異型導(dǎo)軌彎曲模具設(shè)計(jì)

王修濤 劉國(guó)強(qiáng) 翟 茜 李 強(qiáng)

（山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031）

彎曲成形就是將坯料彎曲成所需的形狀。彎曲成形的材料有型材、管材、板材和棒材[1]。彎曲型材和管材廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、管道工程、工程機(jī)械以及石油化工等領(lǐng)域，占有十分重要的地位[2-3]。本文介紹的是汽車行業(yè)所用的異型導(dǎo)軌，如圖1（a）所示。該異型導(dǎo)軌是由一定形狀的型材通過(guò)彎曲成形而成，材料為鋁型材，用來(lái)裝置窗簾滑塊。它分為左右兩種零件，安裝到汽車頂部，對(duì)成型位置尺寸要求變形小，滑塊能順利通過(guò)且不脫落?？梢?jiàn)，異型型材彎曲過(guò)程需減小彎曲部分變形，才能保證產(chǎn)品合格。對(duì)于形狀異型、復(fù)雜且材料厚度（1 mm）較薄的材料，彎曲過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)彎曲的部分變形（彎曲半徑越小，變形越大），導(dǎo)致滑輪不能在軌道內(nèi)正常滑動(dòng)，達(dá)不到使用要求。此時(shí)，需要在加工過(guò)程中采用減小變形的加工工藝，保證零件變形尺寸在要求公差范圍內(nèi)。

圖1 產(chǎn)品零件圖（單位：mm）

1 零件成形工藝分析與沖壓方案的確定

通過(guò)對(duì)零件的形狀分析，型材截面尺寸為15 mm×12 mm，厚度為1 mm，如圖1（c）所示。型材材質(zhì)為鋁材，彎曲分兩個(gè)部分，如圖1（a）和圖1（b）所示。R48 mm圓弧在零件寬度10 mm面上，R150 mm圓弧在零件寬度15 mm平面上。鋁型材料較薄，形狀復(fù)雜，形狀彎曲過(guò)程中極易發(fā)生變形。經(jīng)分析，確定該零件沖壓方案分兩步走，第一步彎曲R48 mm圓弧，第二步彎曲R150 mm圓弧。第一步彎曲模具采用簡(jiǎn)單上下模結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為了減小彎曲變形，需在型材內(nèi)部填加和型材內(nèi)部形狀一致的型芯，彎曲前填入，彎曲后取出，左、右兩種零件可同時(shí)使用。第二步彎曲模具凸模采用和零件內(nèi)部R150 mm吻合的整體結(jié)構(gòu)，凹模采用旋轉(zhuǎn)彎曲成形結(jié)構(gòu)，由左右兩部分組合而成。凹模開(kāi)設(shè)零件形狀的槽筋，減小型材彎曲過(guò)程中的變形。在彎曲過(guò)程中，零件內(nèi)圓和凸模完全貼合彎曲，外圓和凹模左右兩部分線接觸，實(shí)現(xiàn)凹模旋轉(zhuǎn)彎曲，減小凹模對(duì)型材的受力面積，有效減少變形。同時(shí)，凹模板采用中心對(duì)稱開(kāi)設(shè)讓位槽，左、右零件可以使用一套模具加工完成。凹模旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)還可以通過(guò)調(diào)整沖床行程控制彎曲回彈的大小。

圖2 R48圓弧彎曲模具結(jié)構(gòu)圖

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 R48 mm圓弧彎曲模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1R48 mm彎曲凸模尺寸設(shè)計(jì)

零件R48 mm圓弧在零件的中間位置。由于零件整體較高，在彎曲R48 mm圓弧的過(guò)程中，圓弧兩邊材料成形后，需要在壓力設(shè)備工作部位以外的位置，防止和壓力設(shè)備發(fā)生干涉。所以，凸模的高度需要根據(jù)壓力機(jī)的外型尺寸設(shè)計(jì)。凸模結(jié)構(gòu)采用固定板固定方式，凸模厚度尺寸和零件寬度尺寸一致，如圖3所示，選用10 mm（公差±0.05 mm）。凸模固定板厚度為30 mm，凸模固定板的上端用螺栓連接上模板，下端高于圓弧頂端15 mm。加工過(guò)程中可以保護(hù)型材，防止型材移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致變形。凸模圓弧半徑參數(shù)為46 mm，消除彎曲成形后的回彈。

圖3 R48 mm圓弧彎曲凸模結(jié)構(gòu)

2.1.2R48 mm圓弧彎曲凹模尺寸設(shè)計(jì)

R48 mm圓弧彎曲凹模結(jié)構(gòu)采用固定板固定方式，如圖4所示。凹模通過(guò)螺栓連接在凹模固定板上，凹模板兩側(cè)需水平延伸100 mm。作為初始放置型材的平臺(tái)，凹模厚度尺寸和零件寬度尺寸一致，選用10 mm（公差±0.05 mm）。凹模固定板厚度為30 mm，凹模低于凹模延伸平臺(tái)15 mm，防止型材移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致變形。凹模固定板的下端通過(guò)螺栓連接到下模板，在凹模固定板一側(cè)加裝定位板，點(diǎn)位板加工長(zhǎng)槽，調(diào)節(jié)定位尺寸。

圖4 R48 mm圓弧彎曲凹模結(jié)構(gòu)

2.1.3R48 mm圓弧彎曲模具型芯尺寸設(shè)計(jì)

為了防止型材在彎曲的過(guò)程中變形，在彎曲前需要將型材內(nèi)部填充材料，用來(lái)支撐型材輪廓。如圖5所示，型材型芯結(jié)構(gòu)分為左、中、右3個(gè)部分，其中左右型芯為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。3個(gè)型芯組合后和型材內(nèi)部輪廓貼合，型材開(kāi)口處的型芯低于型材0.2～0.3 mm。加工過(guò)程中，先安裝左、右型芯，然后安裝中間型芯。抽取型芯時(shí)，順序相反。

圖5 R48 mm圓弧彎曲模具型芯結(jié)構(gòu)圖

2.2 R150 mm圓弧彎曲模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 彎曲凸模尺寸設(shè)計(jì)

確定彎曲成形凸模彎曲半徑尺寸時(shí)，根據(jù)零件材料回彈規(guī)律，彎曲成形凸模彎曲半徑設(shè)置為148 mm，并對(duì)彎曲形狀做出必要的修正。凸模圓弧弧長(zhǎng)大于零件圓弧弧長(zhǎng)。

2.2.2 彎曲凹模設(shè)計(jì)

如圖6所示，彎曲凹模采用旋轉(zhuǎn)方式成形。在彎曲圓弧中心位置分為左凹模板和右凹模板，凹模外側(cè)加工直徑12 mm的旋轉(zhuǎn)孔，凹模工作位置加工讓位槽（如圖7所示），零件和凹模讓位槽間隙采用0.1 mm。凹模板兩端加工圓弧，防止凹模板旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)干涉。腔體橫板和墻體側(cè)板通過(guò)螺栓連接，組成固定凹模板腔體。凹模板通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸固定在腔體橫板上。腔體通過(guò)螺栓連接在下模板上。

圖6 R150 mm圓弧彎曲模具結(jié)構(gòu)圖

圖7 凹模讓位槽剖面圖

2.2.3 旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在凹模板的兩側(cè)加工12 mm的旋轉(zhuǎn)軸固定孔，如圖8所示。固定旋轉(zhuǎn)軸，腔體橫板加工直徑12.05 mm的半圓槽，旋轉(zhuǎn)軸蓋板加工12.05 mm的半圓槽，通過(guò)螺栓固定在腔體橫板上，組成直徑12.05 mm的圓孔。旋轉(zhuǎn)軸在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)槽采用兩個(gè)半圓組合的方式，有利于模具裝配和維修。

圖8 旋轉(zhuǎn)軸剖面圖

2.2.4 彈料板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖9所示，彈料板位于凹模腔體內(nèi)，高度和凹模板下表面等高。凹模板在彎曲過(guò)程中，彈料板推動(dòng)凹模板上下浮動(dòng)，保證凹模板在不工作狀態(tài)下處于水平位置。彈料板下面安裝4個(gè)彈簧，通過(guò)卸料螺栓固定在下模板上。

圖9 R150 mm圓弧彎曲模具結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2.5 模具讓位槽設(shè)計(jì)

由于零件尺寸較大，在加工過(guò)程中型材尺寸大于凹模周界尺寸，需要在凹模腔體橫板和腔體側(cè)板開(kāi)設(shè)讓位孔。同時(shí)，開(kāi)設(shè)讓位槽尺寸大于型材外形尺寸。

3 模具工作過(guò)程

根據(jù)零件要求和工藝分析，零件加工共分為兩個(gè)工序。第一步，R48 mm圓弧彎曲。將模芯放入型材中，然后將其放在凹模水平臺(tái)上，側(cè)面貼近凹模固定板，端頭靠近凹模定位板，控制壓力機(jī)行程直至彎曲完成，取出工件，抽取型芯，完成第一個(gè)工序。第二步，R150 mm圓弧彎曲。將第一步彎曲后的鋁型材放入凹模槽，凸模向下彎曲過(guò)程中圓弧頂部先接觸型材，進(jìn)一步推動(dòng)凹模板內(nèi)側(cè)向下運(yùn)動(dòng)。凹模板外側(cè)沿旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，直至最后彎曲成形到零件要求尺寸。彈料板在凹模板作用下向下運(yùn)動(dòng)，加工完成后，彈簧將彈料板推到初始位置，第二個(gè)加工工序完成。彎曲成形模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作實(shí)施，投入成本少，在生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)節(jié)沖床行程控制型材回彈尺寸，避免更改模具參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

影響型材彎曲成形的因素較多，材料性能、彎曲形狀以及模具結(jié)構(gòu)的選擇都會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的外觀和尺寸參數(shù)產(chǎn)生影響，特別是異型型材形狀復(fù)雜，所以選擇合理的加工工藝至關(guān)重要。本文主要從生產(chǎn)效率高、投入成本少、結(jié)構(gòu)合理以及操作簡(jiǎn)單等方面考慮，采用所述模具結(jié)構(gòu)具有較好的實(shí)用價(jià)值。但是，設(shè)計(jì)的模具在使用過(guò)程也存在不足，如第一工序彎曲過(guò)程中零件會(huì)出現(xiàn)劃傷痕跡，模芯的使用尚待完善，是下一步需要研究解決的問(wèn)題。