精密折彎技術及模具研究

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

隨著汽車、船舶、航空航天、電器儀表、輕工化工的發展,對金屬構件的形狀復雜度、成形精度、使用壽命要求越來越高,需求量日益增大,金屬零件鈑金成形工藝因其應用范圍廣、操作方便、生產效率高、便于實現數控化等優勢,成為大多數金屬構件生產制造的必要組成部分,也帶動了鈑金技術和裝備的飛速發展。

目前,鈑金折彎機已由手工式、液壓式向數控化、智能化轉變,國外多家著名機床制造公司把智能化精密數控折彎機作為折彎機主打產品,并已開發出折彎機器人。折彎模具作為數控折彎機的工作部件,其加工精度和使用壽命對折彎工件成形精度的高低、質量的好壞有著直接的影響。因此,由中、低端折彎模具向高端折彎模具的轉化是我國模具工業的當務之急,更是模具企業今后的發展方向。

折彎機加載后結構變形及補償措施

折彎機通過分布于滑塊兩端的左右液壓缸提供壓力,而折彎件變形反作用力的合力偏于滑塊中間部位,這使得工件在全長上受壓不均等,兩端壓力大,中間壓力小,發生“boatbelly”效應,如圖1所示。對于大型的折彎機,如果不采取措施對其變形進行控制,將會造成折彎件精度的大幅降低。

圖1 “boatbelly”示意圖

對于折彎機加載時產生的變形,必須采用補償的方法予以解決,否則精度無法保證。早期的方法是在撓度不足處增加墊片,這種方法調整困難、費時費力、效率低,精度也難以得到保證,如今只應用于局部的微調。

目前,比較先進的方法有兩種:一種是在折彎機滑塊或(和)下梁的適當位置處安裝液壓頂缸,通過控制各個頂缸的頂出壓力達到補償目的;另一種是在工作臺上表面采用機械式的撓度補償裝置達到補償目的。液壓頂缸式的方法操作容易,可以滿足I級精度要求的折彎生產,對于大尺寸且精度要求高的折彎件,則以機械式撓度補償方式為主。

國外的補償技術比較成熟,荷蘭WILA公司的L.Jacobus、van Merksteijn等發明了一種楔塊撓度補償裝置(圖2),楔塊之間靠齒狀突起嚙合,每組楔塊都有單獨的傳動機構,這種結構精密緊湊,但相對比較復雜,且成本偏高,在國內并未見有應用。在折彎精度動態控制方面,瑞士百超(Bystronic)公司先后設計開發了動態壓力自動測量和補償系統(PR)、板材厚度和反彈自動測量修整系統(IPC)。PR包括借助下刀梁中的短行程液壓缸進行液壓動態成形、自動壓力控制和自動溫度補償等,IPC可進行動態材料厚度測量和動態回彈補償等。這種動態控制方法可應用于各種折彎加工情況,能夠有效保證不同規格零件的折彎質量,如圖3所示。

圖2 WILA公司撓度補償裝置

圖3 Bystronic折彎機加載智能測量系統

目前,國內外關于折彎機滑塊撓度曲線的變形資料仍處于技術保密階段,合肥工業大學吳焱明等為了獲得液壓補償折彎機中油缸補償力與下橫梁變形之間的關系,建立了折彎力和加載長度與油缸補償力之間的BP神經網絡模型,通過輸入備選的加工參數,實現了迅速預測油缸補償力的目的。江蘇揚力數控機床有限公司潘殿生等對折彎機機械補償裝置進行了數值模擬,得到變形規律,為補償裝置的設計提供了理論依據。總之,以上科技人員從不同程度、不同角度對折彎撓度補償進行了研究,取得了相應的成果。國內可以生產此類產品的廠家主要是黃石鍛壓公司,其技術是由LVD公司引進的,采用液壓頂缸進行補償。安徽聯盟模具工業股份有限公司研發設計了折彎機機械式撓度補償工作臺,通過實現對工作臺產生彈性變形來補償機床滑塊的變形。

板料成形過程的數值模擬研究

回彈控制是折彎工藝中最為重要的一項技術,不能較好解決工件折彎過程中的回彈問題,將嚴重影響折彎件的質量。

板料折彎成形回彈控制的設計最早源于生產實踐,人們總結了大量的經驗性知識,這為板料折彎回彈控制與模具設計奠定了基礎。基于試驗和經驗知識的板料折彎回彈研究具有積極的作用,為實際生產提供了指導性原則。但是這種方法由于缺少準確的定量設計,導致板料折彎回彈出現問題后,只能通過物理試驗進行修正,造成了人力、物力、財力和時間的大量浪費。雖然試驗存在著各種各樣的問題,但其目前仍是板料回彈控制設計的最佳檢驗方法,而且試驗可以為科學研究和生產實踐提供第一手的指導數據。

隨著計算機硬件水平的不斷提高以及數值模擬技術的飛速發展,計算機數值模擬成為目前板料成形中最為常用的方法,利用數值模擬技術可以研究如金屬流動、應力應變、模具受力等無法用試驗方法進行展示的問題。

通過DYNAFORM有限元分析軟件對板料的折彎回彈進行分析時,其模擬的回彈角是多種因素綜合作用的結果。為確保模擬結果的準確性,需要綜合考慮沖壓速度、模具間隙等因素的影響,并從中找到一定的規律,從而有效地指導生產實踐。在實際情況下,影響回彈的因素眾多,而模擬結果也和操作者的經驗、計算機使用環境等因素有關,這些因素均影響了模擬結果的準確性。

在DYNAFORM軟件中,有些輸入參數可以確定,如材料參數、加工工藝參數等,而有些參數難以確定,如網格的劃分密度、料厚等因素。為有效解決這一難題,采用正交試驗的方法對影響因素進行有效處理。正交設計是數理統計的一個分支,通過正交試驗的方法可有效解決多因素試驗問題,并確定影響折彎件回彈因素的主次順序,找到最優的水平組合,對實際生產有一定的指導意義。

通過有限元模擬軟件對多角度同時成形的特性及折彎回彈的原理進行研究,運用正交試驗的方法來確定影響回彈角的主要因素,從而在折彎機床及其關鍵零部件設計的過程中,重點修改影響較大的因素來減小回彈,可減少實際試驗的成本,并提高生產效率,對折彎機床及其關鍵零部件的后續生產及改進有一定的意義。

目前,已開發的具有金屬板料成形過程仿真功能的通用軟件有美國的ANSYS、DYNAFORM、MARC、ABAQUS,法國的PAM-STAMP、OPTRIS和瑞士的AUTOFORM、INDEED等。

精密折彎模具研究

比利時LVD公司開發的帶有STONE半徑的下模(LVD的專利產品)保證了沿整個折彎長度的精確折彎角度。此類型模具在V型槽兩側具有漸進的半徑(圖4),使被折彎材料可以更均勻地進入下模,這種獨特的設計能使折彎材料承受最小的阻力,提高了材料成形精度,同時由于減少了模具的磨損,延長了模具的使用壽命。

圖4 模具成型面

圖5 薩瓦尼尼折彎中心

意大利薩瓦尼尼公司(Salvagnini)開發的多邊折彎加工中心(圖5)采用復合運動控制的折彎單元運動機構,使折彎刀具不在板料上留下劃痕,這些功能既提高了產品精度和模具使用壽命,又具有重復性高、速度快、柔性好、自動化程度高的特點,并對生產過程實現了在線檢測。

日本天田(AMADA)設計的銳角折彎與壓平復合下模(圖6)通過對板料邊緣進行折彎壓平,使產品外觀得以改善并能增加零件強度,其輕量化設計使模具重量比原有模具減輕了60%;在防止折彎壓痕方面,開發了一種橡膠下模(圖7),采用彈性的橡膠體取代金屬模具,可以消除板材的折彎壓痕和模具接刀痕,適合不銹鋼板和鋁板的折彎,保證了折彎精度和使用壽命。

圖6 折彎壓平復合模具圖7 橡膠下模