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。