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模具设计
弯曲模具的结构设计是在弯曲工序确定后的基础上进行的,设计时应考虑弯曲件的形状、精度要求、材料性能以及生产批量等因素,下面分析常见各类型弯曲模的结构和特点。
一. V形件弯曲模
V形件即为单角弯曲件,形状简单,能够一次弯曲成形。
这类形状的弯曲件可以用两种方法弯曲:
一种是沿着工件弯曲角的角平分线方向弯曲,称为V形弯曲;另一种是垂直于工件一条边的方向弯曲,称为L形弯曲。
1-顶杆;2定位钉;3-模柄;4-凸模;5-凹模;6-下模座;
3.4.1有压料装置的V形件弯曲模
V形件弯曲模的基本结构如图3.4.1所示,图中弹簧顶杆1是为了防止压弯时板料偏移而采用的压料装置。
除了压料作用以外,它还起到了弯曲后顶出工件的作用。
这种模具结构简单,对材料厚度公差的要求不高,在压力机上安装调试也较方便。
而且工件在弯曲冲程终端得到校正,因此回弹较小,工件的平面度较好。
如果弯曲件精度要求不高,为简化模具结构,压料装置也可以省略不用。
图3.4.2所示为无压料装置的V形件弯曲模。
1-模柄;2-上模座;3-导柱、导套;4、7-定位板;5-下模座;6-凹模;7-凸模
3.4.2无压料装置的V形件弯曲模
当弯曲相对宽度很大的细长V形件时,会产生明显的翘曲现象,这种情况下可以采用带侧板结构的弯曲模,以阻碍材料沿弯曲线方向的流动(见图3.4.3a);也可以改变弯曲凸、凹模形状,将翘曲量设计在与翘曲方向相反的方向上(见图3.4.3b)。
图3.4.3减少弯曲件翘曲的模具结构
L形弯曲模常用于两直边相差较大的单角弯曲件,如图3.4.4a所示。
弯曲件的长边被夹紧在压料板和凸模之间,弯曲件过程中另一边竖立向上弯曲。
由于采用了定位销定位和压料装置,压弯过程中工件不易偏移。
但是,由于弯曲件竖边无法受到校正,因此工件存在回弹现象。
a〕1-凸模;2-凹模;3-定位销;4-压料板;5-挡块b〕1-凸模;2-压料板3-凹模;4-定位板;5-挡块
图3.4.4L形弯曲模
图3.4.4b为带有校正作用的L形弯曲模,由于压弯时工件倾斜了一定的角度,下压的校正力可以作用于原先的竖边,从而减少了回弹。
图中α为倾斜角,板料较厚时取10度,薄料取5度。
对于精度要求较高,形状复杂、定位较困难的V形件(如图3.4.5中右上角所示),可以采用折板式弯曲模。
开始弯曲前模具复位如图中虚线所示,毛坯置水平位置的折板3之上,由定位板6定位。
弯曲时凸模1下压,迫使折板活动凹模3朝下绕铰链转轴5向内转动,使坯料弯曲成形。
由于弯曲过程中,坯料始终和折板活动凹模及定位板接触,防止了相对滑动和偏移,因而提高了工件的质量。
1-凸模;2-支柱;3-折板活动凹模;4-靠板;5-铰链;6-定位板;7-顶杆
图3.4.5折板式弯曲模
二.U形件弯曲模
U形弯曲模在一次弯曲过程中可以形成两个弯曲角,图3.4.6所示为一U形弯曲模的结构,该模具设置了顶料装置7和顶板8,在弯曲过程中顶板始终压住工件;同时利用半成品坯料上已有的两个孔设置了定位销9,对工件进行定位并有效地防止毛坯在弯曲过程中的滑动偏移。
卸料杆4的作用是将弯曲成形后的工件从凸模上卸下。
1-模柄 2-上模座 3-凸模 4-卸料杆 5-凹模 6-下模座 7-顶料装置
8-顶板 9-定位销 10-挡料销
图3.4.6U形件弯曲模
1-凸模;2-定位板;3-弹簧;4-回转凹模;5-限位钉;
图3.4.7夹角小于90度的U型件弯曲模
图3.4.7为夹角小于90o的U形件弯曲模,它的下模部分设有一对回转凹模。
弯曲前,回转凹模在弹簧3的拉力下处以初始位置,毛坯用定位板2定位。
压弯时凸模1先将毛坯弯曲成U形,然后继续下降,迫使坯料底部压向回转凹模4缺口,使两边的回转凹模向内侧旋转,将工件弯曲成形。
弯曲完成后凸模上升,弹簧使回转凹模复位,工件从垂直于图面方向的凸模上取下。
1-斜楔;2-凸模支杆;3-弹簧;4-上模座;5-凸模;6-定位销;7,8-活动凹模;9-弹簧;10-下模座;11-滚柱
图3.4.8斜楔结构的U形件弯曲模
图3.4.8为带斜楔的U形件弯曲模,弯曲开始时,凸模5先将毛坯弯成U形。
随着上模座4继续下行,凸模到位,弹簧3被压缩,两侧的斜楔1压向滚柱11,使装有滚柱的左右活动凹模7、8向中间运动,将U形件两侧向内压弯成形。
当上模回程时,弹簧9使活动凹模复位。
三.Z形件弯曲模
由于Z形件两端直边弯曲方向相反,所以Z形弯曲模需要有两个方向的弯曲动作,如图3.4.9所示。
压弯前因橡胶7的弹力作用,压块3与凸模2的下端面齐平或略突出于凸模2端面(这时限位块8与上模座1分离)。
同时顶块5在顶料装置的作用下处于与下模端面持平的初始位置,毛坯由定位销定位。
压弯时上模下压,压块3与顶块5夹紧坯料。
由于压块3上橡胶弹力大于顶块5上顶料装置的弹力,毛坯随压块3与顶块5下行,先完成左端弯曲。
当顶块5下移触及下模座4后,橡胶7开始压缩,压块3静止而凸模2继续下压,完成右端的弯曲。
当限位块8与上模座1相碰时,工件受到校正。
图3.4.9 Z形件弯曲模
(一) 图3.4.10 Z形件弯曲模
(二)
1-上模座2-凸模3-压块4-下模座
5-顶块 6-托板7-橡胶8-限位块
图3.4.10的Z形件弯曲模结构与图3.4.8相近,但不同的是将工件位置倾斜了20度~30度,使整个工件在弯曲行程终了时可以得到更为有效的校正,因而回弹较小。
这种结构适合于冲压折弯边较长的弯曲件。
四. 四角形件弯曲模
这种弯曲件的成形方法有两种:
一种为两次弯曲成形,另一种为一次弯曲成形。
(一)四角形件两次弯曲模
图3.4.11为两次弯曲成形的方法,第一次先将毛坯弯成U形;第二次弯曲时,利用弯曲凹模外形兼作半成品坯件的定位,然后弯曲成四角形。
弯曲件过程中,工件中间最好有工艺定位孔,以防经两道工序弯曲后,工件两边尺寸不一致。
采用这种方法成形的模具结构简单紧凑,但是正因为需要第二次弯曲凹模外形作定位,使第二次弯曲凹模的壁厚受到弯曲件弯边高度的限制,因此要求工件高度h>12~15t(料厚)。
否则凹模壁厚太薄强度不够。
图3.4.11 形件两次弯曲成形的方法
(一)
图3.4.12为倒装式两次弯曲成形的方法,利用工件上的工艺孔定位,第一次弯曲弯出工件两个外角,同时中间两角预弯45度,第二次弯曲中间两角成形。
采用这种方式弯曲的四角形件,尺寸精度较高,回弹容易控制。
图3.4.12 形件两次弯曲成形的方法
(二)
(二)四角形件一次弯曲模
图3.4.13为一次弯曲成形的复合弯曲模结构,是将两个简单模复合在一起的弯曲模。
凸凹模1即是弯曲U形的凸模,又是弯曲四角形的凹模。
弯曲时,先由凸凹模1和凹模3将毛坯弯成U形,然后凸凹模继续下压,与活动凸模作用,将工件弯曲成四角形件。
这种结构的凹模需要具有较大的空间,与图3-57的结构一样,凸凹模1的壁厚受到弯曲件高度的限制。
此外,由于弯曲过程中毛坯未被夹紧,易产生偏移和回弹,工件的尺寸精度较低。
1-凸凹模 2-活动凸模 3-凹模 4-顶板
图3.4.13 一次弯曲成形的复合弯曲模
图3.4.14为摆块式四角形件弯曲模。
弯曲前毛坯靠活动凸模2上端面和两侧挡板定位,弯曲时凸模在弹顶装置弹力的作用下与下行的凹模1一起压紧中间坯料弯出两个内角。
然后凹模进一步下压,带动活动凸模下移,迫使两侧摆块3向外转动至水平,完成两个外角的弯曲。
1-凹模2-活动凸模3-摆块4-垫板5-轴销
图3.4.14摆块式形件弯曲模
五 圆筒形件弯曲模
圆筒形件弯曲的弯曲方法可分为三类:
(一)对于圆筒直径d<5mm的小圆,一般先将毛坯弯成U形,然后再弯成圆形。
模具结构见图3.4.15a、b。
若工件圆度不好,可以将工件套在芯棒上,在第二副弯曲模(图b)中连压几次进行整形。
图3.4.15小圆筒件弯曲模
(二)对于圆筒直径d≥20mm的大圆,一般先将毛坯弯成波浪形,然后再弯成圆形,模具结构如图3.4.16a、b所示。
波浪形状由中心的三等分圆弧组成,首次弯曲的波浪形状尺寸,必须经实验修正。
图3.4.16较大圆筒件弯曲模
六. 对于圆筒直径d为10~40mm、材料厚度大约1mm的圆筒形件,可以采用摆动式凹模结构的弯曲模一次弯成,如图3.4.17所示。
毛坯先由两侧定位板以及凹模块1上端定位,弯曲时凸模3先将坯料压成U形,然后凸模继续下行,下压凹模块的底部,使凹模块绕销轴向内摆动,将工件弯成圆形。
弯曲结束后,向右推开支撑4,将工件从凸模上取下。
这种方法生产效率较高,但由于筒形件上部未受到校正,因而回弹较大。
图3.4.17 圆筒形件一次弯曲模
1-凹模块 2-销轴 3-凸模 4-支撑
七. 铰链弯曲模
铰链弯曲成形,一般分两道工序进行,先将平直的毛坯端部预弯成圆弧(见图3-65所示),然后再进行卷圆。
在预弯工序中,由于弯曲端部的圆弧(
=75度~80度)一般不易成形,故将凹模的圆弧中心向里偏移L值,使端部材料挤压成形。
偏移量L值见表3.4.1,预弯工序中的凸、凹模成形尺寸如图3-65b所示,铰链预弯模见图3.4.18a。
1-凹模 2-顶板 3-凸模
图3.4.18预弯工序中的成形尺寸
表3-9 偏移量L值 (mm)
料厚t
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
偏移量L
0.3
0.35
0.4
0.45
0.48
0.50
0.52
0.60
0.60
0.65
0.65
铰链的卷圆成形,通常采用推圆的方法。
由于铰链卷圆件的回弹随相对弯曲半径比值r/t而增加,所以卷圆成形时的凹模尺寸应比铰链的外径小0.2~0.5mm。
图3.4.19b为直立式铰链弯曲卷圆模结构,适用于材料较厚而且长度较短的铰链,结构较简单,制造容易。
图3.4.19c为卧式铰链弯曲卷圆模结构,利用斜楔1推动卷圆凹模2在水平方向进行弯曲卷圆,凸模3同时兼作压料部件,结构较复杂,但工件的质量较好。
1-斜楔2-凹模3-凸模4-弹簧
图3.4.19 铰链弯曲卷圆模
3.4.2弯曲模结构设计应注意的问题
进行弯曲模的结构设计时,应注意以下几点:
一.毛坯放置在模具上必须保证有正确可靠的定位。
当工件上有孔而且允许用其作为定位孔时,应尽量利用工件上的孔定位,若工件上无孔但允许在毛坯上冲制工艺孔时,可以考虑在毛坯上设计出定位工艺孔。
当工件上不允许有工艺孔时,应考虑用定位板对毛坯外形定位。
同时应设置压料装置压紧毛坯以防止弯曲过程中毛坯的偏移。
二. 当采用多道工序弯曲时,各工序尽可能采用同一定位基准。
三.设计模具结构应注意放入和取出工件的操作要安全、迅速和方便。
四. 弯曲凸、凹模的定位要准确,结构要牢靠,不允许有相对转动、位移。
五. 对于对称弯曲件,弯曲模的凸模圆角半径和凹模圆角半径应保证两侧对称相等,以免弯曲时毛坯发生滑动、偏移。
六. 弹性材料的准确回弹值需要通过试模对凸、凹模进行修正确定,因此模具结构设计要便于拆卸。
七.由于U形弯曲件校正力大时会贴附凸模,所以在这种情况下弯曲模需设计卸料装置。
八. 结构设计应考虑当压力机滑块到达下极点时,使工件弯曲部分在与模具相接触的工作部分间得到校正。
九. 设计制造弯曲模具时,可以先将凸模圆角半径做成最小允许尺寸,以便试模后根据需要修整放大。
十. 为了尽量减少工件在弯曲过程中的拉长、变薄和划伤等现象,弯曲模的凹模圆角半径应光滑,凸、凹模间隙要适当,不宜过小。
十一.当弯曲过程中有较大的水平侧向力作用于模具上时,应设计侧向力平衡挡
3.4.3弯曲模工作部分尺寸的设计
一.凸模圆角半径
当弯曲件的相对弯曲半径r/t较小时,取凸模圆角半径等于或略小于工件内侧的圆角半径r,但不能小于材料所允许的最小弯曲半径rmin。
若弯曲件的r/t小于最小相对弯曲半径,则应取凸模圆角半径rt>rmin,然后增加一道整形工序,使整形模的凸模圆角半径rt=r。
当弯曲件的相对弯曲半径r/t较大(r/t>10),精度要求较高时,必须考虑回弹的影响,根据回弹值的大小对凸模圆角半径进行修正。
二.凹模圆角半径
凹模入口处圆角半径ra的大小对弯曲力以及弯曲件的质量均有影响,过小的凹模圆角半径会使弯矩的弯曲力臂减小,毛坯沿凹模圆角滑入时的阻力增大,弯曲力增加,并易使工件表面擦伤甚至出现压痕。
在生产中,通常根据材料的厚度选取凹模圆角半径:
当 t≤2mm, ra=(3~6)t
t=2~4mm,ra=(2~3)t
t>4mm, ra=2t
对于V形弯曲件凹模,其底部圆角半径可依据弯曲变形区坯料变薄的特点取r'a=(0.6~0.8)(rt+t)或者开退刀槽。
三. 弯曲凹模深度
凹模深度要适当,若过小则弯曲件两端自由部分太长,工件回弹大,不平直;若深度过大则凹模增高,多耗模具材料并需要较大的压力机工作行程。
图3.4.20 弯曲模工作部分尺寸
对于V形弯曲件,凹模深度及底部最小厚度如图3.4.20a所示,数值查表3.4.2。
表3.4.2 弯曲V形件的凹模深度
及底部最小厚度值
(mm)
弯曲件边长l
板 料 厚 度
≤2
2~4
>4
h
l0
h
l0
h
l0
10~25
>25~50
>50~75
>75~100
>100~150
20
22
27
32
37
10~15
15~20
20~25
25~30
30~35
22
27
32
37
42
15
25
30
35
40
—
32
37
42
47
—
30
35
40
50
对于U形弯曲件,若直边高度不大或要求两边平直,则凹模深度应大于工件的深度,如图3.4.20b所示,图中h0查表3.4.3。
如果弯曲件直边较长,而且对平直度要求不高,凹模深度可以小于工件的高度,见图3.4.20c,凹模深度l0值查表3.4.4。
表3.4.3 弯曲U形件凹模的h0值 (mm)
板料厚度t
≤1
1~2
2~3
3~4
4~5
5~6
6~7
7~8
8~10
h0
3
4
5
6
8
10
15
20
25
表3.4.4 弯曲U形件的凹模深度l0 (mm)
弯曲件边长l
板 料 厚 度t
<1
>1~2
>2~4
>4~6
>6~10
<50
50~75
75~100
100~150
150~200
15
20
25
30
40
20
25
30
35
45
25
30
35
40
55
30
35
40
50
65
35
40
40
50
65
四.弯曲凸、凹模的间隙
V形件弯曲时,凸、凹模的间隙是靠调整压力机的闭合高度来控制的。
但在模具设计中,必须考虑到模具闭合时使模具工作部分与工件能紧密贴合,以保证弯曲质量。
对于U形件弯曲,必须合理确定凸、凹模之间的间隙,间隙过大则回弹大,工件的形状和尺寸误差增大。
间隙过小会加大弯曲力,使工件厚度减薄,增加摩擦,擦伤工件并降低模具寿命。
U形件凸、凹模的单面间隙值一般可按下式计算:
弯曲有色金属:
(3-30)
弯曲黑色金属:
(3-31)
式中:
—凸、凹模的单面间隙(mm,如图3-69a所示);
、
—板料的最小厚度和最大厚度(mm);
—板料厚度的基本尺寸(mm);
C—间隙系数,其值按表3.4.5选取。
表3.4.5 间隙系数C值 (mm)
弯曲件
高度h
b/h≤2
b/h>2
板 料 厚 度t
<0.5
0.6~2
2.1~4
4.1~5
<0.5
0.6~2
2.1~4
4.2~7.6
7.6~12
10
20
35
50
70
100
150
200
0.05
0.05
0.07
0.10
0.10
-
-
-
0.05
0.05
0.05
0.07
0.07
0.07
0.10
0.10
0.04
0.04
0.04
0.05
0.05
0.05
0.07
0.07
-
0.03
0.03
0.04
0.05
0.05
0.05
0.07
0.10
0.10
0.15
0.20
0.20
-
-
-
0.10
0.10
0.10
0.15
0.15
0.15
0.20
0.20
0.08
0.08
0.08
0.10
0.10
0.10
0.15
0.15
-
0.06
0.06
0.06
0.10
0.10
0.10
0.15
-
0.06
0.06
0.06
0.08
0.08
0.10
0.10
注:
b为弯曲件宽度。
当工件精度要求较高时,间隙值应适当减小,可以取
。
五 U形件弯曲模工作部分尺寸的计算
〔一〕 弯曲件标注外形尺寸(见图3.4.20b)
应以凹模为基准件,先确定凹模尺寸,然后再减去间隙值确定凸模尺寸。
a) b 〕 c)
图3.4.20弯曲模及工件的尺寸标注
当弯曲件为双向对称偏差时,凹模尺寸为:
(3-32)
当弯曲件为单向偏差时,凹模尺寸为:
(3-33)
凸模尺寸为:
(3-34)
或者凸模尺寸按凹模实际尺寸配制,保证单面间隙值
。
〔二〕弯曲件标注内形尺寸(见图3.4.20c)
应以凸模为基准件,先确定凸模尺寸,然后再增加间隙值确定凹模尺寸。
当弯曲件为双向对称偏差时,凸模尺寸为:
(3-35)
当弯曲件为单向偏差时,凸模尺寸为:
(3-36)
凹模尺寸为:
(3-37)
或者凹模尺寸按凸模实际尺寸配制,保证单面间隙值
。
式中:
—弯曲件的基本尺寸(mm);
、
—凸模、凹模工作部分尺寸(mm);
—弯曲件公差(mm);
、
—凸模、凹模制造公差,选用IT7~IT9级精度(mm);
—凸模与凹模的单面间隙(mm)。
习题与思考题三
1. 宽板、窄板弯曲时的应力应变状态为何有所不同?
2. 什么是中性层?
怎样确定中性层的位置?
3. 什么是弯曲中的回弹现象?
受哪些因素的影响?
在生产中掌握回弹规律有何实际意义?
试述减少弯曲回弹的工艺措施。
4. 弯曲时为什么要考虑最小相对弯曲半径?
影响因素有哪些?
5. 试计算图示弯曲件a、b的毛坯展开长度尺寸。
a b
图3-5 弯曲件
6.
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