負載水平，基本規(guī)律是逐步降低。控制端主要由計算機構(gòu)成，在對工件進行加工前，要通過反復收集數(shù)據(jù)了解精度要求，設(shè)定默認程序控制加工過程，控制端與執(zhí)行端連為一體，依靠通信技術(shù)進行指令的下達，并將指令集和各類軟件、輸入、輸出系統(tǒng)、可視化結(jié)構(gòu)集成到一塊芯片中，控制全過程。沖壓件模具實際工作的流程是：設(shè)定程序、粗加工、精加工、完成。人員下達的指令通過輸入模塊和通信技術(shù)傳輸至控制段，并實現(xiàn)記憶，之后模具對板料進行沖壓加工，分割為規(guī)格要求下的小模塊，再利用往復加工法進行精加工，最終完成沖壓作業(yè)，實現(xiàn)工件的精度加工。

3 實驗分析

3.1 實驗過程

為檢驗往復式加工法的可行性，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立了實驗。實驗共進行4次，包括常規(guī)加工實驗2次以及往復式?jīng)_壓件模具加工實驗4次，比對兩組實驗后的回彈量，并模擬使用，了解兩類工件的使用價值。實驗過程中，人工模擬了工作環(huán)境和往復式加工的作用力、反作用力。所選的工作模型如圖1所示。該工件的加工重點為AGFE范圍內(nèi)的部分，要求將其突出工件表面0.5cm。

3.2 實驗結(jié)果與分析

圖1 所選工件模型

常規(guī)加工共進行四次，第一次加工所獲工件，AGFE部分突出工件表面0.5cm，但DB一側(cè)存在明顯的回彈問題，回彈量達到0.6%，無法滿足使用。第二次加工所獲工件回彈問題同樣在DB一側(cè)，回彈量超過1%，造成AGFE部分突出范圍大于0.6cm，也難以滿足使用要求。應(yīng)用往復式?jīng)_壓件模具進行加工，第一次加工完成后，AGFE部分突出工件表面0.5cm，工件回彈量為0.03%，滿足使用需求，第二次加工完成后，AGFE部分突出工件表面0.5cm，工件回彈量為0.02%，滿足使用需求。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

在隨后進行的使用模擬中，以數(shù)控機床為模擬對象，為快速了解成果，人員加快了模擬速度，取100倍數(shù)值快速進行試驗。1、2號工件在作業(yè)中存在嚴重的不穩(wěn)定問題，使加工作業(yè)誤差增加。3、4號工件工作性能較為良好，也能應(yīng)對電動穩(wěn)定性問題。

4 結(jié)語

通過分析補償回彈的沖壓件模具設(shè)計，了解了相關(guān)理論內(nèi)容。回彈是板料沖壓中的主要缺陷之一，在工件制造等領(lǐng)域，回彈會帶來很多不利影響，比如降低工件精度、影響電動穩(wěn)定性、降低剛性等。通過建立有限元模型，可以分析得到金屬板料受力、形變、回彈等情況，再根據(jù)具體情況設(shè)計往復式?jīng)_壓件模具。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對設(shè)計構(gòu)想進行模擬，結(jié)果證明了設(shè)計方法的可行性。深入了解上述理論，有利于在后續(xù)工作中控制回彈問題。

[1]李貴.面向產(chǎn)品設(shè)計的回彈模擬與幾何補償方法研究[D].華中科技大學,2014.

[2]解利娜.車身覆蓋件的回彈補償與模具型面設(shè)計方法的研究[D].沈陽工業(yè)大學,2014.