彈性元件選用對板料彎曲成形回彈的影響

施于慶

(浙江科技學(xué)院 機械與能源工程學(xué)院，杭州 310023)

回彈是板料彎曲成形不可忽視的質(zhì)量缺陷?；貜検箯澢Y(jié)構(gòu)形狀和設(shè)計尺寸難以滿足要求，影響彎曲件的使用和裝配[1]。彎曲模參數(shù)設(shè)計有一定的參考標(biāo)準(zhǔn)，如果彎曲凹模深度設(shè)計時取彎曲件高度的一半左右[2-4]，回彈依然不能避免。有研究表明，若將彎曲凹模深度設(shè)計成大于彎曲件高度的結(jié)構(gòu)，并取合適的彎曲模凸模和凹模半徑，則彎曲件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸精度能有所提高[5-6]。對尺寸比較大的彎曲模設(shè)計制造，為了降低模具制造成本，凹?？稍O(shè)計成倒角結(jié)構(gòu)形式。有研究表明，倒角結(jié)構(gòu)雖然加工方便，控制回彈效果卻不如凹模圓角結(jié)構(gòu)，但可用于尺寸精度要求不高的彎曲件壓制[7]。以往對彎曲模的改進設(shè)計或?qū)澢貜椀姆治?，多是建立在凹模圓角結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)之上的，如理想彈塑性材料彎曲回彈分析及回彈彎矩計算[8]，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋁合金板料彎曲回彈控制[9]，這些研究的結(jié)果對控制回彈有一定的幫助。在實際生產(chǎn)中，設(shè)計人員是以如何能夠?qū)澢慵a(chǎn)出來作為彎曲模結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要目標(biāo)[10-12]。變壓邊力是控制回彈比較理想的工藝方法之一[13]，不但用于彎曲成形，也被用在拉深成形中加載不同變化的壓邊力曲線[14]，但究竟加載何種壓邊力曲線控制回彈效果最佳目前尚無定論。文獻[15]研究了液壓墊提供恒定壓邊加載壓邊力，證明了液壓墊壓邊控制回彈效果比較理想。作為彎曲模設(shè)計壓邊裝置的常用彈性元件除液壓墊外，還有彈簧和橡皮。選擇三者中哪種彈性元件控制回彈效果比較理想尚無文獻報道。本研究通過對彈簧、橡皮和液壓墊進行壓邊有限元模擬對比分析，為彎曲模壓邊裝置設(shè)計提供參考。

1 彈性元件選擇對彎曲模結(jié)構(gòu)尺寸的影響

圖1 壓邊力與行程關(guān)系曲線 Fig.1 Relation curve of blank-holder force to stroke

2 有限元模擬及結(jié)果討論

彎曲模尺寸及幾何模型如圖2所示，具有壓邊裝置彎曲模有限元模型如圖3所示。模擬坯料為16MnL，16MnL的屈服極限σs，355 MPa；強度極限σb，500 MPa；材料彈模量E，206 GPa；泊松比v，0.29。設(shè)加載初始壓邊力F0=0.5F，其中F為彎曲力。設(shè)彎曲件長為100 mm，計算可得F為22 750 N，F(xiàn)0為11 375 N。模擬速度一般取比實際生產(chǎn)中的壓制速度要快，取1 000 m/s[17]，將圖1中的壓邊力與行程關(guān)系曲線轉(zhuǎn)化為圖4的壓邊力與時間關(guān)系曲線。因為回彈大小主要取決于彎曲角處應(yīng)力，所以有限元模擬彎曲過程是壓制完成后停留(保壓)一段時間，得到此時的應(yīng)力分布；再用推板將彎曲件頂至推板上平面與凹模上平面平齊位置，即彎曲件可取出狀態(tài)位置，得到此時的應(yīng)力分布。分析彎曲角處取出狀態(tài)應(yīng)力與壓制完成狀態(tài)應(yīng)力之差，應(yīng)力差小說明彎曲穩(wěn)定，回彈較小。彎曲角取的位置如圖5所示。

圖2 彎曲模幾何模型Fig.2 Geometric model of bending die

圖3 彎曲模有限元模型Fig.3 FEM model of bending die

圖4 壓邊力與時間關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of blank-holder force to time

圖5 測量位置Fig.5 Measure position

圖6～8分別是液壓墊恒定壓邊力為11 375 N時的應(yīng)力變化及分布、彈簧和橡皮加載初始壓邊力為11 375 N時的應(yīng)力變化及分布。從圖6～8比較取出狀態(tài)應(yīng)力與壓制完成狀態(tài)應(yīng)力之差，用Δ表示，其中，Δhp為液壓墊壓邊應(yīng)力差；Δs為彈簧壓邊應(yīng)力差；Δr為橡皮壓邊應(yīng)力差。

圖6 液壓墊加載壓邊力為11 375 N時的應(yīng)力變化及分布Fig.6 Stress change and stress distribution of loading hydraulic pad with 11 375 N of blank-holder force

圖7 彈簧加載壓邊力應(yīng)力變化及分布Fig.7 Stress change and stress distribution of loading spring with blank-holder force

圖8 橡皮加載壓邊力應(yīng)力變化及分布Fig.8 Stress change and stress distribution of loading rubber with blank-holder force

A處的應(yīng)力變化為：

B處的應(yīng)力變化為：

通過比較得到：彈簧壓邊的應(yīng)力變化最小，液壓墊壓邊應(yīng)力變化次之，橡皮壓邊應(yīng)力變化最大。應(yīng)力變化小，說明回彈發(fā)生小，也說明彎曲件穩(wěn)定性較好，因此彈簧壓邊效果是三者中最理想的。在初始壓邊力相同的條件下進行壓制，壓制完成時，橡皮產(chǎn)生的壓縮力要大于彈簧，取此時的壓力22 775 N作為液壓墊加載的恒定壓邊力，應(yīng)力變化及分布如圖9所示。由圖9可知A處的應(yīng)力變化為：Δhp=3.773×108-2.502×108=1.271×108(Pa)；B處的應(yīng)力變化為：Δhp=3.286×108-2.502×108=0.784×108(Pa)。

圖9 液壓墊加載壓邊力為22 775 N時的應(yīng)力變化及分布Fig.9 Stress change and stress distribution of loading hydraulic pad with 22 775 N of blank-holder force

3 結(jié) 語

彎曲模設(shè)計可供選擇的彈性元件有彈簧、橡皮和液壓墊，對三者進行的有限元模擬結(jié)果表明：如果壓邊力初始值相同，采用彈簧作為加載壓邊力的彈性元件，則控制回彈效果最好，液壓墊次之，橡皮最差。但在壓力機條件允許的情況下，若將液壓墊壓力調(diào)整到彎曲件彎曲行程終了時的橡皮壓力(一般此時橡皮的壓力要大于彈簧的壓力)，則液壓墊壓邊控制回彈的效果又優(yōu)于彈簧。因此，采用何種彈性元件應(yīng)視具體情況而定。