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商品名称:冷冲压件加工
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帽形截面冷冲压件的回弹分析及补偿

由于帽形截面冲压件的截面几何形状特点以及 冲压成形受力特点,这类件成形后大多存在一定的 截面开口, 开口主要是两侧壁的弯曲回弹造成 的[1 - 3 ] 。由于帽形件是采用板料用模具压形方法成 形的,卸载后截面的两侧壁会在底部圆角弯曲区域 产生弹复,使侧壁绕底部圆角向外旋转,导致截面上 开口量比下开口量大,这是造成截面开口量过大的 最主要因素[4 - 5 ] 。因此解决截面开口问题应该重点 解决回弹量过大问题。 本文首先进行回弹计算理论分析,然后运用数 值模拟技术对影响截面侧壁回弹的诸多因素(比如 压边力、凸模圆角半径、模具间隙等) 进行仿真分析, 进行回弹量预测模拟,研究了回弹补偿方法,并加以 试验验证,并用于改进某型地铁碳钢车帽形侧立柱 的成形工艺与模具。 1 回弹计算 帽形件的回弹主要源于凸模圆角处板料弯曲卸 载后的变形回复,回弹量可以通过回弹角Δθ、Δβ这 2 个特征参数来度量,如图1 所示。 图1 截面回弹及主要参数 长度比较大的帽形截面零件可以近似为平面应 变问题,基于对圆角处受力状态的简化,可以得到帽 形截面回弹角变化的近似计算公式。首先假定材料 的应力€σ、应变€ε关系满足 €σ = K€ εn . (1) 其中: K 为材料强度系数; n 为硬化指数。 在凸模圆角处取一微元体(图2) , 将其切向记 为θ, 径向记为ρ, 垂直于截面的方向记为z 。弯曲 后板料中心线曲率半径为ρc , 凸模圆角半径为ρp 。

2 凸模圆角半径对回弹的影响 减小凸模圆角半径,使成形力集中地作用于弯 曲变形区,实现圆角处的强力压料,改变弯曲变形区 外侧受拉和内侧受压的应力状态,有利于减小回弹, 提高截面形状精度。选取中间带有一个凹陷、长度 400 mm、壁厚2 mm、高70 mm 的帽形截面件为典 型件,见图3 。材料为09CuPCrNi , 其主要性能为 K = 791. 9 MPa , r = 1. 26 , n = 0. 186 , μ= 0. 3 , E = 206. 9 GPa 。运用式(14) , 可以计算出凸模圆角 半径ρp 对回弹角Δθ的影响规律,如图4 所示。 从图4 可以看出,随着凸模底部圆角半径的减 小,回弹量变小,截面开口量因而变小。可见,减小 凸模圆角半径,实施强力压料,能够通过减小回弹 量,减小侧壁开口量。为进一步验证这一结论,运用 模拟软件对不同凸模圆角半径下的成形过程进行模 表1 中的模拟结果表明,回弹角随着凸模圆角 半径的增加而增大,这与回弹角计算公式(14) 的计 算结果相一致,因此无论回弹角的计算结果还是模 拟结果均能一致地反映回弹角随着凸模圆角半径变 化的规律,而且两者大小比较接近。 但是实践中发现,仅仅通过减小凸模圆角半径, 并不能完全控制帽形截面件的回弹量。而且当圆角 半径小到某一范围后,继续减小圆角半径对截面开 口量影响不再明显,还会引起开裂等其他缺陷。成 形实验中也发现,当凸模圆角半径很小时,成形件底 部圆角处出现了明显的压痕甚至裂纹。因此为了获 得质量良好的冲压件,凸模圆角半径不宜过小,生产 中要适当选取,同时要结合其他回弹控制方法,提高 成形精度。


3 反变形回弹补偿 反变形回弹补偿方法是把模具凸模底面和顶料 板顶面加工成弧状,以此对板料预先实施反变形(弹 性变形) ,卸载后反变形弧面产生的收口回弹与两侧 壁的开口回弹相反,后者因而可被大幅削弱或抵销, 从而可有效控制成形件截面形状(见图5) 。 图5 反弯曲回弹补偿结构及其有限元模型 此方案中,凸模底部弧面弦高N 、顶板顶部弧 面半径Rd 以及顶板背压力F 是影响回弹补偿效果 的重要参数,与板料性能、成形件几何尺寸等因素密 切相关。Rd = R + sh , h 为料厚, s 为系数。运用数 值模拟分析了这些参数对截面形状的影响,分析模 型见图5b , 模拟结果见图6 。 从图6a 中可以看出, N 值越大,截面开口量越 小,对回弹的控制效果越好。但是N 值不能太大, 否则会引起反变形区域变形加剧,出现塑性变形,影 响回弹补偿效果及成形件质量。图6b 的模拟结果 表明回弹量随着顶板弧面半径的减小而减小,减小 顶板弧面半径有利于减小截面开口量。图6c 中数 据说明,在一定范围内增大背压力能够减小截面回 弹,超过这个范围,几乎不再起作用。因此实际应用 中需结合模拟技术对这些参数进行优化选择。 4 轨道车辆侧立柱成形工艺试验 为了验证研究的有效性,以某型地铁碳钢车辆 侧立柱为典型件进行成形实验。该构件截面呈帽 形,长度2. 3 m , 截面开口宽度尺寸50 mm , 板料厚 度3 mm , 材料为09CuPCrNi , 采用板料在模具上 一次冲压成形。其主要缺陷是因侧壁回弹量大而导 致截面开口量过大,误差达到5 mm 以上,无法满足 产品使用要求。

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