（机械电子工程专业论文）u型箍成形原理、工艺分析及成形装置设计.pdf

东南大学硕士学位论文 u 型箍成形原理、工艺分析及成形装置设计 研究生姓名：王鑫 导师姓名：李刚副教授 学位授予单位：东南大学 摘要：本文主要着眼于洗衣机u 型箍的成形原理，工艺分析及成形装置设计。u 型箍采用自动滚弯成形新工艺，工艺过程采用钢带经过校平、成u 形截面、弯圆 形、切断，压制连接端的自动连续成形。文中介绍了u 型箍滚压成形的原理，完 成了滚压成形力和扭矩、模具切断成形力及液压缸直径等理论参数的计算，对零 件弯曲部分进行了应力应变分析，给出了材料不被拉裂的条件。此外对辊轮及模 具结构的设计、液压缸的选择、控制程序的设计作出了说明。本设计采用液压控 制系统，不但结构紧凑、占用空间小，而且工作平稳可靠、容易维修，还可使生 产效率提高，产品质量稳定，减轻工人的劳动强度。 该设计不仅可以大大降低国内许多洗衣机生产厂家的模具进口费用。适当调 整局部设备结构，该工艺还可适用于同类零件的加工。 关键词：滚弯；u 型箍；自动成形；洗衣机；成形装置 东南大学硕士学位论文 t h ep r o c e s sa n a l y s i s ，f o r m i n gp r i n c i p l ea n dt h e d e s i g n0 ff o r m i n gd e v i c eo ft 旺u _ c l a 卿h o o p t h en a m eo ft h eg r a d u a t es t u d e n t ：w a n gx i n t h en a m eo ft h et e a c h e r ：l ig a n g ，ap r o f e s s o r t h eu n i to ft h eg i v e nd e g r e e ：t h em e c h a n i c a le n g i n e e rd e p a r t m e n to ft h e s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t ：t h i sa r t i c l el o o k sb r i e f l ya tt h ef o r m i n gp r i n c i p l eo ft h e w a s h i n gm a c h i n e su - c l a m ph o o p ，t h ep r o c e s sa n a l y s i sa n dt h ed e s i g no f t h ef o r m i n gd e v i c e t h eu - c l a m p h o o pa d o p t st h en e wt e c h n o l o g yo f a u t o m a t i c a l l yr o l lb e n d i n ga n df o r m i n g t h ep r o c e d u r ea d o p t sa u t o m a t i c a n dc o n t i n u o u s l yf o r m i n gw h i c hi n c l u d e sa l i g n i n gt h es t e e lb a n d ，r o l l i n g i tt ot h es h a p eo fu ，b e n d i n gi tt ot h ec i r c l e ，c u t t i n go f fa n dp r e s s i n g t h ec o n j u n c t i o n i tn o to n l yp r e s e n t st h er o l l i n ga n df o r m i n g s p r i n c i p l eo ft h eu - c l a m ph o o p ，c o m p l e t e st h et h e o r e t i c a lp a r a m e t e ro f t h er o l l i n gf o r c ea n dt w i s t i n gm o m e n t 、t h ec u t o f fa n df o r m i n gf o r c e o ft h e d i ea n dt h ed i a m e t e ro fh y d r a u l i cc y l i n d e r ，b u ta l s oa n a l y s e st h e r e l a t i o n s h i po ft h es t r e s sa n dt h es t r a i no ft h eb e n d i n gp a r t ，a n dg i v e s t h ec o n d i t i o nt h a tt h em a t e r i a lc a nn o tb ep u l l e do u t o t h e r w i s e ，t h i s a r t i c l ee x p l a i n st h ed e s i g no ft h er o l l e ra n dt h ed i ec o n s t r u c t i o n 、 t h ec h o i c eo ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra n d t h ed e s i g n o fc o n t r o l p r o c e d u r e t h i sd e s i g nu s e sh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mw h i c hn o to n l ym a k e s t h ec o n s t r u c t i o nt i g h t l y ，o c c u p i e ss m a l lr o o m ，b u ta l s ow o r k ss t e a d ya n d e a s i l ym a i n t a i n s ，o t h e r w i s e ，i tc a np r o d u c et h eh i g h e f f i c i e n c y a n d s t a b i l i t yp r o d u c t i o nq u a n t i t y ，a l l e v i a t et h ew o r k e r sl a b o rs t r e n g t h t h ed e s i g nc a nl o w e rt h em o l d i n g si m p o r te x p e n s e so fm a n yw a s h i n g m a c h i n e f a c t o r i e s t h r o u g ha p p r o p r i a t e l ya d j u s t s t h e p a r t i a l e q u i p m e n t s c o n s t r u c t i o n ，t h ep r o c e s sc a na l s oa d a p tt h es a m ek i n d p a r t s p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：r o l lb e n d i n g ，u - c l a m p h o o p ，a u t o m a t i cf o r m i n g w a s h i n gm a c h i n e ，f o r m i n gd e v i c e i j 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：互盔日期：堕! ! ：i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 王复导师签名 日期： e 夕, t a 7 前言 u 型箍是全自动洗衣机中紧固洗衣桶的专用零件( 见图1 1 ) 。该零件精度要 求高，外形尺寸大，成形难度较大。若采用普通冲压弯曲成形则必须大型冲压设 备，多副模具来完成，所需费用较高。目前国内大多数洗衣机厂家的生产设备、 模具都是从国外进口，价格较高，而且设备维修难以保证。 如何设计一种装置，采用何种加工方法来进行零件的加工，既不需要从国外 进口设备，也可以降低零件的生产成本就成了目前最关键的问题。在经过多次试 验充分论证的基础上，结合国外成形方法，决定采用自动滚弯成形新工艺。滚弯 成形方法的最大优点是通用性大，不需要特殊的工具和模具。在加工时，可通过 不同剖面形状的辊轮将坯料滚弯成u 形和r 形，然后通过模具将其成形为夹箍， 所需设备简单，维修方便，容易制造，并可实现连续化生产，大大提高了零件的 生产率，降低了零件的生产成本，具有较大的社会经济效益。 针对u 型箍的成形特点，确定合理的成形方案，并对u 型箍的成形原理进行 工艺分析，完成使u 型箍从坯料到成品的辊轮的设计、模具结构及主要零部件的 设计、液压系统的设计及控制程序的设计。设计的装置可实现u 型箍的自动滚弯 成形。即：首先由送料机构将盘状的带料自动送进，并经校平机构将带料校平； 然后经过六组成形滚轮将平板状的毛坯滚弯成u 形；之后通过滚轮及r 槽的相互 作用，使已弯成u 型的带料发生弯曲成r 形：当r 值达到规定值时，由定距测长 装置将零件切断，后由模具将u 型箍端部成形出所需要的形状。 本课题涉及了机械、电子及液压等学科领域，涉及面较广，有一定的技术难度。 要解决的技术难题主要有以下几方面： 1 u 型箍成形工艺方案的确定； 2 u 型箍成形原理的工艺分析； 3 u 型箍成形模具的特殊性； 1 ) 模具导向装置的设计； 2 ) 模具成形时的动力来源； 3 ) 模具结构形式的选择； 4 ) 模具成形部分的设计。 实现该零件的国产化可以大大降低零件的生产成本，并且设备维修、养护有 保证，具有较大的社会经济价值。 东南大学预士学位论文 第一章成形方案的确定 1 1 引言 板料的滚弯成形是造船、航空、锅炉、化工等行业中应用广泛的典型成形加 工方法。对弯板工艺过程进行自动控制，是板材成形加工自动化的必然趋势。它 不仅能大幅度提高弯板工作的生产效率，减轻劳动强度，而且能提高弯板的精度， 从而能减少装配和矫正的工作量。为此国外多年来十分重视数控弯板工艺的研 究，近年来国内的生产厂家也开展了弯板自动化问题的研究。 为实现板料滚弯成形的自动控制，国内外学者曾以最为常见的三辊弯板机为 对象，对这一工艺过程进行分析研究，为实现滚弯成形的自动控制提供了一定的 理论依据，奠定了一定基础。 日本的曾田、小西对滚弯过程的分析，着重于制品件成形过程中几何尺寸的 变化。被弯曲部分既有弹塑性弯曲段，也有弯曲以后的卸载过渡段，但由于滚弯 过程的复杂性，在整个分析过程中，他们作了许多近似假设，如弯矩沿板材弧长 上呈线性分布。在利用曲线挠度角、曲率等关系进行有关公式的推导中也作了许 多近似处理。上述分析方法，后经山川俊夫等人的处理，使之利用计算机的逐点 迭加运算，可以用于变曲率( 非圆截面) 滚弯过程的理论分析。 前苏联学者莫施宁和格罗莫娃等对滚弯过程中的力学分析，他们在分析滚弯 成形过程中所作的共同假设与实际加工过程有一定差异。b a s s e t ，j o h n s o n 等给 出了关于主动辊传递扭矩的计算公式。 国内学者在板材滚弯成形方面早期也有所研究，大部分研究深度不及国外现 有资料，但近年来在某些方面有较大进展。 胡卫龙等人对板材滚弯的工艺过程和受力分析进行了研究。斯厚达等学者对 板材弯曲加工时的回弹分析与计算方法进行了探讨。徐辅仁运用弹塑性理论对船 体板在对称式三辊弯板机中发生弹塑性弯曲时的受力及弯形作了系统的分析及 研究，提出了一组可按照板厚度、板材料的弹性模量、屈服极限及船体板成形后 的曲率等参数，来确定中心辊( 上辊) 进给量及作用力的理论计算公式。 上述研究对弯板过程所作的理论分析和计算较详尽，有一定的理论价值和参 考意义。但这些研究都对板材滚弯的加工过程作了许多和实际生产不符的假设， 如平面应变假设，材料是理想材料，不考虑加工硬化，不考虑材料机械性能的不 确定性等，因而结果和生产实际相差较大，难以指导实际生产加工。 综上所述，板材滚弯成形难以实现自动控制的主要原因是加工时的回弹和伸 长量受很多因素影响，因此，对于u 型箍的成形，假设材料是理想材料，其滚弯 成形的有关计算公式采用日本压力加工手册的公式进行计算。 1 2 成形方案的确定 i 设计内容及技术难点 本课题将针对u 型箍的成形特点，确定合理的成形方案，并对u 型箍的成形 进行工艺分析，完成使u 型箍从坯料到成品的辊轮的设计、模具结构及主要零部 件的设计、液压系统的设计及控制程序的设计。设计的装置可实现u 型箍的自动 滚弯成形。即：首先由送料机构将盘状的带料自动送进，并经校平机构将带料校 第一章成彤方案的确定 平；然后经过六组成形滚轮将平板状的毛坯滚弯成u 形；之后通过滚轮及r 槽的 相互作用，使己弯成u 型的带料发生弯曲成r 形：当r 值达到规定值时，由定距 测长装置将零件切断，后由模具将u 型箍端部成形出所需要的形状。 本课题涉及了机械、电子及液压等学科领域，涉及面较广，有一定的技术难度， 要将这几个领域的知识衔接起来完成零件的加工需要解决以下几方面的技术难题： ( 1 ) u 型箍成形工艺方案的确定： 成形工艺是指零件从坯料到成品所确定的成形方法。成形工艺方案的好坏 直接决定零件的生产过程的顺序及成形装置的结构设计。u 型箍从坯料到成品的 成形工艺包括四个部分，即：滚弯成u 形，弯成0 4 5 0 的圆，切断和端部成形。 如何安排这四种成形方法是我们首要解决的问题，良好的成形工艺性可以提高生 产率，降低零件的生产成本，使得零件加工连续，形状对称分布，模具受力均匀， 从而降低冲压力，提高模具使用寿命，保证零件加工质量。 ( 2 ) u 型箍成形的工艺分析： 由于板材的滚弯加工过程是一个复杂的过程，其中有材料的非线性问题、几 何变形的非线性问题，它是一个三维非稳态的变形过程，因此，对于滚弯成形理论 的研究还没有一套确定的理论公式。 ( 3 ) u 型箍成形模具的特殊性： 1 ) 模具导向装置的设计 由于模具安装在机床机身上，并且采用卧式冲压，无导柱导套等导向装置， 因此，在端部成形时如何设计导向装置来保证模具正确运动，凸模、凸凹模和凹 模之间的间隙均匀，减少重力问题的影响，有利于提高工件质量和模具寿命成为 我们需要解决的问题。 2 ) 模具成形时的动力来源 普通冲压生产时模具采用立式冲压，动力源来自于冲床的冲头：本套模具冲 压时不是在冲床而是在机身上，而且采用卧式冲压，动力源无法来自于冲床的冲 头。 3 ) 模具结构形式的选择 本零件在普通冲床上生产时可以采用单工序模、复合模及连续模。但是考虑 到本设计要实现u 型箍的自动滚弯成形，采用复合模是最好的选择，将切断、撕 口与成形等工序合在一副模具内完成，产品质量稳定，而且节省了生产空间和模 具费用。 4 ) 模具成形部分的设计 u 型箍在成形时需要完成切断、撕口、成形三道工序，其中撕口是在零件端部的 侧壁成形，若采用普通冲床冲裁可通过凸模的侧向冲切来实现，但是本设计是在 自动滚弯成形机上将这三道工序结合起来在- - n 模具当中实现，如何设计模具成 形部分的形状及尺寸，这是本设计要解决的一个技术难题。 2 成形方案的确定 u 型箍是全自动洗衣机中紧固洗衣桶的专用零件，如图1 1 所示。该零件是 料厚为l m m 的镀锌钢带，截面为u 形，连接端为一侧切开的凸起，以拧入螺钉夹 紧洗衣桶。该零件精度要求高，外形尺寸大，成形难度较大。若采用普通冲压弯 曲成形则必须大型冲压设备，多副模具来完成，所需模具费用较高。目前国内大 多数洗衣机厂家的生产设备、模具都是从国外进口，价格较高，而且设备维修难 以保证。 东南大学硕士学位论文 图1 1u 型箍 3 7 。 a a 如何设计一种装置，采用何种加工方法来进行零件的加工，既不需要从国外 进口设备，也可以降低零件的生产成本就成了目前最关键的问题。在经过多次试 验充分论证的基础上，结合国内外成形方法，决定采用自动滚弯成形新工艺。滚 弯成形方法的最大优点是通用性大，不需要特殊的工具和模具。 根据零件几何形状及尺寸要求拟订了四种工艺方案，通过对这四种工艺方案 可行性分析，确定了最终方案。 方案一：1 滚弯成u 形，2 切断，3 弯成d p 4 5 0 的圆，4 端部成形( 两端分别成形) 方案二：1 切断，2 滚弯成u 形，3 弯成中4 5 0 的圆，4 端部成形( 两端分别成形) 方案三：1 滚弯成u 形，2 弯成巾4 5 0 的圆，3 端部成形，4 切断 方案四：l 滚弯成u 形，2 弯成中4 5 0 的圆，3 切断，4 端部成形 在所设计的四种方案，在设计时均可采用，本设计采用第四种设计方案，方 案一、二都为不连续生产，加工精度难以保证。方案三在成形后切断，其工件形 状不对称，受力不均匀，模具寿命会受到很大影响。方案四在方案三基础上改进， 使得零件加工连续，形状对称分布，并且模具受力均匀，从而降低冲压力，提高 模具使用寿命，保证零件加工质量。 综合比较选用方案四的成形工艺，在加工时，可通过不同剖面形状的辊轮将 坯料滚弯成u 形和r 形，然后通过模具将其成形为夹箍，所需设备简单，维修方 便，容易制造，并可实现连续化生产，大大提高了零件的生产率，降低了零件的 生产成本，具有较大的社会经济效益。 1、二， 匹 r 犷 第二章滚弯成形原理及工艺分析 第二章滚弯成形原理及工艺分析 滚弯成形是由2 - - 4 个滚轮在送进板料的同时作连续弯曲加工的方法，与压 弯和折弯相比，一般来说滚弯的弯曲半径是相当大的。滚弯成形包括滚压成形和 弯圆。板料的滚压成形是将长的金属带料于前后直排的数组成形滚轮中通过，随 着滚轮的回转，在将带料送进的同时又顺次进行弯曲加工以成形出所需截面形状 的加工方法；弯圆则是将已滚弯成形的型材通过滚轮与r 槽的相互作用将工件弯 曲成形。 u 型箍采用滚弯的优点有： 1 ) 对于大量生产的等断面的u 型箍，由于是滚轮送进，所以可以与切断、 成形等其他加工装置连动进而使多种工艺的连续化生产成为可能。 2 ) 由于u 型箍外形尺寸大，如需冲压弯曲必须大型设备，因而滚弯成形是 经济的。 3 ) 由于经各滚轮孑l 型的变形量小，不会在制件表面造成划痕，故加工表面 质量良好，镀锌钢带等涂覆材料也适用。 4 ) 由于板厚方向没有压下量，即使两辊轮的间距有所变动而制件的直径也 不发生变化。因此，所需设备强度要求低，使用的装置简单，即使精度不是很高 也可以。 但是，u 型箍采用滚弯也有缺点，既由于滚弯加工属于自由弯曲，精度不易 控制，需经多次反复滚弯才能达到要求。 2 1 滚压成形原理 滚压成形的成形原理，如图2 1 所示，是由各组成形辊轮顺次弯曲并向前送 进的滚压成形，如果就第一组辊轮来看就是如图2 2 所示那样。板料从辊轮的入 口处一面受到弯曲一面向前运动，在辊轮的中心断面4 处即成形完毕并从辊轮 中穿出来。图2 3 所示为在辊轮成形过程中垂直断面上的滚压力的理想状态。如 果考察增量d x 这一微小长度的断面，那么，由上下辊轮的中心力p d x c o s0 、 p d x c o so 。的垂直分量p d x 就起到矫正弯曲的作用。而中心力的水平分力p d x t a n 0 。、p d x t a no ：将作用于推出材料的方向。如果由中心力所产生的摩擦力f 。= up d x c o s0 。、f 2 = up d x c o s0 。不能克服由中心力所产生的水平分力p d x t a n 0 ，、p d x t a ne 。，则板料就将打滑而不能向前送迸。在滚压过程中，辊轮压力 从入口处开始增加进而至辊轮中心达到最大值，从而使材料向前送进的摩擦力也 在辊轮中心达到最大值。 堡堕查兰堡兰三堂堡笙苎 第一组辊轮第二组辊轮第三组辊轮第四组辊轮第五组辊轮第六组辊轮 h刚m叫翮阳 l i j uj if i 川| l n j j i 2 图2 1 冷滚压成形 面 34 槲掣州下阿 图2 ，2成形过程 12 34 上辊轮 图2 3 滚压成形的受力分析 6 ! 三要堕! 壁兰堕墨墨三苎坌堑 2 2 滚压成形力和滚压成形扭矩 ，、鎏辱成形力与模具弯曲的情况具有相类似的关系，一般来说，p 与板厚t 的平 方成正比： p = kc i ，t 2 式中k - - - 系数； o ，材料的屈服应力。u 形箍材料为q 2 3 5 ，其屈服应力为2 4 0 m p a 。 孳譬謦学望华t ，在上下辊轮上往往是不一致的。但是如将辊轮与板料的接触 鉴擘之半当作扭力臂来考虑则是安全的。扭矩与板料宽度成正比，与板料厚蜃聂 t = p x ( 扭力臂) + + 鳖压成形功是不大的，近似的与弯曲角的变化量和板厚的平方成正比，用下 w = o ，t 2b 式中a = 0 5 1 0 。，屈服应力 t 板厚 1 3 弯曲角的变化( 弧度) 在实际的滚压成形中，根据滚压的不同形状，有相应的求解公式，如图2 4 所示，对于u 形滚压成形中的成形力和扭矩有如下公式： 滚压前 一：终+ 上辊轮 ：辊轮 图2 ，4 u 形滚压成形 滚压成形力：p = k l $ ( iu ) 。y t2 ( o o 。) 上辊轮扭矩：t u = k 2 * ( 2 g ) 。y 木t2 ( 0 8 。) d 1 下辊轮扭矩：t d = k 3 ( 2 4 5 ) 。y t2 ( e o 。) d 2 + 2 b s i no ( 1 + k ) ) 式中：k = r 2 p ， k 1 2 ( c o s0 + k ) c o s ( e 2 ) c o se + ( 1 + k ) c o s ( 0 2 ) + k k 2 2 ( c o s 。+ k ) c o so + ( 1 + k ) c o s ( 0 2 ) + k 1 东南大学硕士学位论文 k 3 = ( 1 + k ) * c o s ( 0 2 ) c o s0 + ( 1 + k ) * c o s ( 0 2 ) + k d 1 、d 2 上下辊轮直径； 0o 、0 弯曲前、后的角度。 u 形箍滚压时共有6 组滚轮，每组辊轮成形时的弯曲角如图2 5 所示。前3 组预成形，后3 组终成形并整形。由校平辊轮至成u 形辊轮过渡，经过这道工序 后，工件由平板状毛坯弯成u 形。 mm jf 川10 j j a ) 校平 b ) 弯1 5 0 。 c ) 弯1 1 6 。d ) 弯7 6 。 e ) 弯3 6 。d 弯u 图2 5 辊轮成形时的弯曲角 各组辊轮成形时的成形力和扭矩如下： 取= 4 ，u = 0 1 ，oy = 2 4 0m p a ，d l = d 2 = m5 0f i i l 。 根据图由静力平衡分析可知 k2p 2 2 p 3 = 2 p 1 c o s ( 0 2 ) 2 p i * c o s ( 0 2 ) = 1 则： a 组校平： 当0 = 0k = 1 得k l = 0 5k 2 = 0 5 k 3 = 0 5 p = k l ( 4 3u ) oy 木t2 ( e 一0 。) = 0 5 * ( 4 * 4 3 o 1 ) 2 4 0 12 , 0 ：0 t u = k 2 木( q 2 4 3 ) oy t2 ( 0 0 。) d l = 0 5 * ( 4 2 4 3 ) 2 4 0 iz , 0 , 5 0 ：0 t d = k 3 ( q 2 4 3 ) oy t2 ( 0 0 。) * d 2 + 2 b s i n0 ( 1 + k ) ) = 0 5 , ( 4 2 4 3 ) 2 4 0 1 2 0 ( 5 0 + 2 1 1 4 3 2 s i n 0 。) ( 1 + 1 ) ) ：o b 组成1 5 0 。： 0 = 1 5 。 k = l 则k l o 4 9 4k 2 t 0 4 9 9k 3 t 0 5 0 1 p = k 1 ( a4 31 1 ) oy t2 ( e 一0 。) = 0 4 9 4 * ( 4 * 4 3 o 1 ) , 2 4 0 , 12 , ( 1 5 0 ) = 1 2 3 2 ( k n ) t u = k 2 术( q 2 4 3 ) oy t2 ( 0 0 。) d 1 _ 第二章滚弯成形原理及工艺分析 = 0 4 9 9 * ( 4 2 4 3 ) 2 4 0 12 ( 1 5 0 ) * 5 0 = 1 0 3 7 1 5 ( n m ) t d = k 3 ( 2 4 3 ) oy t2 ( 0 0 。) * d 2 + 2 b s i n0 ( 1 十k ) ) = 0 5 0 1 ( 4 2 4 3 ) 2 4 0 12 ( 1 5 0 ) ( ( 5 0 + 2 1 1 4 3 2 s i n l 5 。) ( 1 + 1 1 ) = 5 8 2 6 8 ( n m ) c 组成1 1 6 。： 当0 = 3 2 。k = l 则k l 。0 4 7 1k 2 o 4 9 0 k 3 。0 5 1 0 p = k l 术( q4 3u ) oy t2 ( 0 0 。) = 0 4 7 1 ( 4 * 、3 o 1 ) 2 4 0 12 ( 3 2 1 5 ) = 1 3 3 2 ( k n ) t u = k 2 ( 2 4 3 ) 。y $ t2 ( 0 0 。) d 1 = 0 4 9 0 * ( 4 2 , 3 ) 2 4 0 12 ( 3 2 1 5 ) 5 0 = 1 1 5 4 5 4 ( n m ) t d = k 3 ( a 2 4 5 ) 。y $ t2 ( 0 0 。) * d 2 + 2 b s i n0 ( 1 + k ) ) = o 5 1 0 , ( 4 2 4 3 ) 2 4 0 1 2 ( 3 2 1 5 ) * ( 5 0 + 2 1 1 4 3 2 s i n 3 2 。) ( 1 + 1 1 ) = 7 4 6 4 2 ( n m ) d 组成7 6 。： 当o = 5 2 。 k = l 则k l t o 4 2 6 k 2 o 4 7 3 k 3 ；0 5 2 7 p = k 1 $ ( q4 3u ) oy t2 ( 0 0 。) = 0 4 2 6 * ( 4 * 4 3 $ o 1 ) * 2 4 0 * 12 ( 5 2 3 2 ) 1 4 1 7 ( k n ) t u = k 2 $ ( 2 4 3 ) oy t2 ( 0 0 。) d 1 = o 4 7 3 * ( 4 2 4 3 ) 2 4 0 12 , ( 5 2 3 2 ) 5 0 = 1 3 1 1 1 6 ( n m ) t d = k 3 ( 2 4 3 ) oy t2 ( 0 0 。) * d 2 + 2 b s i n0 ( 1 + k ) ) = 0 5 2 7 * ( 4 2 , 3 ) 2 4 0 12 ( 5 2 3 2 ) $ ( 5 0 + 2 * 1 1 4 3 2 s i n 5 2 。) ( 1 + 1 1 ) 1 = 9 9 3 6 2 ( n m ) e 组成3 6 。： 当0 = 7 2 。k = 1 则k l = 0 3 6 2 k 2 = 0 4 4 7 k 3 = 0 5 5 3 。p = k t * ( a4 3 | 1 ) 十oy 十t2 ( 0 0 。) = o 3 6 2 * ( 4 * 、1 3 o 1 ) 2 4 0 12 $ ( 7 2 5 2 ) = 1 2 0 4 ( k n ) t u = k 2 * ( o 2 , 3 ) oy t2 ( 0 0 。) d l 9 东南大学硕士学位论文 ：0 4 4 7 ( 4 24 7 ) $ 2 4 0 十15 , ( 7 2 5 2 ) 5 0 ：1 2 3 9 0 8 ( n m ) t d = k 3 * ( d 2 - , 3 ) oy t2 ( 0 0 。) * d 2 + 2 b s i n0 ( 1 十k ) ) = 0 5 5 3 * ( 4 2 4 3 ) 2 4 0 12 ( 7 2 5 2 ) f ( 5 0 + 2 1 1 4 3 2 s i n 7 2 。) ( 1 + i 1 ) ) = 1 0 9 9 7 9 ( n m ) 2 3u 形箍的塑性变形 u 形箍在滚弯过程中，变形程度不断加大，当达到一定值时，板料内外表面 首先达到屈服开始塑性变形。随着变形的继续，塑性变形由板料表面向板料厚度 中心扩展，直至板料横截面上全部出现塑性变形，在最后一组滚压成形时出现加 工硬化。 滚压成形长带料时，带料发生纵横两个方向的塑性变形。其弯曲变形有如下 特点： ( 1 ) 在横向上出现与模具弯曲相同的变形。工件弯曲分成了直边和圆角部 分。弯曲变形主要发生在弯曲件的圆角部分，在靠近圆角部分的直边有少许变化， 远离圆角部分的直边无许变。 ( 2 ) 在弯曲处，变形区变形不均匀，外侧产生拉伸变形，其纤维因受拉而 伸长；内侧产生压缩变形，其纤维因受压而缩短。 ( 3 ) 变形区内板料长度方向上的横截面由于是成形带料，相当于宽板弯曲， 其横截面几乎不变。 2 3 i 横向弯曲变形分析 设板料弯曲区的应力。和应变e 的三个方向为切向( o 。、e 。) 、径向 ( 0 。、e 一) 、宽度方向( ob 、eb ) 。变形区的应力应变状态如下图所示： 誉 内层 吒 外层 口b 图2 6 弯曲变形时的应力应变状态 第二章滚弯成形原理及工艺分析 由图可见，板料弯曲时内外层的应变状态是平面的，应力状态是立体的。 u 形箍在滚弯过程中主要出现的问题是回弹和弯裂。由于在滚弯时增加了校 正辊轮，并且减少了弯曲的角度，这些都可以尽量的减小回弹，因此，在此只讨 论弯裂时材料的应力应变关系。 1 无硬化时的塑性弯曲 在外力作用下，随着弯曲半径r 的减小，弯曲板料由弹性变形阶段逐步过渡 到塑性变形阶段。变形区内的应力应变状态也由线性应力应变状态变为立体的应 力应变状态。当r t 很小时，整个断面全部进入塑性状态，取微元体如图2 7 所 示，p 。为应力中心层半径，p 为任意点半径。 吼十c l 瓯 图2 7 弯曲微元体上的作用力 p 因拉裂产生于外区，所以只需分析外区的应力应变关系。对于外区( r p p 。) ，其切向力的平衡微分方程为： io 。ipdn i oo + do 。( p + d p ) dn 一20odps i n ( d n 2 ) = o ( 2 1 ) 因为o 。为压应力，所以有： o 。i ：一op ，l oo + d0 。j = 一( 0 一+ do 。) ，并且因为da 很 小，s i n ( da 2 ) 一dn 2 ，略去二阶微量，整理得： d0p = ( 0 。一op ) d p p ( 2 2 ) 在外区，0 。为拉应力，0 ，为压应力，塑性条件可写成： o0 一op = 1 1 5 5os ( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入( 2 2 ) 有： op = 1 1 5 5o 。d p p 积分得： op = 1 1 5 5osdp p + c ( 2 4 ) 厚向应力的边界条件是：p = r 时，o 。= 0 ，代入式( 2 4 ) 得： c = 一1 1 5 5o ：l nr 因此得： op = 一1 1 5 5o 。i n ( r p ) 将式( 2 5 ) 代入( 2 3 ) 有： 0e = 1 1 5 5 0 。 1 一i n ( r p ) 又根据平面应变条件ob = ( 0o + 0 。) 2 ，所以有 ob = 1 1 5 5os 0 5 一l n ( r p ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 东南大学硕士学位论文 因板料向前送进时受辊轮摩擦力的影响，所以在b 向上会产生剪应力一m ， 根据库仑定律，有如下关系式： t2 u0n 式中：t 接触表面上的剪应力； “一摩擦系数，在此按密席斯屈服准则取0 5 7 7 ； on - - - 一接触表面上的正压力。 所以有： 1 岫= 0 5 7 70p = 0 6 6 70 。i n ( r p )( 2 8 ) 对于u 型箍其截面上的等效应力0i 有如下公式： oi = ( ( op 一0o ) 2 + ( 0o 一0b ) 2 十( ob op ) 2 十6t 2 pb 2 ) “2 当oi 超过材料的抗拉强度ob 时，板料就会沿弯曲线方向被拉裂，造成弯曲 件的报废。 2 考虑硬化时外区的应力 在滚弯加工中，硬化使屈服应力增加，在厚度方向上变形量与屈服应力的增 加是变化的。考虑硬化弯曲时作如下假设： ( 1 ) 变形终了时垂直于中心层的断面相对应力中性层上的各点发生转动； ( 2 ) 坯料相对于拉伸与压缩的硬化效果相同； ( 3 ) 弯曲时纵向变形的硬化效果与单向拉伸或压缩时线形变形的硬化效果 相同。 根据假设可得弯曲时纵向的真实对数应变eo 。 o = i n ( r p ) 若材料的硬化曲线为近似直线，则有： o。=0o d i n ( p po ) 式中 oo 一外推流动应力； d 一一材料硬化模数。 真实应变，当p p 。时为正号，当p z m a x z m i n = 0 1 3 0 1 0 = 0 0 3 需调整使得冲裁 凸、凹模的制造偏差为： 5p o 4 ( z m a x z m i n ) = 0 0 1 2 ； 6d 0 6 ( z n l a x z m i n ) = 0 0 1 8 。 零件的尺寸为1 0 “”，则凸、凹模刃口尺寸计算公式如下： d p = ( d + xa ) 一8 。 式中d ，、d d 一一冲孔凸、凹模刃口尺寸( m ) 2 1 东南大学硕士学位论文 d 一一零件公称尺寸( i i l l n ) ： 一零件公差( m m ) ： z a i n 一一最小合理间隙( m m ) ； 6p 、6d 一一凸、凹模制造偏差( m m ) ： x 一一一磨损量( m m ) 。 由手册表2 3 0 查得：x = 0 7 5 ，则凸、凹模刃口尺寸为： d r = ( d + x ) 一b 。= ( 1 0 + 0 7 5 丰0 2 2 ) 一0 0 1 2 = 1 0 1 6 5 吨。，。 d d = ( d + x a + z m i n ) + 64 = ( 1 0 + 0 7 5 半0 2 2 + 0 1 ) + 0 “8 = 1 0 2 6 5 + “叭8 ( 3 ) 废料排出装置的设计 一般在设计废料排出装置时，考虑两种方法： 1 ) 小孑l 废料在模具下滑槽中排出，或从模具上的缺口中排出。 2 ) 大孔废料排出洞口时，要防止废料卡死。 在该模具排料的设计中，对于凸凹模内的废料，采用在侧面开斜面，使废料 从侧面斜滑道落下的方法。斜面尺寸比废料的最大尺寸大，以保证废料在斜面内 滑动通畅。 5 2 2 端部成形工艺计算 1 成形力的计算 零件在切断后还要经过撕口、弯曲成形端部，为与前述滚弯成形力作区分， 该处以成形力表示。为了选择设备和设计模具，必须计算成形力。 成形力的大小不仅与毛坯尺寸、材料机械性能、凹模支点的距离、弯曲半径 以及模具间隙等因素有关，而且与成形方式也有很大关系，因此，要从理论上计 算成形力是很复杂的，计算精度也不高，通常在生产中是采用经验公式或经过简 化的理论公式计算。 撕口在理论上可以近似认为是剪切断裂，所以最大冲裁力可以按板料的抗剪 强度来计算。 撕口剪切力： f 撕= kl tt 弯曲成形力： f 弯= 0 7kbt 2 ob ( r + t ) 式中：f 弯一材料在冲压行程结束时的自由弯曲力( n ) b 一弯曲件的宽度( 唧) ； t 一弯曲件的厚度( m m ) ： r 一弯曲件的内弯曲半径( m ) ； ob 一材料的强度极限( m p a ) ，取。b = 4 5 0m p a k 一安全系数，一般取k = i 3 。 f 弯= 0 7 $ 1 3 2 7 8 $ l2 4 5 0 ( 1 + 1 ) = 5 6 9 2 ( k n ) 顶件力f 顶值近似取撕口剪切力的8 0 ，即 f 项= 0 8f 撕= 0 8 2 2 7 5 = 1 8 2 ( k n ) 总的成形力为 f 总= f 撕+f 弯+ f 顶= 2 2 7 5 + 5 6 9 2 + 1 8 2 = 4 6 6 4 2( k n ) 第五章切断成形模具设计 2 成形凸、凹模设计 ( 1 ) 凸、凹模间隙的选取 成形时，凸凹模间隙z 的大小对弯曲件质量有直接影响，过大的间隙引起回 弹角的增加；过小时，引起工件材料厚度的变薄，降低了模具使用寿命，因此必 须确定出合理的间隙值。凸凹模合理的间隙值一般可按下式计算： z=t+ct 式中：z 一弯曲凸、凹模单边间隙 t 一材料厚度 一材料厚度正偏差 c 一根据弯曲件高度h 和弯曲线长度b 而决定的系数。 当工件的精度要求较高时，凸、凹模的间隙值应当适当减少，可以取z = t = 1 。 ( 2 ) 凸、凹模工作部分尺寸和公差 1 ) 凸、凹模宽度尺寸计算： l p 与l d 表示凸、凹模的宽度尺寸，根据工件尺寸的标注方式不同，凸、凹 模宽度尺寸计算公式也不同。当弯曲件尺寸标注在外侧时则应以凹模为基准，先 确定凹模尺寸，然后确定凸模尺寸。如下式所示： 凹模宽度尺寸：l d = ( l 一0 7 5 ) “ 凸模宽度尺寸：l - = ( l d 一2 z ) 一 其中：l p 、l d 一弯曲凸、凹模宽度尺寸( m ) z 一弯曲凸、凹模单边间隙( m m ) l 一弯曲件内形的基本尺寸( m m ) 6p 、6d 一弯曲凸、凹模制造公差，采用i t 7 级，则6p = 0 0 2 0 ，6d = o 0 3 0 弯曲部分的尺寸为5 0 。，则弯曲凸、凹模宽度尺寸为： l d = ( l 一0 7 5 ) “一( 5 0 0 7 5 0 3 0 ) “”= 4 9 7 7 5 ”。 l p = ( l d 一2 z ) m = ( 4 9 7 7 5 2 十1 ) - 0 0 2 = 4 7 7 7 5 - 0 0 2 2 ) 凸、凹模的圆角半径与弯曲凹模深度的确定 凸模圆角半径r 。 若弯曲件的内侧弯曲半径为r ，则应取r p = r ，但不能少于材料允许的最小 弯曲半径。此处该零件所用材料允许的最小弯曲半径为0 5 t ，故r ，= 1 。 凹模圆角半径r d 凹模的圆角半径一般不要少于3 m m ，以免弯曲时材料表面出现划痕，或使弯 曲力增加，模具寿命降低。凹模两边的圆角半径应当一致，否则弯曲时毛坯会发 生偏移。通常r d 根据板料的厚度t 选取：当t 2 m m 时，r d = ( 3 6 ) t ，取 凹模圆角半径r d = 3t = 3m m 。 凹模深度l 。 凹模深度要适当，若过小，毛坯两边自由部分太多，弯曲件回弹大，不平直， 影响工件质量；若过大，凹模增大，消耗模具钢材多，且需要设备有较大的工作 行程。 凹模的深度l 0 可由手册表3 - - 1 2 查得l 。= 1 0m i l l 。 东南大学硕士学位论文 5 3 模具结构设计 5 3 1 模具结构设计注意事项 成形模结构设计应在选定弯曲件工艺方案的基础上进行，为了保证达到工件 的要求，在进行模具结构设计时，必须注意以下几点： 1 ) 坯料放置在模具上应保证可靠的定位； 2 ) 在压弯的过程中，应防止毛坯的滑动； 3 ) 为了消除回弹，在冲程结束时应使工件在模具中得到校正； 4 ) 成形模的结构应考虑到制造与维修中消除回弹的可能： 5 ) 毛坯放入模具上和压弯后从模具中取出工件要方便。 5 3 2 模具结构及工作过程 模具结构如图5 1 所示。切断、撕口成形模作为整体部件安装在机身支架上， 由导板导向。法兰1 和9 分别与左右两个液压缸相连接，并通过六角头螺栓和销 分别与凸凹模4 、凸模1 2 和凹模1 4 固定在一起。在液压缸的作用下，凸凹模4 、 凸模1 2 和凹模1 4 可实现左、右往复运动。 图5 1 模具结构 l 、9 法兰2 、1 3 垫板3 凸凹模固定板4 凸凹模5 推件块6 弹簧7 六 角头螺栓8 上导板l o 凸模固定板1 1 卸料螺钉1 2 凸模1 4 凹模1 5 凹模 固定板1 6 销1 7 下导板1 8 后导板1 9 前盖板 ，0 己 j 4 5 6 7 第五章切断成形模具设计 模具工作过程原理如图5 2 所示