Z形钣金零件弯曲成形过程研究

陈景宝，徐雪峰，邹剑秋

（中国华录·松下电子信息有限公司，辽宁 大连116023）

0 引 言

钣金零件在机电行业中被广泛使用，较多零件都具有弯曲特征，该特征可分为直角弯曲、钝角弯曲及锐角弯曲。其中，锐角弯曲因让位等原因，其成形模结构相对复杂，通常上、下模都设计了楔形滑块结构。但是因该结构的不稳定性对零件尺寸影响较大，生产调整相对困难。尤其Z形弯曲是2个锐角弯曲的组合，常规模具成形困难，现突破常规设计，采用了钟摆结构实现Z形弯曲，该结构能保证弯曲角度稳定，并且生产过程中更容易调整角度值。

1 零件工艺性分析

接地片作为安全部件之一，要具有良好的弹性，因此其材质多为弹性不锈钢。现研究的零件为具有Z形结构的不锈钢接地片，因弹性材料弯曲后具有较大的回弹，其尺寸较难保证。该零件材质为SUS301不锈钢，厚度为0.2 mm，具有2个直角弯曲和1个Z形弯曲，如图1所示。考虑零件成形要求，Z形弯曲分两步完成，弯曲面上的冲孔为满足其位置尺寸，采用弯曲后再冲裁的方案。考虑零件毛刺要求，Z形弯曲采用向下弯曲的方式。

图1 接地片外形及尺寸

2 排样设计

2.1 零件排样

排样设计至关重要，关系到模具能否生产出满足图纸要求的零件。同时，理想的排样能节约模具与零件的生产成本，有利于提高经济效益。排样设计前先要对零件进行展开，零件弯曲补偿量通过式（1）计算得到。

式中：Lα——弯曲角度为α时的补偿量，mm；r——弯曲内角半径，mm；t——料厚，mm；k——弯曲系数。

根据设计经验与参考资料，该接地片弯曲系数k取0.3。通过计算得到：L90°=0.57 mm、L80°=0.51 mm。接地片展开前后的平面分别如图2和图3所示。

图2 接地片展开前平面

图3 接地片展开后平面

2.2 工序分布

通过分析，零件的Z形弯通过3道工序完成：①成形锐角及钝角；②成形直角；③通过摆动机构使直角在推力的作用下变成锐角，如图4所示。排样设计如图5所示。

图4 Z形弯曲成形工序

图5 接地片排样设计

3 模具结构设计

3.1 补偿角度选择

影响零件弯曲回弹的变形因素主要有3个：钢板厚度、材质和弯曲半径。钢板越厚、材料越软（屈服强度低）、半径越小（曲率大），则回弹越小；反之则越大。变形回弹如图6所示，变形量大小可以用式（2）表示。为了便于计算，取弯曲无限小单元为目标，如图7所示，假设弯曲后其应力全部释放，通过式（3）～式（6）可以计算弯曲角度的补偿值。

图6 弹性半径与变形的关系

图7 最大弹性变形

式中：ε——弹性变形量；σs——屈服强度，MPa；E——弹性模量，MPa。

式中：t——料厚，mm；ρ——中性层半径，mm；s——弯曲弧度；k——中性层系数。

当s=1时，Δs定义为变形率，则：

式中：R——回弹后的半径，mm。

引入弯曲角补角θ，弯曲角补角的变化即为回弹角，用Δθ表示。经过推导，结果如下：

式中：r——弯曲内侧圆弧半径，mm。

通过式（6）计算，回弹角度变化值为0.9°。设计时参考零件角度公差允许值，如表1所示，公差等级为B，对应的弯曲角度公差为1.5°。综合考虑后，弯曲补偿角选择了2.5°。

表1 零件公差要求

3.2 弯曲结构设计

传统Z形弯曲结构一般采用通用模具成形，如图8所示，主要成形零件为燕尾形带有倾斜角度的滑块1和水平移动的滑块3。滑块3要依靠上模导向块4与水平方向的弹簧2来驱使其反复运动，该结构较复杂，动作稳定性差，生产时调整困难。

图8 Z形弯曲通用模具结构

为克服通用模具结构的缺陷，该模具设计时采用了钟摆结构，通过摆动块的摆动实现Z形弯曲成形，模具结构如图9所示，钟摆结构如图10所示。第一步主要是成形V形结构，为后续弯曲做准备；第二步成形直角，为后续锐角的成形做准备；第三步成形完整的Z形弯曲。

图9 Z形弯曲模

4 零件尺寸

模具生产的零件实物如图11所示，其尺寸要求如图12所示。对生产的零件每间隔1 000件抽取1件，共抽查10件进行测量，尺寸变化趋势如图14～图16所示，角度和距离的变化均在公差范围。通过现场生产验证，采用摆块结构的模具所生产的Z形接地片零件尺寸稳定。

图11 实物零件

图11 钟摆结构

图12 零件实测尺寸

图14 Z形弯曲先端尺寸变化

图13 弯曲角度变化

图15 Z形弯曲根部尺寸变化

5 结束语

采用的摆块弯曲结构相比传统弯曲结构，其结构简单，尺寸稳定性强，该结构的成功应用为成形类似Z形弯曲零件的模具设计提供了参考。