一种开口可调的无痕V形折弯凹模

林安洁，章盼梅，卢和宇，潘家庆，张森

（广州城市理工学院机械工程学院，广州 510800）

0 引言

随着现代工艺的发展，传统的折弯模具已经无法满足如今的加工需求。传统的折弯模具很容易对工件表面造成损害（如图1），因为制造的产品与折弯模块之间为相对滑动摩擦，所以会使工件与模具接触的表面产生一条明显的痕迹。这不仅降低产品的价值和表面质量、损伤产品与模具、降低它们的使用寿命，而且会影响产品的美观度。为了消除传统折弯时所带来的痕迹，可从降低摩擦副中的压力、减少板料与凹模V形槽之间的摩擦因数及利用支点转动这3个方面进行改进[1-2]，实现产品的无痕折弯。本文将利用以上3个方面来实现模具的无痕折弯，使用滚轴槽结构来改变板料与凹模之间的摩擦因数。通过对开口的调节[3]方式进一步创新，改进为利用滚珠丝杠[4]与由单片机编程控制的电动机导轨相结合，使折弯无痕并且凹模能够左右移动，调节开口的大小，实现多种类型产品的多种角度的折弯。

图1 传统折弯模具的工作原理

1 开口可调的无痕V形折弯凹模工作原理

凹模的结构包括2块横截面呈梯形的V形模块、固定在两侧的电动机、连接模块与电动机的导轨及长方体状工作台。V形模块主要通过限位机构固定在工作台上，并且由滚珠丝杆的一端固定，由单片机编程控制两相步进电动机进行调节其位置，精准控制模块横向移动的距离。模块上表面内侧开有半圆形的滚轴槽，滚轴槽外侧开有压板槽。滚轴槽和压板槽内分别安装有圆柱形滚轴和轴端挡板，轴端挡板与滚轴的接触面是和滚轴相适应的弧面。利用支点转动的原理：通过模块上滚轴的滚动带动产品的移动，从而实现零件的无痕折弯。改进后的开口可调的无痕折弯模具结构如图2所示。

图2 开口可调的无痕折弯模具结构图

2 凹模主要零件结构特点

将传统V形折弯模具中凹模V形槽两侧的倾斜面改为滚轴槽结构，并增加轴端挡板对滚轴进行固定。在凸模下压板料的过程中，借助凸模对板料施加压力，使凹模两侧的滚轴向内滚动，从而使板料折弯成形。这种工况下板料与模具之间为滚动摩擦，折弯工件的板料与凹模没有产生明显的局部滑动摩擦，而是紧贴着滚轴向凸模的聚拢。这样消除了工件表面由于受挤压而产生的痕迹，实现无痕折弯[5]，提高产品的外观质量。

对于不同型号工件的不同角度的折弯，将已改为滚轴槽结构的凹模，分为左右均匀的2个模块。在此基础上，增加导轨及由两相步进电动机控制的滚珠丝杆。由于左右两侧的滚珠丝杆旋转方向不同，所以在两侧安装2个两相步进电动机。通过单片机编程控制两相步进电动机的启动，带动滚珠丝杠的正转和反转。以此控制左右2个模块移动的距离，提高模具定位的精确性[6]。通过调节模块开口的大小，控制产品所需折弯角度的大小。

运用SolidWorks软件建立改进后的开口可调的无痕折弯模具如图3所示。

图3 开口可调的无痕折弯模具凹模三维图

2.1 模块

将传统无痕折弯模具的凹模部分均分为左右2个模块，使得凹模开口可调成为可能，并且表面内侧开有半圆形的滚轴槽。滚轴槽外侧开有压板槽，滚轴槽和压板槽内分别安装有圆柱形滚轴和轴端挡板，使得工件与模具的相对摩擦为滚动摩擦。轴端挡板能在一定程度上保持滚轴的正常滚动，配合相应的拧紧螺钉阻挡轴端挡板向上的力。改进后的模块能最大程度减少产品与模具之间的损伤，保证折弯工件无压痕。

由于滚轴转动时会与滚轴槽及板料产生一定的摩擦，因此需要在滚轴与滚轴槽之间添加适量的润滑剂，避免造成滚轴滑痕，并且需要定期进行润滑剂的添加。由于折弯模具工作时一般为中低速，所以本次模型添加的润滑剂为脂润滑。脂润滑密封性能好、密封条件较为简单、可使用的时间较长、维修方便且油膜的强度较高[7]。在轴端挡板中间增加一个长条形的储存空间，并与滚轴接触的地方相通，将脂润滑置于其中。当滚轴开始滚动时，便带动滚轴上的润滑剂一起运动，使得滚轴与滚轴槽及板料之间均有润滑剂加以润滑。

为确保滚轴与板料之间能产生相对滑动，需对滚轴突出V形模具的距离进行测算。由于常用钣金材料的厚度一般在0.4 mm以上，其所需受到的滚轴的支撑力不宜过大，否则容易产生印痕。本次模型以一般的钣金材料厚度为例，为使滚轴的滚动效果达到较佳的状态，滚轴突出V形模具的距离为滚轴半径的1/4～1/3较为合适。

2.2 电动机导轨

在凹模加装导轨，使凹模可向左右自由移动，并在导轨的两侧分别加上2个电动机与两边的导轨相连。通过运用单片机设定一定的参数，控制左右两边电动机的启动，带动滚珠丝杠的正转和反转。让模块可以相对滑动的同时，实现凹模左右移动后的精确定位，确保调节后开口大小的精确度，从而使产品所需的折弯角度达到要求。

步进电动机的控制方法有两种:1）采用能产生周期性方波的逻辑控制器编程进行控制；2）使用专用的步进电动机驱动器。由于第2种电动机控制方式的价格比较昂贵，所以本次模型电动机的控制方法选择第1种。

两相步进电动机的控制原理：两相步进电动机由定子和转子所构成，定子磁级数为4时，1个相由2个极组成。当施加正向电压时，若某一端产生S磁极，则对面一端会产生N磁极，并使转子旋转到一定位置停止下来。接着，让另一对磁极也产生相同的动作使转子运动。然后改变为施加反向电压，同理使转子进行转动，完成一个旋转周期，重复不间断地进行周期运动便可使步进电动机旋转起来。若是逆序进行上述运动，便可以使电动机产生反转。两相步进电动机产生双极性驱动时，定子产生旋转磁场，使得转子跟随一起转动。由于滚珠丝杠与两相步进电动机相连，于是便跟随电动机中的转子进行正转和反转，从而带动模块的左右移动[8]。

两相步进电动机的接线方式：本次模型采用的是四线的两相步进电动机，驱动器按照电动机的标称电流设定，采用全桥输出的四线接法。这样能使得电动机的效率最高，以及输出的转矩能够达到最大值。

2.3 滚珠丝杠

在导轨与模块的连接中，增加滚珠丝杠。不仅能提高传动效率，还能减少摩擦损害。滚珠丝杠副由丝杠轴、丝杠螺母及它们之间的滚珠共同组成。由于其利用滚珠产生的运动,需要的启动力矩很小，所以模块的运动能得到较高的效率和精度。本文改进的模具还与电动机相结合，更能保证实现精准的进给量和较合适的轴向刚度。

3 凹模的创新点

对比传统的V形折弯模具，本次改进的模具，改变了以往模具中凹模的固定模式，对其进行以下创新：1）将凹模的斜面改变为滚轴槽结构，使得模具与产品之间的相对摩擦由滑动摩擦改变为滚动摩擦，最大程度上减少滑动摩擦所带来的折痕或刮痕，实现无痕产品的制造；2）将凹模平均分为等同的左右两部分模块，斜面并增加导轨实现其横向可自由移动，调节开口的大小，从而控制折弯的角度；3）增加由单片机编程控制的两相步进电动机，带动所连接的滚珠丝杆进行转动，实现其凹模移动后的精准定位，这种形式改变了传统的人工测量及激光笔等工具测距，使得模具更加自动化和智能化；4）模具的改进与创新，不仅扩大模具加工工件的范围，增强其通用性，而且提高生产效率和使用率。

4 模具的使用

将图3中的凹模固定于工作台上，运用51单片机接两相步进电动机驱动器来调节电动机的参数，选定所需折弯角度的相关参数设定。开启电源接通电动机，通过电动机带动滚珠丝杠的正转和反转，使2个模块分别向左右开始移动。当达到参数设定的位置时自动停止，并固定于停止的位置。将板料置于凹模上，启动凸模向下移动，对板料施加一定的压力。板料与凹模上的滚轴发生相对滚动，板料向下移动，完成所需角度的无痕折弯。

5 结语

本次改进创新的模具从实用性、经济性和广泛性3个角度出发，将传统的V形折弯模具改进为由两相步进电动机控制的开口可调的无痕折弯模具。不仅能保证产品的外观和性能的完整，扩大加工工件的范围，还能实现一个模具适用于多种产品的生产需求，提高模具的利用率和生产效率。