高强钢U形件一次弯曲成形通用模具设计＊

宋 捷，牛永进，悦 平，杨爱萍

1.山西机电职业技术学院（山西长治 046012）

2.山西航天清华装备有限责任公司（山西长治 046012）

1 引言

装备制造企业的生产过程中，有许多成形后为U形的高强钢零件，由于其U形直边高度与宽度比比较大，一般折弯机无法完成，故需要压模压制而成，目前在压力机上完成，凹模形式为直边形式，存在的问题有：①由于高强钢板回弹比较大，需要反复校形才能满足设计尺寸要求，整个过程费时费力；②当前设计回弹完全靠经验，没有得出具体值；③模具使用过程中通用性差，造成极大的浪费。

本文目的为了减少反复校形造成工时的浪费，增加通用性，研究一次弯曲成形技术，减少劳动强度，摸索出合适的U形弯曲模结构（包括凹模、凸模形状，上模架设计等）和合理的模具参数，以求提高一次弯曲成形的成功率。

2 U形模具参数设计

2.1 U形零件结构图

U形件分为两种情况：一种是宽度尺寸标在内侧，一种是标在外侧，图1所示为两种情况的综合图，其材料为高强钢度焊接结构钢HG785D，抗拉强度约为785MPa，具有较高的屈服强度和抗拉强度，被广泛应用于装备制造设备、矿山机械等大型钢结构件中，如：起重机、车架等。

图1 U形零件结构简图

2.2 U模具结构简图建立

图2为U形模具的结构简图，由凸模、旋转凹模等组成，U形件的尺寸依靠凹模和凸模同时保证。

图2 U形模具结构简图

其中 rp——凸模圆角半径，mm

rd——凹模圆角半径，mm

h——凹模深度，mm

C——凸、凹模间隙，mm

Bp——凸模宽度尺寸，mm

Bd——凹模宽度尺寸，mm

α——回弹角

2.3 模具设计参数的确定

（1）凸模圆角。

凸模设计的关键在于凸模半径rp的计算，理论计算尺寸[1]：

式中 r——制件下圆角半径，mm

t——制件厚度，mm

E——制件材料的弹性模量

σs——制件材料的屈服极限，MPa

考虑回弹凸模实际尺寸：

式中 k——修正系数，取0.88

（2）凹模深度要适当，过小两端的自由部分长，弯曲工件的回弹大，且成品不平直；过大凹模需要的钢材尺寸比较大，且要求压力机有较大的行程。因此h按表1选取。

（3）凸、凹模间隙的选取。

对于U形件必须选择适当的间隙，间隙的大小对工作的质量和弯曲力有很大的影响，间隙小弯曲力越大，同时会使工件的部分臂体变薄，还造成凹模具的使用寿命降低，间隙过大，回弹大，降低工件的公差等级，因此间隙值的选取非常重要，查阅文献[2]：凸、凹模间隙C=（0.95～1.1）t，效果最优。

（4）尺寸标在外侧的以凹模为基准，先确定凹模尺寸，保证凹凸模之间的间隙计算出凸模的尺寸。尺寸标在内侧的以凸模为基准，先确定凸模尺寸，保证凹凸模之间的间隙计算出凹模的尺寸。

尺寸外侧时，凸凹模宽度尺寸如下：

尺寸内侧时，凸凹模宽度尺寸如下：

式中 δp、δd——凸、凹模具的制造公差

（5）为了一次成形故将凸、凹模设计一个角度，这个角度为回弹角[3]，其确定根据回弹前后，中性层不变的条件可得：

（6）弯曲力的计算。

为了选择时所需用的压力机和进行模具设计，必须计算弯曲力，弯曲力的大小与弯曲件的形状、机械性能及材料厚度等因素有关。按下列公式计算：

式中 F1——弯曲力，t

δb——抗拉强度极限，MPa

L——弯曲线长度，mm

t——材料的厚度，mm

根据计算结果选择合适的压力机并计算凹凸模具的强度。

3 模具结构设计

根据计算结果通过三维软件对U形模具进行详细建模设计，包括上模架、凸模、旋转凹模、底座、调节板、卸料杆组成[4]。U形弯曲模结构示意图如图3所示。

凸模通过螺栓与上模架连接，安装孔在上模架的中间部位，实现不同凸模的安装，旋转凹模能够绕底座旋转轴旋转，当凸模压到最下方时，两旋转凹模具侧面形成锐角，实现对U形件的过压，单边过压角度为α，回弹后恰好为U形，不用反复校形，达到一次成形的目的。卸料杆由弹簧和顶杆组成，卸料杆作用初始状态将旋转凹模顶起，使旋转凹模开口处于张开状态，压制完成后再负责将工件顶起，完成U形件的拆卸。

图3 U形弯曲模结构示意图

为增加U形件的通用性，特设计调节板，首先梳理型号制件U形件一般尺寸范围，A最大为300mm，B为400mm，厚度小于20mm，长度小于2,000mm，设计出通用弯曲模结构，由通用零部件和专用零部件组成，如表2所示。

表2 U形弯曲模结构参数 mm

经过通用化设计后，U形弯曲模的上模座、下模座、旋转凹模具，可以适应不同U形件的成形，针对不同U形件的尺寸，通过调节侧板和底板组合成需要的内腔尺寸，其流程如图4所示。

图4 U形模具设计流程图

4 使用方法

（1）根据弯曲力选择合适的压力机。

（2）用压板将模架安装在压力机的上压盘上。

（3）用压板将底座安装在压力机的下工作台上，保证凹凸模具中心重合。

（4）放入工件完成U形件的压制。

5 结束语

通过对模具每个参数进行计算和梳理现有U形件结构参数，得出所需要零件的结构参数，然后使用三维建模软件对模具结构进行实体建模，实现一次成形和通用化的要求，此模具功能满足使用要求，一次成形与理想值基本吻合，减少了反复校形的工作，同时通用化设计后，将凹模和上模架做为通用零部件，避免了每次设计时繁琐的计算和大量零部件的设计，大大提高了设计和生产效率，降低了成本，提高了经济效益。