May 10, 2022
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作者:管幸寰
(上海電子工業學校,上海 201411)
摘要:在工業生產活動中,沖壓屬于一種常見工藝,金屬以及非金屬材料在加工過程中可能面臨回彈問題,影響加工質量。
基于此,本文以回彈的影響作為切入點,重點給出補償回彈的沖壓件模具設計方法,利用有限元模型進行分析,綜合考慮受力、形變、回彈等問題,設計往復式沖壓件模具,再利用實驗證明設計方法的可行性。
關鍵詞:補償回彈;有限元模型;往復式沖壓件模具
中圖分類號:TG385
文獻標識碼:A
文章編號:1671-0711(2018)02(下)-0106-02
板料沖壓是利用沖模,使板料產生分離或形變的加工方法。
因多數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、彈性等物理性質往往會帶來影響,使板材在加工過后出現回彈問題,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計方法進行探討有一定的實際意義。
1 回彈問題的出現以及影響
1.1 板材的回彈
常規的沖壓過程中,板材會按照模具狀況不斷出現形變,直到滿足實際使用需求。回彈問題在這一過程中是始終存在的,此前技術人員一般通過“試錯法”進行處理,但結果并不理想。
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出現的回彈現象屢見不鮮,比如汽車使用的鋁材,部分構件的回彈率甚至超過 0.5%,對實際性能產生了很多不利影響。
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用于數控機床,會造成精度、剛性的下降,并進一步影響機床的電動穩定性。
數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構出現的形變量,形變量越大、精度越低。
應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計方法
2.1 設計思路
回彈問題雖然廣泛存在于各類板料的加工作業中,但帶有一定的規律性,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計也以此為切入點,分析可行思路。
模具設計的核心理念為往復式加工,可以在現有技術條件下實現,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。該數值在不同的工件加工作業中也存在差異,需要根據實際情況確定往復次數和力負載水平。
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。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,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
有限元模型以數據為基礎建立,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。
建立模型時,以上述三項內容為基礎,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構需要進行精劃分。
沖壓加工是一種典型的物理加工方法,應用外力破壞板材固有的物理特征,并通過模具對其進行規范,在這一過程中,板材首先受力,之后出現形變,并在整個過程中不斷回彈。
各國工業生產都面臨回彈問題,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、加工設備的剛性和精度也極為優越,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值上基本是均等的,但會造成構件的形變,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影響,在擴散過程中不斷損耗,如果在工件邊緣已經嚴重損耗,回彈也會相對輕微,反之則較為嚴重。
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