U型模具設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)探析
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摘要：以某三角筋板為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一套該產(chǎn)品的U型模具。采用有限元分析理論知識(shí)，在Workbench平臺(tái)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限分析計(jì)算。首先，利用UG軟件建立模具初始結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型并基于Workbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過優(yōu)化后的結(jié)果可知，模具承受的最大等效應(yīng)力和最大變形均滿足產(chǎn)品的加載試驗(yàn)要求。通過大量試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)凸凹模間隙Z=1.12t時(shí)，三角筋板的壓制成形效果最好，為后續(xù)模具的設(shè)計(jì)和參數(shù)的選擇提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：U型模具；有限元；回彈；成形
0引言
隨著科技的飛速發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)成為當(dāng)今一大主題。筋板在增強(qiáng)產(chǎn)品剛度、強(qiáng)度并且減少質(zhì)量方面起到至關(guān)重要的作用，其中異形筋板壓制成形的精度和質(zhì)量更是直接影響整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，筋板壓模多為采用U型結(jié)構(gòu)的上模配合下模壓制成形。對(duì)于U形彎曲件，必須選擇適當(dāng)?shù)纳舷履ｉg隙，間隙的大小對(duì)筋板質(zhì)量和彎曲力有很大的影響。間隙越小，筋板承受的彎曲力就越大，間隙過小，不僅會(huì)使筋板兩邊壁厚減薄，而且會(huì)極大地降低凹模壽命。相反間隙過大，則筋板兩邊回彈大，壓制成形后不符合設(shè)計(jì)要求。以某三角U形筋板為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出合適的U形模具結(jié)構(gòu)，并且探索出合理的模具相關(guān)參數(shù)，力求提高筋板的一次壓制成功率，即壓制過程中筋板承受彎曲力小、壁厚不變并且回彈小。首先對(duì)U型模具進(jìn)行參數(shù)確定；其次建立三維有限元模型，對(duì)其進(jìn)行有限元分析；最后通過大量的試驗(yàn)確定模具間隙的最優(yōu)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)了U型模具的一次壓制成形。
1.1凹模圓角半徑
一般情況下，凹模圓角半徑的大小對(duì)彎曲力和產(chǎn)品的成形質(zhì)量均有影響。查詢沖壓手冊(cè)[1]，凹模圓角半徑通常根據(jù)產(chǎn)品的厚度進(jìn)行選取。t≤2，rd=（3~6）t4≤t＜2，rd=（2~3）tt＞4，rd==2!####"####$t（1）產(chǎn)品厚度t=3，則圓角半徑取rd=8。
1.2凹模深度
凹模深度需要適當(dāng)。深度過小則產(chǎn)品兩端的自由部分太長(zhǎng)，彎曲后產(chǎn)品回彈較大，且兩邊不平直；深度過大則模具鋼材消耗多，且要求較大行程的壓機(jī)。對(duì)于U形彎曲件，盡可能使直邊部分進(jìn)入凹模型腔內(nèi)。查手冊(cè)中彎曲模工作零件的設(shè)計(jì)尺寸可知，當(dāng)產(chǎn)品厚度t=3mm，產(chǎn)品彎曲直角邊長(zhǎng)度106mm時(shí)，可知凹模工作深度h″d=40mm。
1.3凸、凹模間隙
對(duì)于U形彎曲件，必須選擇適當(dāng)?shù)拈g隙，間隙大小對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和彎曲力有很大影響。間隙值與產(chǎn)品厚度、材料的機(jī)械性能、產(chǎn)品的彎曲回彈、質(zhì)變長(zhǎng)度等均有關(guān)系。壓制有色金屬時(shí)：Z=tmin+C壓制黑色金屬時(shí)：Z=tmax+C（3）式中：Z為凸、凹模單邊間隙；tmax為產(chǎn)品材料最大厚度；tmin為產(chǎn)品材料最小厚度；C為系數(shù)。由于產(chǎn)品材料的最大厚度和最小厚度經(jīng)常不易測(cè)得，經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)公式：Z=（1.05~1.15）t（4）
1.4凸、凹模工作部分尺寸與公差
產(chǎn)品尺寸標(biāo)注的不一樣，決定了凸模和凹模的尺寸計(jì)算的不同。查詢實(shí)用沖壓模具設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]可知，當(dāng)尺寸標(biāo)注在產(chǎn)品的外部時(shí)：若產(chǎn)品為單向公差時(shí),凹模尺寸Ad=（A-3/4△）+δd（5）若產(chǎn)品為雙向公差A(yù)±△時(shí),凹模尺寸Ad=（A-1/2△）+δd（6）凸模尺寸按照凹模尺寸配制，保證單邊間隙值Z。當(dāng)尺寸標(biāo)注在產(chǎn)品內(nèi)部時(shí)：若產(chǎn)品為單向公差A(yù)+△時(shí),凸模尺寸Ap=（A+1/4△）-δp（7）若產(chǎn)品為雙向公差時(shí),凸模尺寸Ap=（A-1/2△）-δp（8）凹模尺寸按照凸模尺寸配制，保證單邊間隙值Z。式中：Ad為凹模尺寸；Ap為凸模尺寸；為A產(chǎn)品公稱尺寸；△為產(chǎn)品標(biāo)注公差；δp為凸模制造公差；δd為凹模制造公差。1.5U型模具三維模型根據(jù)以上參數(shù)的選擇與確定，建立如圖1所示U型模具三維模型，模具主要由上模、下模、定位銷和起吊螺栓組成。彎曲雙角產(chǎn)品時(shí)，為了減小回彈角度，將凸模的側(cè)壁作傾斜度。
2U型模具計(jì)算分析
2.1彎曲力的計(jì)算
為了驗(yàn)證U型模具的安全可靠性，對(duì)其關(guān)鍵件進(jìn)行有限元分析，根據(jù)強(qiáng)度校核理論對(duì)其安全性進(jìn)行計(jì)算分析。為了選擇壓模時(shí)所需用的壓力機(jī)和模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須計(jì)算壓模時(shí)的彎曲力，彎曲力的大小與產(chǎn)品彎曲時(shí)的形狀、機(jī)械性能及下模圓角半徑等因素有關(guān)。對(duì)于一般形狀的產(chǎn)品彎曲按下列公式計(jì)算：P=0.25δbtB10000（9）式中：P為彎曲力（t）；δb為抗拉強(qiáng)度極限（MPa）；B為彎曲線長(zhǎng)度（mm）；t為材料的厚度（mm）；0.25為系數(shù)。
2.2上模有限元分析
上模采用Q345A材料，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]得：其彈性模量Ex=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度為7.8×10-6kg/mm3，屈服強(qiáng)度345MPa，抗拉強(qiáng)度為470~630MPa。首先將上模模型導(dǎo)入Workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]，以滿足有限元分析要求。對(duì)上模上平面進(jìn)行載荷加載，對(duì)上模底部垂直方向進(jìn)行約束。經(jīng)分析計(jì)算求得上模變形情況和等效應(yīng)力分布情況分別如圖2、圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，上模的整體最大變形出現(xiàn)在尖點(diǎn)集中處，最大變形量為0.1mm；等效應(yīng)力最大處出現(xiàn)在筋板的尖點(diǎn)處，最大應(yīng)力為182MPa。Q345板材的屈服強(qiáng)度為345MPa，安全系數(shù)為1.9，滿足加載試驗(yàn)要求。
2.3下模有限元分析
以同樣的方式對(duì)下模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，下模的載荷加載共分2部分，第一，剛開始加載時(shí)主要的受力部位在下模的兩個(gè)圓角半徑處；第二，當(dāng)加載到最底部時(shí)，主要的受力部分在下模的凹面最低處。下模的底面進(jìn)行垂直方向限位約束。經(jīng)分析計(jì)算求得下模變形情況和等效應(yīng)力分布情況分別如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，下模的整體最大變形出現(xiàn)在圓角半徑處，最大變形量為0.006mm；等效應(yīng)力最大處出現(xiàn)在下模最低端的兩條邊線處，最大應(yīng)力為43MPa。Q345板材的屈服強(qiáng)度為345MPa，安全系數(shù)為7.5，滿足加載試驗(yàn)要求。
3試驗(yàn)
U型模具生產(chǎn)制造完成后需要進(jìn)行試模、合模，待模具合適后方可用于三角筋板的壓制成形。根據(jù)公式（4）可知，凸凹模間隙在一個(gè)尺寸范圍內(nèi)，本次通過大量試驗(yàn)對(duì)間隙參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果分別從壓制成形效果和產(chǎn)品從凹模中取出的容易度進(jìn)行綜合對(duì)比。經(jīng)過大量試驗(yàn)后結(jié)果顯示，當(dāng)凸凹模間隙Z=1.12t時(shí)，產(chǎn)品的壓制成形后回彈小、成形效果最好，且產(chǎn)品從凹模中取出來后不會(huì)出現(xiàn)卡滯和劃傷產(chǎn)品的情況。
4結(jié)論根據(jù)對(duì)
U型模具各個(gè)尺寸的理論計(jì)算和選擇，建立了模具的三維實(shí)體模型。根據(jù)有限元理論，對(duì)U型模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件施加載荷和約束，對(duì)上模和下模進(jìn)行有限元分析，根據(jù)強(qiáng)度校核理論進(jìn)行校核，通過應(yīng)力云圖和等效應(yīng)力結(jié)果可知，U型模具的設(shè)計(jì)符合加載試驗(yàn)要求。通過大量試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)凸凹模間隙Z=1.12t時(shí)，產(chǎn)品的壓制成形效果最好，為后續(xù)的模具設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
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[2]鄭可锽.實(shí)用沖壓模具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：宇航出版社,1990.
[3]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1991.
[4]張朝暉.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析：第三版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.
作者:馮鵬升 楊愛萍 徐慧敏 趙飛 王麗鵬 李文鋆 單位:山西航天清華裝備有限責(zé)任公司