环框起弧模具设计

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环框起弧模具设计

邱红亮，吕红瑞，王江勇，郑娜娜，刘慧芬，冯鹏升

山西航天清华装备有限责任公司（山西长治    046012)

【摘要】根据环框的结构特点，针对传统三辊卷板成形工艺中留下后期难以完全消除材料 厚度的10〜20倍直边，造成材料极大浪费等问题，提出环框起弧技术方案。使用三维建模 软件对环框起弧模具结构进行实体建模，得到起弧模装配结构示意图，并进行了强度校 核。通过试验得出当回弹系数取0.88时设计出的环框起弧模具,成形效果良好，能实现去 除直线段的目的，降低了生产成本，为环框起弧模具设计提供有价值的参考。
关键词：环框;起弧模具；回弹系数
1    引言
    环框作为装备制造企业中D头舱的主要零件，其弯制成形的精度和质量直接影响整个D头舱生产的效率和效益。
    目前，环框成形是在三辊卷板机上完成的，但是在辊弯时，由于两端材料未能受到三辊的同时辊压， 因而留下一段平直部分，这部分直端长度约为材料厚 度的10〜20倍，这些直边在后期的校圆过程中也难以 完全消除，如果不预弯造成材料的极大浪费，故需研 究板材两端起弧技术。而起弧方法的选择决定了制件的成形效果和材料的浪费程度。本文目的为了减少理论直边造成的极大的浪 费，研究两端头预弯成形技术，尽可能消除剩余直 边，为解决这一问题，摸索出合适的起弧模具结构 (包括凹模、凸模形状，模架设计等）和合理的模具参 数(包括凹模、凸模尺寸计算以及压力机压力大小计 算等），以求提高一次起弧成功率，即无剩余直边、起 弧精度高、回弹小、合适的压力大小等，对起弧模具 依次建立有限元模型、网格划分、施加边界条件和边 界理论，通过有限元计算分析得到起弧模具的分析 结果，通过应力和应变云图的对比分析，优化起弧模 具结构，建立安全可靠起弧模具，达到理想的成形 效果。
! F- y8 D5 W" l8 ~2    起弧模具设计
2.1    起弧模具实体模型的建立    
    起弧模具有上模架、凸模、凹模、定位板、吊点等 组成。上模架通过螺栓与凸模连接，根据不同直径环框，共用一个上模架，更换凸模，模架、凹模两侧有吊点安装孔，左右两个360°旋转吊点用于起吊。为使环 框成形位置就合适，设计定位板，起弧模具结构示意图如图1所示。
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2.2   凸模设计
) R: l# m8 O/ q凸模设计的关键在于凸模半径R的计算，理论计算尺寸：

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2.3    模架设计
2 \. M) X2 I7 }" [* p; O- k1 b(1)    上模宽度计算。
# H7 r' ~1 h1 N" P    根据使用卷板机的实际尺寸计算出理论剩余直边,卷板机两下辊的尺寸图如图2所示。
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) w, D6 _; o  {7 _    理论剩余直边长度为L1=L/2+50,其中L为卷板机下辊间的距离。
8 A5 Q) m: C2 C3 w0 V0 G& Y/ h& ?    考虑实际情况上模宽度B=L/2+50+(100-200)= 600mm。所以上模宽度为600mm。
(2)    上模架高度计算。
9 i* i) ~; @8 ~    在起弧过程中很容易发生工件与压力机或模架的干涉。因此需设计合理模架高度。如图3所示为压力机与起弧模的位置示意图，此时为压模过程中的极限位置，需保证在此极限位置时工件与模架不产生干 涉。根据此示意图并在0^0中绘图即可计算出模架 的最低高度。
4 Y4 T" M5 Y- F$ ~    根据计算出的最大压力计算模架的最佳结构，计算结果如图4所示。

2.4    凹模设计
    凹模的设计直接决定着该起弧模的弯曲精度，根 据V型、U型、弧型方案的评价及优选过程，最终选择了弧型凹模。这种形式的凹模设计，保证在凸模下行的终了阶段将弯曲件压靠在凹模上，是对弯曲件的精压，减小回弹，提高精度。其中，凹模弧度(半径)大小 为凸模半径加板厚。
6 N3 B2 @8 e+ t' q2.5    参数化设计
    为快速完成设计，设计一套计算程序完成，通过 输入已知参数，求出未知各参数(凸模半径），为后续 设计提高时间效率。
( \: u( _; c  |5 w4 W    通过程序界面计算得出的数据和固定数据，在UG进行模具的参数化建模(见图5)，大大的提高了设计的效率。




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3    起弧模具关键零组件的有限元分析
3.1    压力计算
2 U5 U% |/ `* V1 P8 k% O& O- h    为了验证起弧模具的安全可靠性，对起弧模具的 关键零组件建立有限元模型并对其进行有限元分析， 根据强度校核理论分析有限元结果,当起弧模具关键零组件的最大应力远低于材料的许用应力并完全满足强度要求的前提下，适当减小相关零组件的厚度尺寸，以节约起弧模具的生产制造成本。
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+ e& H' N. M3 z    为了选择弯曲时所需用的压力机和进行模具设计，必须计算弯曲力，弯曲力的大小与弯曲件的形状、机械性能及下模圆角半径等因素有关。对于一般形状的弯曲件按下列公式计算：
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    此处起弧模具进行起弧时，在自由弯曲的终了阶段，上模将弯曲件压靠在下模上，这时的压力相当于校正弯曲力，由公式算得。将各数据代入得：
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  w9 a' J8 \* Q( n3 k- D0 j3.2    上模架的有限元分析
    起弧模分别施加校正弯曲载荷，得到了起弧模具 台架的有限元分析结果,起弧模具台架的应力图如图 6所示。从图6起弧模具台架应力云图可以看出，最大应 力在255Pa，最大应力分布在竖筋和底板的交界处，长 矩形管采用(Q345A材料，材料的屈服极限为345MPa,台架的安全系数为1.2，台架安全可靠。

3.3    凹模的有限元分析
; b2 g6 d( v3 t: R! Q    凹模是连接压力机和制件的重要零件，它的强度是影响起弧成形成功的关键因素，对凹模进行网格划分，通过设置边界条件和施加载荷，完成凹模的有限 元分析，在凹模具上表面施加轴承力校正弯曲载荷, 经过计算得到凹模的有限元分析结果。凹模的应力云图如图7所示。
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$ Y8 ]; c; {9 V% z8 ~1 M    从图7可以看出，凹模最大应力分布在底板与凹 块焊接位置，最大应力为75.5MPa，转接耳材料为Q345A，材料的屈服极限为345MPa,安全系数为4.5， 满足加载试验要求。
3.4    试验
通过试验成形结果如表1所示。通过试验当回弹系数为0.88,实际压出合格制件,该端框的预弯半径与理论值基本吻合，且无剩余直边，试验目标达到。并为后续设计提供了宝贵经验。




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4    结束语
    对于上模架和凹模等关键零件的实体模型，根据 有限元理论，通过网格划分、边界条件设置、施加载荷，最后通过计算得到有限元分析结果，根据强度校核理论对关键零组件进行强度校核，得到了关键零件的应力应变云图，通过试验验证了强度要求，通过试验得到当回弹系数取0.88时，达到了去除理论直边的要求。分析结果表明，此起弧模具安全可靠，强度能保证油缸加载试验的使用要求，预弯半径与理想值基本吻合，且无剩余直边。

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