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U型模具設計及相關參數試驗探析

摘要：以某三角筋板為研究對象，設計一套該產品的U型模具。采用有限元分析理論知識，在Workbench平臺上對產品進行有限分析計算。首先，利用UG軟件建立模具初始結構的力學模型并基于Workbench軟件進行靜力學分析，通過優化后的結果可知，模具承受的最大等效應力和最大變形均滿足產品的加載試驗要求。通過大量試驗結果表明：當凸凹模間隙Z=1.12t時，三角筋板的壓制成形效果最好，為后續模具的設計和參數的選擇提供了寶貴的經驗。

關鍵詞：U型模具；有限元；回彈；成形

0引言

隨著科技的飛速發展，產品結構輕量化設計成為當今一大主題。筋板在增強產品剛度、強度并且減少質量方面起到至關重要的作用，其中異形筋板壓制成形的精度和質量更是直接影響整個產品的質量。目前，筋板壓模多為采用U型結構的上模配合下模壓制成形。對于U形彎曲件，必須選擇適當的上下模間隙，間隙的大小對筋板質量和彎曲力有很大的影響。間隙越小，筋板承受的彎曲力就越大，間隙過小，不僅會使筋板兩邊壁厚減薄，而且會極大地降低凹模壽命。相反間隙過大，則筋板兩邊回彈大，壓制成形后不符合設計要求。以某三角U形筋板為研究對象，設計出合適的U形模具結構，并且探索出合理的模具相關參數，力求提高筋板的一次壓制成功率，即壓制過程中筋板承受彎曲力小、壁厚不變并且回彈小。首先對U型模具進行參數確定；其次建立三維有限元模型，對其進行有限元分析；最后通過大量的試驗確定模具間隙的最優數據，最終實現了U型模具的一次壓制成形。

1U型模具設計

1.1凹模圓角半徑

一般情況下，凹模圓角半徑的大小對彎曲力和產品的成形質量均有影響。查詢沖壓手冊[1]，凹模圓角半徑通常根據產品的厚度進行選取。t≤2，rd=（3~6）t4≤t＜2，rd=（2~3）tt＞4，rd==2!####"####$t（1）產品厚度t=3，則圓角半徑取rd=8。

1.2凹模深度

凹模深度需要適當。深度過小則產品兩端的自由部分太長，彎曲后產品回彈較大，且兩邊不平直；深度過大則模具鋼材消耗多，且要求較大行程的壓機。對于U形彎曲件，盡可能使直邊部分進入凹模型腔內。查手冊中彎曲模工作零件的設計尺寸可知，當產品厚度t=3mm，產品彎曲直角邊長度106mm時，可知凹模工作深度h″d=40mm。

1.3凸、凹模間隙

對于U形彎曲件，必須選擇適當的間隙，間隙大小對產品質量和彎曲力有很大影響。間隙值與產品厚度、材料的機械性能、產品的彎曲回彈、質變長度等均有關系。壓制有色金屬時：Z=tmin+C壓制黑色金屬時：Z=tmax+C（3）式中：Z為凸、凹模單邊間隙；tmax為產品材料最大厚度；tmin為產品材料最小厚度；C為系數。由于產品材料的最大厚度和最小厚度經常不易測得，經常使用經驗公式：Z=（1.05~1.15）t（4）

1.4凸、凹模工作部分尺寸與公差

產品尺寸標注的不一樣，決定了凸模和凹模的尺寸計算的不同。查詢實用沖壓模具設計手冊[2]可知，當尺寸標注在產品的外部時：若產品為單向公差時,凹模尺寸Ad=（A-3/4△）+δd（5）若產品為雙向公差A±△時,凹模尺寸Ad=（A-1/2△）+δd（6）凸模尺寸按照凹模尺寸配制，保證單邊間隙值Z。當尺寸標注在產品內部時：若產品為單向公差A+△時,凸模尺寸Ap=（A+1/4△）-δp（7）若產品為雙向公差時,凸模尺寸Ap=（A-1/2△）-δp（8）凹模尺寸按照凸模尺寸配制，保證單邊間隙值Z。式中：Ad為凹模尺寸；Ap為凸模尺寸；為A產品公稱尺寸；△為產品標注公差；δp為凸模制造公差；δd為凹模制造公差。1.5U型模具三維模型根據以上參數的選擇與確定，建立如圖1所示U型模具三維模型，模具主要由上模、下模、定位銷和起吊螺栓組成。彎曲雙角產品時，為了減小回彈角度，將凸模的側壁作傾斜度。

2U型模具計算分析

2.1彎曲力的計算

為了驗證U型模具的安全可靠性，對其關鍵件進行有限元分析，根據強度校核理論對其安全性進行計算分析。為了選擇壓模時所需用的壓力機和模具的優化設計，必須計算壓模時的彎曲力，彎曲力的大小與產品彎曲時的形狀、機械性能及下模圓角半徑等因素有關。對于一般形狀的產品彎曲按下列公式計算：P=0.25δbtB10000（9）式中：P為彎曲力（t）；δb為抗拉強度極限（MPa）；B為彎曲線長度（mm）；t為材料的厚度（mm）；0.25為系數。

2.2上模有限元分析

上模采用Q345A材料，查機械設計手冊[3]得：其彈性模量Ex=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度為7.8×10-6kg/mm3，屈服強度345MPa，抗拉強度為470~630MPa。首先將上模模型導入Workbench軟件中進行網格劃分[4]，以滿足有限元分析要求。對上模上平面進行載荷加載，對上模底部垂直方向進行約束。經分析計算求得上模變形情況和等效應力分布情況分別如圖2、圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，上模的整體最大變形出現在尖點集中處，最大變形量為0.1mm；等效應力最大處出現在筋板的尖點處，最大應力為182MPa。Q345板材的屈服強度為345MPa，安全系數為1.9，滿足加載試驗要求。

2.3下模有限元分析

以同樣的方式對下模進行網格劃分，下模的載荷加載共分2部分，第一，剛開始加載時主要的受力部位在下模的兩個圓角半徑處；第二，當加載到最底部時，主要的受力部分在下模的凹面最低處。下模的底面進行垂直方向限位約束。經分析計算求得下模變形情況和等效應力分布情況分別如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，下模的整體最大變形出現在圓角半徑處，最大變形量為0.006mm；等效應力最大處出現在下模最低端的兩條邊線處，最大應力為43MPa。Q345板材的屈服強度為345MPa，安全系數為7.5，滿足加載試驗要求。

3試驗

U型模具生產制造完成后需要進行試模、合模，待模具合適后方可用于三角筋板的壓制成形。根據公式（4）可知，凸凹模間隙在一個尺寸范圍內，本次通過大量試驗對間隙參數進行試驗對比，結果分別從壓制成形效果和產品從凹模中取出的容易度進行綜合對比。經過大量試驗后結果顯示，當凸凹模間隙Z=1.12t時，產品的壓制成形后回彈小、成形效果最好，且產品從凹模中取出來后不會出現卡滯和劃傷產品的情況。

4結論根據對

U型模具各個尺寸的理論計算和選擇，建立了模具的三維實體模型。根據有限元理論，對U型模具進行網格劃分、邊界條件施加載荷和約束，對上模和下模進行有限元分析，根據強度校核理論進行校核，通過應力云圖和等效應力結果可知，U型模具的設計符合加載試驗要求。通過大量試驗結果表明：當凸凹模間隙Z=1.12t時，產品的壓制成形效果最好，為后續的模具設計提供了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1]王孝培.沖壓手冊[M].北京：機械工業出版社,1988.

[2]鄭可锽.實用沖壓模具設計手冊[M].北京：宇航出版社,1990.

[3]徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社,1991.

[4]張朝暉.ANSYS12.0結構分析工程應用實例解析：第三版[M].北京：機械工業出版社,2010.

作者:馮鵬升楊愛萍徐慧敏趙飛王麗鵬李文鋆單位:山西航天清華裝備有限責任公司