弹性元件选用对板料弯曲成形回弹的影响

施于庆

(浙江科技学院 机械与能源工程学院，杭州 310023)

回弹是板料弯曲成形不可忽视的质量缺陷。回弹使弯曲件结构形状和设计尺寸难以满足要求，影响弯曲件的使用和装配[1]。弯曲模参数设计有一定的参考标准，如果弯曲凹模深度设计时取弯曲件高度的一半左右[2-4]，回弹依然不能避免。有研究表明，若将弯曲凹模深度设计成大于弯曲件高度的结构，并取合适的弯曲模凸模和凹模半径，则弯曲件结构形状和尺寸精度能有所提高[5-6]。对尺寸比较大的弯曲模设计制造，为了降低模具制造成本，凹模可设计成倒角结构形式。有研究表明，倒角结构虽然加工方便，控制回弹效果却不如凹模圆角结构，但可用于尺寸精度要求不高的弯曲件压制[7]。以往对弯曲模的改进设计或对弯曲回弹的分析，多是建立在凹模圆角结构设计基础之上的，如理想弹塑性材料弯曲回弹分析及回弹弯矩计算[8]，基于BP神经网络的铝合金板料弯曲回弹控制[9]，这些研究的结果对控制回弹有一定的帮助。在实际生产中，设计人员是以如何能够将弯曲零件生产出来作为弯曲模结构设计的首要目标[10-12]。变压边力是控制回弹比较理想的工艺方法之一[13]，不但用于弯曲成形，也被用在拉深成形中加载不同变化的压边力曲线[14]，但究竟加载何种压边力曲线控制回弹效果最佳目前尚无定论。文献[15]研究了液压垫提供恒定压边加载压边力，证明了液压垫压边控制回弹效果比较理想。作为弯曲模设计压边装置的常用弹性元件除液压垫外，还有弹簧和橡皮。选择三者中哪种弹性元件控制回弹效果比较理想尚无文献报道。本研究通过对弹簧、橡皮和液压垫进行压边有限元模拟对比分析，为弯曲模压边装置设计提供参考。

1 弹性元件选择对弯曲模结构尺寸的影响

图1 压边力与行程关系曲线 Fig.1 Relation curve of blank-holder force to stroke

2 有限元模拟及结果讨论

弯曲模尺寸及几何模型如图2所示，具有压边装置弯曲模有限元模型如图3所示。模拟坯料为16MnL，16MnL的屈服极限σs，355 MPa；强度极限σb，500 MPa；材料弹模量E，206 GPa；泊松比v，0.29。设加载初始压边力F0=0.5F，其中F为弯曲力。设弯曲件长为100 mm，计算可得F为22 750 N，F0为11 375 N。模拟速度一般取比实际生产中的压制速度要快，取1 000 m/s[17]，将图1中的压边力与行程关系曲线转化为图4的压边力与时间关系曲线。因为回弹大小主要取决于弯曲角处应力，所以有限元模拟弯曲过程是压制完成后停留(保压)一段时间，得到此时的应力分布；再用推板将弯曲件顶至推板上平面与凹模上平面平齐位置，即弯曲件可取出状态位置，得到此时的应力分布。分析弯曲角处取出状态应力与压制完成状态应力之差，应力差小说明弯曲稳定，回弹较小。弯曲角取的位置如图5所示。

图2 弯曲模几何模型Fig.2 Geometric model of bending die

图3 弯曲模有限元模型Fig.3 FEM model of bending die

图4 压边力与时间关系曲线Fig.4 Relation curve of blank-holder force to time

图5 测量位置Fig.5 Measure position

图6～8分别是液压垫恒定压边力为11 375 N时的应力变化及分布、弹簧和橡皮加载初始压边力为11 375 N时的应力变化及分布。从图6～8比较取出状态应力与压制完成状态应力之差，用Δ表示，其中，Δhp为液压垫压边应力差；Δs为弹簧压边应力差；Δr为橡皮压边应力差。

图6 液压垫加载压边力为11 375 N时的应力变化及分布Fig.6 Stress change and stress distribution of loading hydraulic pad with 11 375 N of blank-holder force

图7 弹簧加载压边力应力变化及分布Fig.7 Stress change and stress distribution of loading spring with blank-holder force

图8 橡皮加载压边力应力变化及分布Fig.8 Stress change and stress distribution of loading rubber with blank-holder force

A处的应力变化为：

B处的应力变化为：

通过比较得到：弹簧压边的应力变化最小，液压垫压边应力变化次之，橡皮压边应力变化最大。应力变化小，说明回弹发生小，也说明弯曲件稳定性较好，因此弹簧压边效果是三者中最理想的。在初始压边力相同的条件下进行压制，压制完成时，橡皮产生的压缩力要大于弹簧，取此时的压力22 775 N作为液压垫加载的恒定压边力，应力变化及分布如图9所示。由图9可知A处的应力变化为：Δhp=3.773×108-2.502×108=1.271×108(Pa)；B处的应力变化为：Δhp=3.286×108-2.502×108=0.784×108(Pa)。

图9 液压垫加载压边力为22 775 N时的应力变化及分布Fig.9 Stress change and stress distribution of loading hydraulic pad with 22 775 N of blank-holder force

3 结 语

弯曲模设计可供选择的弹性元件有弹簧、橡皮和液压垫，对三者进行的有限元模拟结果表明：如果压边力初始值相同，采用弹簧作为加载压边力的弹性元件，则控制回弹效果最好，液压垫次之，橡皮最差。但在压力机条件允许的情况下，若将液压垫压力调整到弯曲件弯曲行程终了时的橡皮压力(一般此时橡皮的压力要大于弹簧的压力)，则液压垫压边控制回弹的效果又优于弹簧。因此，采用何种弹性元件应视具体情况而定。