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模切板刀片复合弯曲成形中的回弹研究 |
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作者：山东工业大学 管延锦 季忠 王作成 |
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摘要：复合弯曲成形是一种高柔性的板料成形工艺。运用有限元方法分析了模切板刀片的复合弯曲成形，对成形过程中的回弹进行了研究。建立了外环转角与弯曲回弹角度的关系，分析了内环圆角半径对回弹的影响，对模切板刀片的成形具有一定的指导意义。
关键词：模切板；弯曲成形；回弹；有限元方法
一、引言
包装、玩具、汽车等工业部门中要大量使用模切板，模切板刀片是由弹簧钢片经复合弯曲成形而成。复合弯曲成形就是利用设备对金属板料多次弯曲，在弯曲过程中控制每次弯曲的角度、板料的进给量等参数，从而得到复合弯曲的异形件的一种工艺。复合弯曲成形属累积局部成形，它不需模具，生产柔性大，只要通过控制合理的工艺参数就可使板料的侧面形状逼近复杂的曲线形状如图1，而且可实现成形过程的自动控制，特别适合小批量、多品种的模切板刀片的生产。
图1S型模切板刀片的有限元仿真结果
回弹是金属板料弯曲成形的一个主要缺陷。由于金属板料在弯曲成形时总是伴随着弹性变形，因此卸载后的回弹不可避免。如何预测弯曲成形卸载后的回弹大小，以提高产品的尺寸精度就变得异常重要。由于影响回弹的因素很多，因此运用常规的方法计算回弹值比较困难。金属材料弯曲成形有限元模拟技术的发展为解决这一问题提供了强有力的手段，运用有限元分析可实现对弯曲成形过程的仿真，从而分析和预测弯曲过程中缺陷的产生和发展。
二、模切板刀片复合弯曲成形过程
图2为模切板刀片复合弯曲成形示意图。模切板的刀片由厚度为0.71mm的弹簧钢板弯曲而成，板料在内环中以一定的进给量间歇送进，外环绕内环往复旋转，旋转到一定角度后与板料接触迫使其产生弯曲变形，外环不同的旋转角度使板料产生不同的复合弯曲变形，控制外环每次的旋转角度就可以成形所需形状的刀片。只要在成形过程中选择合适的进给量、单次的弯曲角度等就可以使截面形状逼近复杂的曲线形状。由于经多次弯曲，每次弯曲后都要发生回弹，如不加以控制，由于回弹造成的累积误差将很大，严重影响了刀片的成形精度。
图2模切板刀片复合弯曲成形示意图
1.板料2.内环3.外环
α1-板料弯曲角(回弹前)α-板料弯曲角(回弹后)
三、模切板复合弯曲成形中的回弹分
影响回弹的因素很多，例如材料的机械性能、板料的几何尺寸、弯曲半径的大小等。利用有限元分析可综合考虑以上各种因素的影响，从而较准确地计算回弹值。由于板料的宽度远大于其厚度，因此模切板刀片的弯曲变形属平面应变问题，可将其成形过程简化为二维问题进行分析。本文利用大型非线性有限元软件MARC对模切板刀片弯曲成形过程中的回弹进行了分析。建立了外环转角、内环圆角半径与板料回弹角度的关系。
1.外环转角与板料回弹角度的关系
图3表示出了外环转角θ(在一次弯曲过程中，外环从初始位置到弯曲结束时所转过的角度)与板料弯曲回弹角度Δα(Δα＝α-α1)的关系，其中点划线为其拟和曲线。在较小的外环转角下，弯曲变形小，回弹也较小；随着外环转角的逐渐增大，板料的弯曲变形加剧，其回弹也随之增大，但随着弯曲角度的进一步增大，回弹值却有所下降，这主要是因为随着塑性变形的进一步加剧，弹性变形在整个变形中所占的比重降低，从而使板料的回弹值下降。从图3看出，当外环转角为45°时，板料弯曲回弹角度达到9.4°，因此回弹对整个复合弯曲成形精度影响极大，必须加以控制。
图3外环转角θ与板料弯曲回弹角度Δα的关系
由于考虑了回弹对成形的影响，这样依据所建立的外环转角θ与板料弯曲回弹角度Δα的关系，在模切板刀片复合弯曲成形过程中控制外环的转角，就可得到较为精确的弯曲角度，减小回弹对成形精度的影响。
2.内环圆角半径与板料回弹角度的关系
在模切板成形过程中，内环圆角半径R对其影响很大。在外环转角相同的情况下，R值小时，所获得的板料弯曲角度小于R值大时的板料弯曲角度，即小的R值时能使板料产生较大的弯曲变形；另一方面，R值小时，卸载后板料相应的回弹角度增大如图4。
图4内环圆角半径与板料回弹角度的关系
1.内环2.板料3.内环圆角半径
一般来说，希望在外环转角相同的情况下获得较大的弯曲角度，因此R值在允许的范围内应尽量取小值，对于回弹则依据所建立的外环转角θ与板料弯曲回弹角度Δα的关系，调整外环转角加以补偿。
四、结论
(1)依据所建立的外环转角θ与板料弯曲回弹角度Δα的关系，在模切板的复合弯曲成形过程中，控制外环转角就可补偿回弹对成形精度的影响，从而可大大提高模切板刀片的成形精度。
(2)在同样的外环转角下，减小内环圆角半径R，可获得较大的弯曲变形，但相应的回弹角度也增大。
参考文献
1王孝培.冲压手册(第2版).北京：机械工业出版社，1990.
2肖军，李尚健.金属材料弯曲成形计算机模拟进展.塑性工程学报，1997，4(2)：3～7(end)
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(4/1/2007) |
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