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常州托板体厚板成形件工艺分析及模具设计

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现状调查

托板体和安全托板板料的厚度均为16mm,材质为Q235A,均为厚板成形件。托板体产品图如图1所示,压形深度为16mm、24 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm,热压后工件成垛码放,在热应力和重力的作用下,两翼平面度下凹为1.1~1.4mm(图2),下部A平面度圆弧状上隆0.8~1.2 mm(图3),不能满足产品的技术要求。安全托板的结构与托板体形状、结构、尺寸类似,同样存在平面度超差的质量问题。


图1  托板体产品图


图2  两翼热压图

图3  底部热压图

工艺分析

成形力的计算

按冲压模具设计手册冷压成形力P=4×0.6×1.3×210×16×16×38/(16+15)=205t,4为板料的折弯次数,0.6为理论常数,1.3为工况系数,210为板料宽度,16为板料厚度,38为材料抗拉强度,15为工件的成形圆角半径,所以在315吨油压机上冷压成形是可以的。

回弹角的确定

压形模具的设计关键在于回弹角和反变形量的确定,成形工件相对弯曲半径是成形圆角半径与板料厚度(图4)的比值,15/16=0.94,数值较小,故不考虑成形圆角的回弹,仅考虑折压角的回弹,回弹角反变形量的数值与板料的厚度、材料的屈服强度、材料的抗拉强度、成形的角度、工件的形状、设备的压力吨位、模具成形的间隙有关,影响因素众多,其理论计算公式为经验公式,工件的回弹角难以准确控制,为此进行冷压逼真试验并在JSTAMP软件上进行数值模拟分析。


图4  工件角度示意图


 ⑴按模具设计手册,理论计算的回弹角数值为1.0°,推算出两翼平面度为1.31mm,下部平面度为3.32mm,数值相对偏大。

⑵用既有的热压模具(没有回弹角和反变形,如图5所示,在油压机240t压力下,进行冷压试验,冷压试验后工件再修形后钻孔(图6),保证试验料不废。平面度数值如表1所示,可以看出两翼实际的回弹量大于理论计算数值,底部实际的回弹量小于理论计算数值。



图5  压形模具照片


图6  压形及钻孔照片




表1  托板体冷压平面度数值统计表(mm)


⑶用STAMP软件,在260t状态下进行3次回弹数值模拟运算分析,回弹量仅为0.48 mm,小于理论计算的数值。工件回弹趋势模拟曲线如图7所示。


图7  工件回弹趋势模拟曲线




对比热压、冷压和模拟分析三者之间的数值差别,同时兼顾模具可能调整的方便性,确定回弹角和反变形量的数值,两翼的回弹角为1.2°,底部的反变形挠度值为2.5 mm。   

             

模具设计

根据回弹角和反变形量确定压形模具的数学模型,如图8所示,两翼向下旋转1.2°,底部上翘2.5mm,圆弧中心250的尺寸调整到直线交点尺寸261, 圆弧中心380的尺寸调整到直线交点尺寸370,保证中性层的展开尺寸相等,也就是当模具压形结束后,期望回弹到工件初始状态下,使折压线总长度保持不变,保证模具设计的精准。在CREO2.0三维设计软件下进行参数化设计,当数学模型发生变化后,相应的压形镶块和模体对应的特征以及二维图纸随之变化调整,圆角半径R15在模具的工作部件设计完成后进行标注修饰,如图9所示,便于模具三维零部件快速准确的再生,提高设计的效率,最终得到的模具结构如图10所示。 



图8  工件数学模型图


图9  原模具结构示意图


图10  模具结构示意图   

1、3、8-上模镶块;2、6、7-下模镶块;4-下模体;5-上模体

                

原有模具的上下镶块全部固定在止口里,当模具压形镶块胀形或镶块与模体止口之间存在杂质时,模具更换镶块就需要过多的内外部时间,不符合快速换模的精益理念。而镶块的固定方式改为上镶块取消止口的自由方式,其受力有向中心位移的趋势,却没有变更尺寸工作链的可能,下镶块依然固定在模体的止口里,限制镶块受力有向外位移改变尺寸工作链的可能(图10)。当模具更换其他产品时,仅仅更换外侧的4个镶块,而不是更换全部的压形镶块,减少模具的更换时间,并降低模具制造和维修成本。


验证及结论

⑴反变形量由2.5 mm调整到1.5 mm,模具已批量生产,实现了冷压的工艺转变。

⑵适当增加设备压力,力求弯角处弹性变形回弹角减小,保证工件刚度和尺寸的稳定性。

⑶尽可能进行柔性化模具设计,避免模具镶块全部更换。



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