精密折彎技術(shù)及模具研究

2016-09-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著汽車、船舶、航空航天、電器儀表、輕工化工的發(fā)展,對金屬構(gòu)件的形狀復(fù)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(yīng)用范圍廣、操作方便、生產(chǎn)效率高、便于實現(xiàn)數(shù)控化等優(yōu)勢,成為大多數(shù)金屬構(gòu)件生產(chǎn)制造的必要組成部分,也帶動了鈑金技術(shù)和裝備的飛速發(fā)展。

目前,鈑金折彎機已由手工式、液壓式向數(shù)控化、智能化轉(zhuǎn)變,國外多家著名機床制造公司把智能化精密數(shù)控折彎機作為折彎機主打產(chǎn)品,并已開發(fā)出折彎機器人。折彎模具作為數(shù)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(zhì)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(zhuǎn)化是我國模具工業(yè)的當務(wù)之急,更是模具企業(yè)今后的發(fā)展方向。

折彎機加載后結(jié)構(gòu)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(fā)生“boatbelly”效應(yīng),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(chǎn)生的變形,必須采用補償?shù)姆椒ㄓ枰越鉀Q,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(diào)整困難、費時費力、效率低,精度也難以得到保證,如今只應(yīng)用于局部的微調(diào)。

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(chǎn),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(shù)比較成熟,荷蘭WILA公司的L.Jacobus、van Merksteijn等發(fā)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(gòu),這種結(jié)構(gòu)精密緊湊,但相對比較復(fù)雜,且成本偏高,在國內(nèi)并未見有應(yīng)用。在折彎精度動態(tài)控制方面,瑞士百超(Bystronic)公司先后設(shè)計開發(fā)了動態(tài)壓力自動測量和補償系統(tǒng)(PR)、板材厚度和反彈自動測量修整系統(tǒng)(IPC)。PR包括借助下刀梁中的短行程液壓缸進行液壓動態(tài)成形、自動壓力控制和自動溫度補償?shù)?IPC可進行動態(tài)材料厚度測量和動態(tài)回彈補償?shù)?。這種動態(tài)控制方法可應(yīng)用于各種折彎加工情況,能夠有效保證不同規(guī)格零件的折彎質(zhì)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(tǒng)

目前,國內(nèi)外關(guān)于折彎機滑塊撓度曲線的變形資料仍處于技術(shù)保密階段,合肥工業(yè)大學(xué)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(guān)系,建立了折彎力和加載長度與油缸補償力之間的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,通過輸入備選的加工參數(shù),實現(xiàn)了迅速預(yù)測油缸補償力的目的。江蘇揚力數(shù)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(shù)值模擬,得到變形規(guī)律,為補償裝置的設(shè)計提供了理論依據(jù)?？傊?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(yīng)的成果。國內(nèi)可以生產(chǎn)此類產(chǎn)品的廠家主要是黃石鍛壓公司,其技術(shù)是由LVD公司引進的,采用液壓頂缸進行補償。安徽聯(lián)盟模具工業(yè)股份有限公司研發(fā)設(shè)計了折彎機機械式撓度補償工作臺,通過實現(xiàn)對工作臺產(chǎn)生彈性變形來補償機床滑塊的變形。

板料成形過程的數(shù)值模擬研究

回彈控制是折彎工藝中最為重要的一項技術(shù),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(zhì)量。

板料折彎成形回彈控制的設(shè)計最早源于生產(chǎn)實踐,人們總結(jié)了大量的經(jīng)驗性知識,這為板料折彎回彈控制與模具設(shè)計奠定了基礎(chǔ)?；谠囼灪徒?jīng)驗知識的板料折彎回彈研究具有積極的作用,為實際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)性原則。但是這種方法由于缺少準確的定量設(shè)計,導(dǎo)致板料折彎回彈出現(xiàn)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(shè)計的最佳檢驗方法,而且試驗可以為科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐提供第一手的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。

隨著計算機硬件水平的不斷提高以及數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機數(shù)值模擬成為目前板料成形中最為常用的方法,利用數(shù)值模擬技術(shù)可以研究如金屬流動、應(yīng)力應(yīng)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(jié)果。為確保模擬結(jié)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(guī)律,從而有效地指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。在實際情況下,影響回彈的因素眾多,而模擬結(jié)果也和操作者的經(jīng)驗、計算機使用環(huán)境等因素有關(guān),這些因素均影響了模擬結(jié)果的準確性。

在DYNAFORM軟件中,有些輸入?yún)?shù)可以確定,如材料參數(shù)、加工工藝參數(shù)等,而有些參數(shù)難以確定,如網(wǎng)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(shè)計是數(shù)理統(tǒng)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(yōu)的水平組合,對實際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)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(guān)鍵零部件設(shè)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(chǎn)效率,對折彎機床及其關(guān)鍵零部件的后續(xù)生產(chǎn)及改進有一定的意義。

目前,已開發(fā)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(fā)的帶有STONE半徑的下模(LVD的專利產(chǎn)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(cè)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(shè)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(fā)的多邊折彎加工中心(圖5)采用復(fù)合運動控制的折彎單元運動機構(gòu),使折彎刀具不在板料上留下劃痕,這些功能既提高了產(chǎn)品精度和模具使用壽命,又具有重復(fù)性高、速度快、柔性好、自動化程度高的特點,并對生產(chǎn)過程實現(xiàn)了在線檢測。

日本天田(AMADA)設(shè)計的銳角折彎與壓平復(fù)合下模(圖6)通過對板料邊緣進行折彎壓平,使產(chǎn)品外觀得以改善并能增加零件強度,其輕量化設(shè)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(fā)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(fù)合模具圖7 橡膠下模

日本小松產(chǎn)機株式會社(Komatsu)開發(fā)了一套無痕折彎下模(圖8),下模兩端是兩塊可以回轉(zhuǎn)的模板,折彎時模板隨著板料一起發(fā)生回轉(zhuǎn),與板料之間沒有相對運動,這樣就不會產(chǎn)生傳統(tǒng)折彎時易出現(xiàn)的擦痕,提高了產(chǎn)品精度和模具的使用壽命。