自动弯曲机模具设计分析

戴宗声

（柳州凌云汽车零部件有限公司 广西柳州 545000）

自动弯曲机模具设计分析

戴宗声

（柳州凌云汽车零部件有限公司 广西柳州 545000）

本文主要介绍自动弯曲机模具的设计方法和步骤，重点分析按照常规方法设计弯曲模时所存在的问题，并结合实际经验介绍可操作的设计手段。同时提出弯曲成形动态模拟的思想，建立弯曲成形的数学模型和力学模型，介绍成型模拟的计算方法。

自动弯曲机；弯曲成型；成型模拟

1 引言

自动弯曲机是一种高效先进的冲压机床，它是利用机床的自动送料机构、冲床部分和弯曲滑块部分对坯料进行冲孔、切边、压印、弯曲、成形的，可将复杂的弯曲成形工序分解成相对简单的单个工序，最后完成零件加工。

设计弯曲模时必须解决如下主要问题：

（1）由于多工位弯曲成形（可以是六工位），在成形过程中各冲头、工件及芯模之间应避免相互干涉。

（2）冲头的运动加速度尽量小，增加工作平稳性和减少冲击力。

（3）弯曲受力方向应有利于工件弯曲成形。

（4）在空间各弯模布置合理，使芯模上所受合力尽量小，以减少芯模变形。

（5）由于受机床尺寸限制，凸轮的基圆较小，在此前提下仍要满足许用压力角及凸轮轮廓线连续光滑的要求。

（6）设计中希望得到凸轮轮廓线上各点的速度、加速度、惯性力、压力角、曲率半径等参数值，用以作定性分析。

2 成形工艺分析

图1所示零件原加工工艺为：下料→落料→冲孔→小端弯曲→主体弯曲→成形→锁边，其中成形和锁边工序为3工位模具，其余为单工序模具。为稳定质量，提高效率，现改用自动弯曲机加工，加工工艺为：下料→成形→锁边，相对于原工艺，保留了第一和最后一道工序，中间5道工序在弯曲机上一次完成，达到了稳定质量，提高效率的目的。

图1 零件及展开图

3 弯曲机模具设计

3.1 系统总体设计

系统概貌如图2所示。

图2 系统样貌

零件输入是进行弯曲成形模拟的前提条件。因为受弯零件往往较为复杂，有较多的圆弧连接，具有一定的特殊性，为此我们专门研制了一个通用性的参数代码法处理模块二，可以适用于普遍情况，使用效果良好。一般而言，零件输入在整个成形模拟中所占工作比重并不大，但是所有后续工作均要建立在一个准确的零件基型上。

由于在成形模拟过程中工件形状不断发生变化，其变化与冲头、芯模形状有关，故设计一个通用数据结构极有必要。该数据结构要将冲头、芯模、工件以统一形式表示，并适应于变动的需要。我们采用了一种环数据结构，该数据结构既有几何信息、又有拓扑信息，可以随时反映工件的当前形态。

通过不考虑工件的空行程试车和成形模拟两个过程，以工件、冲头、芯模互不干涉为条件，我们可以找到某一布局下的一组解。

受力方向的合理性直接关系到成形的质量，动态模拟可对成形过程的受力情况进行定性分析，通过改变弯模的布局可以改善受力条件。

为保证弯曲过程顺利进行及便于制造，每一刀具形状不应太复杂，这也是在各种布局下选择最后解的一个考虑因素。

3.2 冲裁部分设计

冲裁部分设计应尽可能采用导板模结构。导板模具有制造容易，导向好，动作可靠等优点，在进行设计时需要注意的是：固定凸模与凸模时需要零间隙配合，凸模与导板采用双面0.01mm间隙配合，根据材料的性质来确定凸模与凹模的配合。如果是切边，凸模则会受到较大的侧向力，因此需要在主冲裁面的反向取0.005mm间隙，还需要在凸模头部修磨出导向凸台，从而使材料前凸模进入到凹模，然后才能进行进行导向。在自动弯曲机上加工零件时，坯料宽度就是零件的宽度。在导板适当的位置增加导料柱安装孔，通过导料柱控制零件的相对位置。料槽在适当情况下能够加工得宽些，这样能够减少因坯料直线度的问题而造成的送料不畅。

3.3 弯曲成形设计

确定凸模的具体尺寸和结构，需要根据总体方案制定的要求，来计算每个凸模的形状尺寸、相互位置以及每个凸模的行程距离和动作时间。在进行参数的设计时可以采用多种技巧，以便更快捷方便完成既定目标。凸模导向部分可以采用镶拼结构，镶拼结构具有制造方便，易于改动和调整容易的优点。凸模与导向块的形状、尺寸需要进行精密加工，达到活动自如，无手感间隙的目的。

3.4 凸轮设计

凸轮的设计需要根据弯曲成型方案来确定。在设计凸轮时，根据弯曲成形的实际情况，大约需要5～7个凸模来完成。因此，在弯曲机上所布置的滑块机构空间会变得很紧凑，通常情况下凸轮的外形不可以设计得很大，因为按照常规设计时会产生凸轮外形过大的问题，从而导致无法再弯曲机上安排下。按照实际情况，升程压力角可以控制在38°以内，而回程压力角大约在60°以内最好。这样借可以减小凸轮的外形尺寸，但是具体情况扔需要根据机床空间的位置来确定。如果空间许可，应该采用较小的压力角。

以前的弯曲机滑块机构采用弹簧回程，因而可靠性不高，尤其是大型弯曲机，其重量大，使得弹簧刚度要求很大。现在的弯曲机基本上都采用共轭凸轮来完成行程，通常共轭凸轮是由2片凸轮共轴所组成的，分别控制滑块的进、退动作。2片凸轮的基圆半径是相同的，其采用相同的行程和相位，方向却是相反的，但凸轮轮廓曲线是相同的。用沟槽凸轮来控制机床背面的辅助芯轴和卸料机构，凸轮轮廓曲线一般采用简谐的运动曲线。

3.5 设计基准

在进行自动弯曲机设计时，基准点可以设在冲床曲柄转角270°位置，也就是冲床回程的1/2处。这时送料机构正准备送料，而冲床部分模具以及弯曲成形部分凸模则处于静止的状态，因此设计时需要以此点为共同基准点。

4 弯曲成形模拟

4.1 成形模拟的模型

图3表示了工件的形状。图4（a）表示了四工位弯模（其中一把为割刀）及两个固定芯模的布局，图4（b）表示了冲头1压紧工件并暂停，割刀切断工件并开始返回，冲头1使工件两面弯折，图4（c）表示冲头2和3对称运动使工件弯成设计所需要的形状。

图3 工件的形状

图4 数学模型工件

数学模型工件、冲头和芯模的纵向剖面是两维图形。冲头、芯模是形状不同的封闭环。工件可以看作为开环，在成形过程中，开环的形状将根据有关两闭环的相对位置而变化。成形时冲头和芯模的凸包起推压作用，工件不断变形弯绕在冲头和芯模的凸包上。在工件弯绕过程中要不断求作端点到凸圆弧的切线及两圆之间作公切线。所以弯曲成形的数学关系是两维图形中多环间的运算及几何交切运算。

在进行模具设计的时候通常会碰到这样一个问题：所有运动必须要有个基准点，针对自动弯曲机，基准点需要设在冲床曲柄转角270°处位置，也就是冲床回程1/2处。这个时候送料机构恰好开始送料，因此弯曲成形部分和冲床部分模具正处于静止的状态，所以在设计时以此点作为共同的基准位置比较方便。

4.2 成型模拟的适用范围

系统考虑了成形模拟中可能出现的各种情况，实现了多种成形过程。如两个弯模可以同时参与成形（见图4（c））；每一冲头的形状可由几个凹面不同的轮廓组成；芯模可以是固定芯模、活动芯模或一个冲头作为另一冲头的芯模；工件可以被夹紧在当前芯模上或芯模外；工件固定点位置可有多种，固定点在当前成形段的两端点之一，在成形段中间或与成形段分离：弯曲受力面可以是凸包或凹面。

5 干涉检查

由于弯曲成形是多工位进行，速度很快，且受到弯曲机尺寸的限制，在弯曲模设计过程中经常发生冲头、芯模、滑块、工件之间相互干涉，用动态模拟可以非常直观地显示干涉现象。由于受计算机屏幕尺寸及内存的影响，同时为了更好地处理干涉现象，术系统将干涉检查分两步进行：

（1）空行程试车先不考虑工件的因素，只进行冲头、芯模、滑块之间的干涉检查。

（2）成形模拟在工件成形过程中，检查冲头、芯模、工件之间的干涉检查。

可以看到，所谓干涉检查即是在某一布局、给定运动角下的弯曲成形可能性的检验方法。如果出现干涉现象，可以改变如下因素：改变布局或运动角分配。改变布局将影响弯模分布和冲头、形状，改变运动角分配将影响冲头的进给位置和凸轮形状。进一步地可以再重新进行工步划分。

用常规的设计方法，往往在加工了弯曲模进行机床调试时才发现干涉，在不断修改设计及试车中逐步完善设计。

6 结束语

设计弯曲机模具时，首先应对所选用的机床性能和必要的数据了解清楚，避免设计中出现不必要的错误。其次要对所加工的零件进行工艺性分析，确定成形步骤，合理安排各个机构应该担负的任务。如果动作不够，还应自行设计辅助凸轮和必要的机构，以满足成形过程中的工艺要求。排好凸轮工作程序图，检查工作过程是否合理也是非常重要的一环。模具设计时应留有一定的调整余地，在调试过程中修改各种参数就非常方便。

[1]高建明.自动弯曲机模具设计规律的研究.北京航空航天大学硕士论文.1987.

[2]吴中奇，陆国栋.弯曲模CAD前置处理一图形输入.机电工程，1991：（1）：5～8.

[3]WuhZongqi，LuGuodong，ChenXiangpin，TangJianrong.An Advaneed Produet Layobt Mod-elling System-PLAGE.1991CADDM’91国际会：401～408.

TG385

A

1004-7344（2016）32-0239-02

2016-10-16

戴宗声（1988-），男，助理工程师，本科，主要从事汽配工艺技术方面工作。