精密折弯技术及模具研究

2016-09-09 by:CAE仿真在线来源:互联网

随着汽车、船舶、航空航天、电器仪表、轻工化工的发展,对金属构件的形状复杂度、成形精度、使用寿命要求越来越高,需求量日益增大,金属零件钣金成形工艺因其应用范围广、操作方便、生产效率高、便于实现数控化等优势,成为大多数金属构件生产制造的必要组成部分,也带动了钣金技术和装备的飞速发展。

目前,钣金折弯机已由手工式、液压式向数控化、智能化转变,国外多家著名机床制造公司把智能化精密数控折弯机作为折弯机主打产品,并已开发出折弯机器人。折弯模具作为数控折弯机的工作部件,其加工精度和使用寿命对折弯工件成形精度的高低、质量的好坏有着直接的影响。因此,由中、低端折弯模具向高端折弯模具的转化是我国模具工业的当务之急,更是模具企业今后的发展方向。

折弯机加载后结构变形及补偿措施

折弯机通过分布于滑块两端的左右液压缸提供压力,而折弯件变形反作用力的合力偏于滑块中间部位,这使得工件在全长上受压不均等,两端压力大,中间压力小,发生“boatbelly”效应,如图1所示。对于大型的折弯机,如果不采取措施对其变形进行控制,将会造成折弯件精度的大幅降低。

图1 “boatbelly”示意图

对于折弯机加载时产生的变形,必须采用补偿的方法予以解决,否则精度无法保证。早期的方法是在挠度不足处增加垫片,这种方法调整困难、费时费力、效率低,精度也难以得到保证,如今只应用于局部的微调。

目前,比较先进的方法有两种:一种是在折弯机滑块或(和)下梁的适当位置处安装液压顶缸,通过控制各个顶缸的顶出压力达到补偿目的;另一种是在工作台上表面采用机械式的挠度补偿装置达到补偿目的。液压顶缸式的方法操作容易,可以满足I级精度要求的折弯生产,对于大尺寸且精度要求高的折弯件,则以机械式挠度补偿方式为主。

国外的补偿技术比较成熟,荷兰WILA公司的L.Jacobus、van Merksteijn等发明了一种楔块挠度补偿装置(图2),楔块之间靠齿状突起啮合,每组楔块都有单独的传动机构,这种结构精密紧凑,但相对比较复杂,且成本偏高,在国内并未见有应用。在折弯精度动态控制方面,瑞士百超(Bystronic)公司先后设计开发了动态压力自动测量和补偿系统(PR)、板材厚度和反弹自动测量修整系统(IPC)。PR包括借助下刀梁中的短行程液压缸进行液压动态成形、自动压力控制和自动温度补偿等,IPC可进行动态材料厚度测量和动态回弹补偿等。这种动态控制方法可应用于各种折弯加工情况,能够有效保证不同规格零件的折弯质量,如图3所示。

图2 WILA公司挠度补偿装置

图3 Bystronic折弯机加载智能测量系统

目前,国内外关于折弯机滑块挠度曲线的变形资料仍处于技术保密阶段,合肥工业大学吴焱明等为了获得液压补偿折弯机中油缸补偿力与下横梁变形之间的关系,建立了折弯力和加载长度与油缸补偿力之间的BP神经网络模型,通过输入备选的加工参数,实现了迅速预测油缸补偿力的目的。江苏扬力数控机床有限公司潘殿生等对折弯机机械补偿装置进行了数值模拟,得到变形规律,为补偿装置的设计提供了理论依据。总之,以上科技人员从不同程度、不同角度对折弯挠度补偿进行了研究,取得了相应的成果。国内可以生产此类产品的厂家主要是黄石锻压公司,其技术是由LVD公司引进的,采用液压顶缸进行补偿。安徽联盟模具工业股份有限公司研发设计了折弯机机械式挠度补偿工作台,通过实现对工作台产生弹性变形来补偿机床滑块的变形。

板料成形过程的数值模拟研究

回弹控制是折弯工艺中最为重要的一项技术,不能较好解决工件折弯过程中的回弹问题,将严重影响折弯件的质量。

板料折弯成形回弹控制的设计最早源于生产实践,人们总结了大量的经验性知识,这为板料折弯回弹控制与模具设计奠定了基础。基于试验和经验知识的板料折弯回弹研究具有积极的作用,为实际生产提供了指导性原则。但是这种方法由于缺少准确的定量设计,导致板料折弯回弹出现问题后,只能通过物理试验进行修正,造成了人力、物力、财力和时间的大量浪费。虽然试验存在着各种各样的问题,但其目前仍是板料回弹控制设计的最佳检验方法,而且试验可以为科学研究和生产实践提供第一手的指导数据。

随着计算机硬件水平的不断提高以及数值模拟技术的飞速发展,计算机数值模拟成为目前板料成形中最为常用的方法,利用数值模拟技术可以研究如金属流动、应力应变、模具受力等无法用试验方法进行展示的问题。

通过DYNAFORM有限元分析软件对板料的折弯回弹进行分析时,其模拟的回弹角是多种因素综合作用的结果。为确保模拟结果的准确性,需要综合考虑冲压速度、模具间隙等因素的影响,并从中找到一定的规律,从而有效地指导生产实践。在实际情况下,影响回弹的因素众多,而模拟结果也和操作者的经验、计算机使用环境等因素有关,这些因素均影响了模拟结果的准确性。

在DYNAFORM软件中,有些输入参数可以确定,如材料参数、加工工艺参数等,而有些参数难以确定,如网格的划分密度、料厚等因素。为有效解决这一难题,采用正交试验的方法对影响因素进行有效处理。正交设计是数理统计的一个分支,通过正交试验的方法可有效解决多因素试验问题,并确定影响折弯件回弹因素的主次顺序,找到最优的水平组合,对实际生产有一定的指导意义。

通过有限元模拟软件对多角度同时成形的特性及折弯回弹的原理进行研究,运用正交试验的方法来确定影响回弹角的主要因素,从而在折弯机床及其关键零部件设计的过程中,重点修改影响较大的因素来减小回弹,可减少实际试验的成本,并提高生产效率,对折弯机床及其关键零部件的后续生产及改进有一定的意义。

目前,已开发的具有金属板料成形过程仿真功能的通用软件有美国的ANSYS、DYNAFORM、MARC、ABAQUS,法国的PAM-STAMP、OPTRIS和瑞士的AUTOFORM、INDEED等。

精密折弯模具研究

比利时LVD公司开发的带有STONE半径的下模(LVD的专利产品)保证了沿整个折弯长度的精确折弯角度。此类型模具在V型槽两侧具有渐进的半径(图4),使被折弯材料可以更均匀地进入下模,这种独特的设计能使折弯材料承受最小的阻力,提高了材料成形精度,同时由于减少了模具的磨损,延长了模具的使用寿命。

图4 模具成型面

图5 萨瓦尼尼折弯中心

意大利萨瓦尼尼公司(Salvagnini)开发的多边折弯加工中心(图5)采用复合运动控制的折弯单元运动机构,使折弯刀具不在板料上留下划痕,这些功能既提高了产品精度和模具使用寿命,又具有重复性高、速度快、柔性好、自动化程度高的特点,并对生产过程实现了在线检测。

日本天田(AMADA)设计的锐角折弯与压平复合下模(图6)通过对板料边缘进行折弯压平,使产品外观得以改善并能增加零件强度,其轻量化设计使模具重量比原有模具减轻了60%;在防止折弯压痕方面,开发了一种橡胶下模(图7),采用弹性的橡胶体取代金属模具,可以消除板材的折弯压痕和模具接刀痕,适合不锈钢板和铝板的折弯,保证了折弯精度和使用寿命。

图6 折弯压平复合模具图7 橡胶下模