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(duì)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(shí)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(dòng)了鈑金技術(shù)和裝備的飛速發(fā)展。

目前,鈑金折彎機(jī)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(jī)床制造公司把智能化精密數(shù)控折彎機(jī)作為折彎機(jī)主打產(chǎn)品,并已開發(fā)出折彎機(jī)器人。折彎模具作為數(shù)控折彎機(jī)的工作部件,其加工精度和使用壽命對(duì)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(dāng)務(wù)之急,更是模具企業(yè)今后的發(fā)展方向。

折彎機(jī)加載后結(jié)構(gòu)變形及補(bǔ)償措施

折彎機(jī)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(duì)于大型的折彎機(jī),如果不采取措施對(duì)其變形進(jìn)行控制,將會(huì)造成折彎件精度的大幅降低。

圖1 “boatbelly”示意圖

對(duì)于折彎機(jī)加載時(shí)產(chǎn)生的變形,必須采用補(bǔ)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(jìn)的方法有兩種:一種是在折彎機(jī)滑塊或(和)下梁的適當(dāng)位置處安裝液壓頂缸,通過控制各個(gè)頂缸的頂出壓力達(dá)到補(bǔ)償目的;另一種是在工作臺(tái)上表面采用機(jī)械式的撓度補(bǔ)償裝置達(dá)到補(bǔ)償目的。液壓頂缸式的方法操作容易,可以滿足I級(jí)精度要求的折彎生產(chǎn),對(duì)于大尺寸且精度要求高的折彎件,則以機(jī)械式撓度補(bǔ)償方式為主。

國外的補(bǔ)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(bǔ)償裝置(圖2),楔塊之間靠齒狀突起嚙合,每組楔塊都有單獨(dú)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)精密緊湊,但相對(duì)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(dòng)態(tài)控制方面,瑞士百超(Bystronic)公司先后設(shè)計(jì)開發(fā)了動(dòng)態(tài)壓力自動(dòng)測量和補(bǔ)償系統(tǒng)(PR)、板材厚度和反彈自動(dòng)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(jìn)行液壓動(dòng)態(tài)成形、自動(dòng)壓力控制和自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)?IPC可進(jìn)行動(dòng)態(tài)材料厚度測量和動(dòng)態(tài)回彈補(bǔ)償?shù)?。這種動(dòng)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(bǔ)償裝置

圖3 Bystronic折彎機(jī)加載智能測量系統(tǒng)

目前,國內(nèi)外關(guān)于折彎機(jī)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(bǔ)償折彎機(jī)中油缸補(bǔ)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)了迅速預(yù)測油缸補(bǔ)償力的目的。江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司潘殿生等對(duì)折彎機(jī)機(jī)械補(bǔ)償裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到變形規(guī)律,為補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)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(duì)折彎撓度補(bǔ)償進(jìn)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(jìn)的,采用液壓頂缸進(jìn)行補(bǔ)償。安徽聯(lián)盟模具工業(yè)股份有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)了折彎機(jī)機(jī)械式撓度補(bǔ)償工作臺(tái),通過實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)產(chǎn)生彈性變形來補(bǔ)償機(jī)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(xiàng)技術(shù),不能較好解決工件折彎過程中的回彈問題,將嚴(yán)重影響折彎件的質(zhì)量。

板料折彎成形回彈控制的設(shè)計(jì)最早源于生產(chǎn)實(shí)踐,人們總結(jié)了大量的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí),這為板料折彎回彈控制與模具設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)?；谠囼?yàn)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的板料折彎回彈研究具有積極的作用,為實(shí)際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)性原則。但是這種方法由于缺少準(zhǔn)確的定量設(shè)計(jì),導(dǎo)致板料折彎回彈出現(xiàn)問題后,只能通過物理試驗(yàn)進(jìn)行修正,造成了人力、物力、財(cái)力和時(shí)間的大量浪費(fèi)。雖然試驗(yàn)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(jì)的最佳檢驗(yàn)方法,而且試驗(yàn)可以為科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐提供第一手的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變、模具受力等無法用試驗(yàn)方法進(jìn)行展示的問題。

通過DYNAFORM有限元分析軟件對(duì)板料的折彎回彈進(jìn)行分析時(shí),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(zhǔn)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(shí)踐。在實(shí)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(yàn)、計(jì)算機(jī)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(zhǔn)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(yàn)的方法對(duì)影響因素進(jìn)行有效處理。正交設(shè)計(jì)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的一個(gè)分支,通過正交試驗(yàn)的方法可有效解決多因素試驗(yàn)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(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

通過有限元模擬軟件對(duì)多角度同時(shí)成形的特性及折彎回彈的原理進(jìn)行研究,運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法來確定影響回彈角的主要因素,從而在折彎機(jī)床及其關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)的過程中,重點(diǎn)修改影響較大的因素來減小回彈,可減少實(shí)際試驗(yàn)的成本,并提高生產(chǎn)效率,對(duì)折彎機(jī)床及其關(guān)鍵零部件的后續(xù)生產(chǎn)及改進(jìn)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(shí)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(gè)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(jìn)的半徑(圖4),使被折彎材料可以更均勻地進(jìn)入下模,這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)能使折彎材料承受最小的阻力,提高了材料成形精度,同時(shí)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(yùn)動(dòng)控制的折彎單元運(yùn)動(dòng)機(jī)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(dòng)化程度高的特點(diǎn),并對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了在線檢測。

日本天田(AMADA)設(shè)計(jì)的銳角折彎與壓平復(fù)合下模(圖6)通過對(duì)板料邊緣進(jìn)行折彎壓平,使產(chǎn)品外觀得以改善并能增加零件強(qiáng)度,其輕量化設(shè)計(jì)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(jī)株式會(huì)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(shí)模板隨著板料一起發(fā)生回轉(zhuǎn),與板料之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng),這樣就不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)折彎時(shí)易出現(xiàn)的擦痕,提高了產(chǎn)品精度和模具的使用壽命。