高强度不锈钢和低强度金属材料折弯模具设计

高强度不锈钢和低强度金属材料折弯模具设计

0生产企业的确定如图1所示，设备的外壳结构形状为u型材料，如图1所示。如图1所示，这种结构形状可以通过各种方法制作和加工，如分段焊接、折叠等。工件的材料为0Cr17Ni4Cu4Nb,是一种高强度不锈钢材料,要求成型后工件的尺寸精度和批量生产的一致性要好。由于本工件属于大型薄壁深腔U型件,采用折弯成型比较困难,而且精度很难保证。如采用分块焊接的方式成型,其焊接变形情况比较难以控制,批量生产的一致性不好,并且对成型后的工件的刚性和强度有一定的影响。经过各种方法的分析比较,认为对本工件采用模具弯曲成型的方法较好,由于工件的尺寸相对较大,所以模具的尺寸也相对比较庞大,模具的加工和试模都较为困难,生产准备成本相对较高,但对于有一定批量的工件,综合考虑产量、效率和质量等因素,采用模具成型还是比较合适的。1cr17ni4cu4nb板料本工件使用的材料厚度是2mm厚的0Cr17Ni4Cu4Nb板料,是一种高强度不锈钢,其σs可达1100MPa,弹性模量E≈20300MPa。1.1板材料的最小弯曲半径确定1.1.1计算最小弯曲半径本工件采用的材料规格为500mm×3000mm,板料的纤维方向沿长度方向,由于工件的尺寸所限,折弯时的弯曲线只能选取与板料纤维方向平行,故在此只需计算出弯曲线与纤维方向平行时的最小弯曲半径并作相应试验即可。估算最小弯曲半径的经验公式为:Rmin=ηt[ηβ(ε+1)−2]2[1−(ε+1)ηβ](1)Rmin=ηt[ηβ(ε+1)-2]2[1-(ε+1)ηβ](1)式中:η——材料的变薄系数,本模具中材料没有变形故取η=1β——展宽系数,当板料宽度大于板料厚度3倍时,取β=1ε——材料的延伸率,此处查表取ε=0.12t——板料的厚度,此处t=2mm将以上各数值代入式(1)得:Rmin≈7.33mm1.1.2板料的弯曲冲压为了确保所选取的最小弯曲半径能够满足使用要求,必须进行试验验证工作。确定最小弯曲半径的试验方法比较简单,截取多块100mm×100mm的板料,在冲压车间利用已有的模具在计算结果的指导下选择弯曲半径进行冲压。选择的弯曲半径分别为5、6、7、8mm,试验结果为采用5mm折弯半径的板料在表面有明显的裂纹出现,采用6、7、8mm折弯半径的板料无明显裂纹,对这些板料进行了X光探伤工作,6mm折弯半径的板料在圆角区有局部的裂纹出现,7mm和8mm折弯半径的试验件比较好,为安全起见最终选取8mm为本工件的弯曲半径。1.2弯曲力的计算1.2.1板料在压弯过程中的受力弯曲用力的理论计算相当复杂,其受到材料性能、零件形状、模具结构等多种因素的影响,并且计算出来的数值也不一定准确,在此参照如下经验公式来估算弯曲力,图2为板料在压弯过程中的简化受力示意图。P=0.7KBt2σb/(R+t)(2)式中:B——弯曲线长度,mmt——材料厚度,mmR——内弯曲半径,mmσb——材料抗拉强度极限,MPaK——安全系数,一般取K=1.3在本工件中,上述各参数的数值为:B=3000×2=6000mm,t=2mm,R=6mm,σb=1100MPa,代入式(2)计算结果为:P≈300t。1.2.2cpx的计算在工件的弯曲过程中,凹模的受力情况如图3所示。Px=Pcosαsinα/2=Psin2α/4一般情况下,最大弯曲力P出现在α<45°范围内,为计算安全起见,可取Px=P/4=75t。1.3《隋书》卷1《地理志》载弯曲件的回弹值一般受两部分的综合影响,一部分是弯曲件的弯曲角度的回弹,另一部分是弯曲半径发生的回弹。当弯曲半径R/t<5时的自由弯曲,弯曲件的弯曲角度会发生变化,而弯曲半径的变化比较小,可以忽略不计。本工件的R/t=4<5,故本工件可以不考虑弯曲半径的回弹影响,根据一般回弹角的简化计算公式可知:tanΔφ=0.75τ(1−k)tσsE(3)tanΔφ=0.75τ(1-k)tσsE(3)式中:Δφ——回弹角(单侧)k——中性层系数τ——弯曲力臂等于rd+rp+1.25t(rd为凹模圆角半径,rp为凸模圆角半径)σs——屈服应力,MPaE——弹性模量,MPat——材料厚度,mm本工件中E=203000MPa,σs=1200MPa,t=2mm,τ=10+6+1.25×2=18.5mm并选取R=0.47,代入计算可得回弹角Δφ≈4.5°。2初始模型的结构设计和实验2.1凸模深度设计根据本工件的特点,凸模设计成如图4(a)所示的形状,凹模设计成如图4(b)所示的形状。工件的回弹靠凸模的的角度α来补偿,凸模设计成整体结构形式,为了节省材料,凹模深度采用工件部分压入深度设计,即凹模深度设计为120mm,小于工件高度200mm。凹模由凹模侧板和侧面加强筋焊接成型,凹模内腔尺寸是焊接成型后用机加的方法保证。2.2突出设计与凸凹建模的距离2.2.1ad、mma—模具基本尺寸由于工件要求保证外型尺寸,故应以凹模为基准,根据经验公式可得凹模的宽度尺寸为:Ad=(A−Δ2)+δd0(4)Ad=(A-Δ2)0+δd(4)式中:Ad——凹模尺寸,mmA——弯曲件的基本尺寸,104mmΔ——弯曲件公差,0.5mmδd——凹模的制造公差,此处选IT7级公差0.035mm将各尺寸代入式(4)得:Ad=(104−0.52)+0.0350=103.75+0.0350mmAd=(104-0.52)0+0.035=103.750+0.035mm2.2.2发育qpz—凸凹模间隙凸凹模之间的间隙由如下公式确定:Z=tmin+Ct(5)式中:Z——凸凹模单面间隙,mmtmin——毛坯最小厚度,mmC——间隙因数,根据经验此处取为0.18将各尺寸代入式(5)可得:Z=2+0.18×2=2.36mm2.3试验模型2.3.1适应性试验结果模具加工完成后,首先用同尺寸大小的20#钢板对模具进行了适应性试验,试验结果比较理想,然后用实料进行试验,压力机吨位为800t,试验后发现工件的回弹比较大,单边回弹达到10°左右,如图5所示。2.3.2低强度钢回弹特性综合试验情况分析,工件回弹比较大,是由于工件属于高强度不锈钢,它与低强度钢相比其折弯特性不同,并且由于压力机的吨位所限,在弯曲成型的终了校型阶段,材料没有得到比较好的校形,故回弹值比较大,在现有的压力机吨位比较小的情况下采用靠凸模的倾角α(图3)来补偿回弹比较困难。3改进和测试螺母3.1卸料板结构设计根据前一阶段的试模情况,为了较好的在现有条件下补偿工件回弹角,特将卸料板设计成如图6(a)的结构形式,凸模也做适应性的更改如图6(b)所示。同时根据前期的试模情况,将凹模进行加强,即在双侧添加一倍的加强筋。3.2测量点的选取模具修改完成后,先用20#钢对模具进行了适应性的压制,然后用实料进行了压制试验,分别进行了两次压制试验,2个工件的尺寸情况如表1所示。上表中测量点的选取是按照工件全长的平均间隔选取,其中侧边垂直尺寸误差的表示方法说明如图7所示,采用了比较简单直观的表示方法。综合分析以上尺寸情况发现,工件在全长范围内的回弹值控制不均匀,工件的侧边有波纹现象发生,越靠近开口部位其波纹越大,同时有向单边倾斜的情况出现,即工件两侧的回弹值控制不均匀。3.3压制过程中模具最大变形根据以上情况得出,工件的回弹情况已比前期得到了较好的控制,改进后的模具结构可以解决工件的回弹,工件的直边波纹情况的发生可能是由于凹模在压制过程中的变形以及凸凹模在压制过程中的对中性不好所致,此外由于工件不是采用全深度压入,在压制的终了阶段工件的上端仍处于自由状态,也是导致工件变形的一个主要原因,为了证实模具在压制过程中的变形是导致工件变形的一个主要原因,在进行工件压制过程中对模具的几个点的变形情况进行了监测,监测点如图8所示,在压制过程中检测的模具最大变形量见表2。模具的最大变形发生在凸模进入凹模的初始阶段,即在板料完成直边成型的过程当中,最大变形达到0.30mm,这种变形直接导致了工件在成型阶段尺寸的偏差,使U型件的底部尺寸不均匀,从而导致直边尺寸的误差。另一方面,由于凸凹模变形,导致凸凹模间隙的不均匀,也增加了工件的变形程度,综合导致工件直边有喇叭口和波纹形状的出现。4模具设计的原则经过对有类似工件生产任务的承制单位进行调研,发现在模具设计初始阶段都采用了类似于图3形式的模具结构,基本上完全按低强度钢或者铝合金的弯曲成型的经验进行,没有意识到高强度钢的特殊性,在试制过程中也都暴露了上述问题,有的进行了后续改进,有的则因此无法继续生产下去,浪费了资源,增加了研制周期。对高强度不锈钢的的弯曲成型,有其特殊性,不能完全按低强度不锈钢的弯曲成型模的设计经验来进行模具设计,在模具设计上应遵循如下几点。(1)对与本工件类似的大型弯曲工件,其模具在结构上应采用整体铸钢件为好,这样能够基本上消除模具在压制过程中的变形给工件带来的变形,采用图4类型的模具结构,其模具的变形很难消除或降低到可接受的范围内,并且模具的寿命较短,这种模具结构比较适合于小型的弯曲工件并在小批量生产的情况下使用。(2)为了保证工件的精度,模具必须采用工件的全深度压入设计