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折彎機開口可調模具的研究

文章出處:admin人氣:發表時間:2018-11-22 13:22
傳統的折彎機模具如圖 # 所示,開口為 $ 形結構,常加工成 %&’、()’、*)’、+&’、,)’等不同角度的 $ 形槽,主要用于標準的角度折彎。由于此模具在四個表面開槽寬度及角度大小受方形截面的限制,最大開口一般為 #*)--。適用于中小噸位的折彎機,尤其對薄板進行壓底折彎,精度較好,但是很難適應較厚鋼板的加工。隨著送變電、汽車、西氣東輸、海上石油鉆探、鋼結構、軍工及造紙機械等行業的迅速發展,所加工的鋼板厚度
在 ( . #))--,材料有 /%(&、/(0&、#*12、34、3+ 及不銹鋼,工件的截面有方形、棱形、圓形等各種形狀。因此研究開發開口可調、可靠方便、結構新穎的下模,對折彎機生產企業具有戰略性的意義,不僅能滿足市場的需要,又可為企業創造更多的經濟效益及社會效益。
 

圖! # 一、模具結構設計

開口可調下模也稱槽形下模,其優點如下:
(#)下模開口可以調整,最小開口 #)--,最大開口 +))--,能滿足各種厚度鋼板的折彎。
(%)下模槽深不受限制,可根據要求放大至需要的任意值。
(()折彎工件的角度不受限制。
(0)模座熱處理工藝性好,硬度較高,使用壽命長。
(&)換模不需要重新對中,操作方便。
(*)底座及墊板所用材料為 /%(&,制造容易。
(4)適用于各種形狀的工件,特別適用于圓形截面工件的加工。
(+)更換斜墊板能加工各種錐度的鋼管,可代替專用的圓錐模具。
(,)具有一定能力的預彎功能。
開口可調下模主要有兩大類:一類為墊板可調式;另一類為模座可調式。共有三種結構型式:墊板可調式、模座手動可調式、模座自動可調式。
&’ 墊板可調式
墊板可調式模具見圖 %,分別為最小開口和最大開口時的情況。
 
該結構底座為槽形結構,分鑄件或焊接件兩種。模座通常由模具鋼或合金鋼制造,熱處理要求較高,主要采用整體淬火加上表面局部淬火處理,即保證模座的整體性能,又使模座具有較好的加工性能。墊板通常為 #$$ 一檔,厚度從 %&$$ 起到需要的厚度,材料由 ’()# 制造。通過增加或減少墊板的數量便可調節下模的開口,開口調節精度通常為 &* &+$$,下模開口可從“&”調至需要的任意值。墊板根據使用要求可加工成不帶斜度或各種不同的斜度,這樣可組成一定錐度要求的開口,一種錐度配一套墊板,可方便加工各種錐度的棱錐形或圓錐形工件。緊固螺栓分榫頭螺栓或通螺紋螺桿兩種。托板由 ’()# 材料制造,起到托住從底座拿出的多余墊板的作用,并保護暴露在外面的螺紋不被破壞。
墊板可調式結構的下模通常用于角度折彎和各種零件形狀復雜、產品規格多的各種場合,又可用于加工電力桿行業棱柱、棱錐、圓柱和圓錐等電力鋼管和西氣東輸用的大直縫鋼管。圓錐形工件主要由專用的圓錐模具加工,一種錐度需配一套模具,通用性差,用墊板可調式下模配相應錐度的墊板即可代替專用的五次成形下模,極大地降低了投資成本。缺點是由于底座內腔尺寸要求一致、墊板每一檔需嚴格保證等厚度,模座在組裝完后統一配磨,加工量大、周期長。
!& 模座手動可調式結構
模座手動可調式結構見圖 ),分別為最小開口和最大開口時的情況。
 
該結構主要由底座、模座組成,中間通過緊固件聯接。模座的材料及熱處理要求與墊板可調式結構相同,底座由 ’()#—, 制造。此結構不用墊板,調節范圍由 “&”至需要的任意值,開口調節精度通常為 &* %&$$。底座長度與機器長度相同,通常為 # - %.$,模座長度通常為 ($ 以上,要求配較大的熱處理、加工設備。模具結構較復雜,加工要保證模座尺寸的一致性,難度大,調節為人工操作,效率較低。主要用于批量加工電力桿行業棱柱、棱錐等電力鋼管和薄壁工件。
$& 模座自動可調式結構
模座自動可調式結構見圖 .,分別為最小開口和最大開口時的情況。
 
此機構為全數控調節,開口調節精度通常為 &* (&$$,精度主要由模座與底座之間的牙齒的齒距精度保證。齒形類似梯形螺紋,要求加工精度高、通長一致性好。由于要承受很大側向載荷,對牙齒材料硬度、強度要求高。
模座自動可調式下模工作時,先由導正對中系統將模座懸浮離開底座,使上下牙齒完全脫開,開口調節系統根據要求使左右模座運動至需要的位置,運動距離由安裝在兩側的光柵尺進行檢測,最后導正對中系統將模座落下,使上下牙齒咬合鎖緊,整個過程在瞬間即可完成。
此套機構含機械、液壓及電氣部分,結構復雜,并且安裝空間小,要求元器件的可靠性要好,制造成本高。但此結構效率高,勞動量小,適合于高投資、多品種且需頻繁改變下模開口大小的各種場合。是槽形下模水平最高的一種結構,也是開口可調節下模發展的方向。
三種方式比較而言,前兩者投資成本低,設計周期短。但調節開口費時費力,在開口調節不頻繁的場合采用最多。墊板可調式與模座手動可調式可用于多種工件的加工。模座自動可調式適于各種角度工件的成形,不適于小口徑的錐形工件的加工。具體見附表。

二、主要零件的參數設計

開口可調下模由底座、模座等主要零件組成。板料折彎過程中底座變形主要是彈性變形,設計時要計算強度、剛度滿足要求。模具的結構、參數及其精度是很重要的,它直接影響到折彎工件的好壞。對模座與底座零件的主要參數進行優化設計如下。
&’ 模座
模座結構主要有三種型式(見圖 #)。
 
圖! #
($)圖 #% 為整體結構,使用的面主要有 - 圓弧面及 & 形單邊斜面,模座材料主要用 ’()*+, 制造,硬度通常在 ’#-.) 左右。
(()圖 #/ 為模座鑲圓鋼組成,模座可用 ’# 鋼制造,圓鋼用 ’()*+, 制造,淬火硬度可達到 01-.) 左右。
(2)圖 #3 為模座鑲模塊組成,模座可用 ’# 鋼制造,模塊用 ’()*+, 制造,淬火硬度可達到 01-.) 左右。模塊可組裝后配磨或磨后組裝。
三種結構比較而言,第一種結構最簡單,加工最容
易,但整體由 ’()*+, 材料制造,成本大,熱處理較難;第二種結構中圓鋼加工容易,底座加工難,對裝配要求高;第三結構介于前兩種之間,是經濟性最高、加工較容易、維修成本最低的結構。
模座使用面主要是- 圓弧面,由于圓弧面通常為單一的圓角,并且圓角偏小,板材成形時是鋼板逐漸滑入下模槽中,板材成形后在表面容易留下擦傷、壓痕、凹陷等缺陷。這種缺陷既影響彎曲件的外觀質量,也會降低產品強度,在!415的角度折彎時尤為明顯。因此研究并改善圓弧面的形狀是模具開發的重要內容,目前主要有以下幾種方法:
第一,采用大圓弧面。原
先采用的圓弧為 -# 6 -788,在加工圖 0 所示厚度 2188、角
度 415的工件時,在側面全長方 圖! 0
向上出現 $ 6 288 深的坑,拉傷嚴重。在加工炮彈筒工件,板厚 288,工件要求手摸不能有棱邊及劃痕,設計下模圓弧 -988,工件加工完后,有微觀劃痕,最后修下模圓弧至-$(88,并修上模圓弧,重新加工零件,不再有劃痕。通過大量試驗獲得以下結果,將圓弧面加大至-$(88 以上,汽車大梁加工通常用整體成形的方法,圓弧面應加大至 -(188 以上,將會改善成形效果。另外,應降低圓弧面的粗糙度,改善圓弧面的磨擦系數。此種方法主要用于鋼管成形,角度往往 : $(#5,屬大角度成形,工件與模具接觸部分在圓弧面的上半部分。
第二,采用雙圓弧面(見圖 7)。雙圓弧面的過渡點 .應選在擠壓力產生的磨擦力等于工件下行的拉力的交界處。該點的選擇較難,往往需通過大量試驗獲得,-$ 與-( 的大小選取應當符合延緩切線長度變短的速率的關系。此種方法已見于 ;&< 等公司生產的模具中,是模座圓弧面結構的主流。
 
圖! 7
第三,圓弧面采用 =*%>?*@A 曲線代替通常的單一圓弧面,=*%>?*@A 曲線的數學方程表達式為:
/ B $ C D@E0
1 B $ C FE[?G(0 " ()]H $ C 3,D0 其曲線如圖 9 所示, =*%>?*@A 曲線與雙圓弧面相比,也是延緩切線長度變短的速率,即減小了凹模對零件表面的磨擦、壓痕、凹陷等缺陷的可能性,=*%>?*@A 曲線可通過成形砂輪或數控加工而成。
"’ 底座 圖! 9
由于模座可調式結構中底座是平板結構,不需要復雜的強度及剛度計算,現只論述墊板可調式底座的設計要點。以往底座通常是鑄件,造價較高。由于焊接工藝及檢測水平的提高,現大多數情況底座采用焊接結構,實踐證明這種結構是完全可行的。底座受力變形前后的形狀如圖 # 所示。
 
圖! #
底座主要由側板與底板組成,圖中兩側的 -、. 面為焊接部位。底板中間部位鼓起的高度 /$ 對折彎成形的精度影響可以忽略,主要探討側板向外張口引起的變化。在強度允許范圍內,側板的張開量在長度方向上要求全長一致。底座中側板與底板內側的交點 - 點為危險點,其設計依據材料力學的相關理論,結構見圖 %&,強度計算過程如下。
 
圖! %&
(%)底座側板 -0 截面受力:&% ’ 1 " ($()*2)
($)底座側板 -0 截面中點所受彎矩:! ’ &% + ,
(-)底座側板 -0 截面抗彎模量:3 ’ 4$./ + 4 " 0
(1) 底座側板 -0 截面 - 點應力:!’ ! 5 3
(2) 強度需滿足設計要求:!3 [!],底座材料
為 4$-2,[!]取 5& + %&0 67。
說明如下:
第一,- 點所受拉應力遠大于壓應力,因此壓應力忽略不計。
第二,公式中 1 為公稱折彎力;2 為 &% 與 1 的夾角;/ 為 -0 截面中點 6 到 &%方向的垂直距離;4./為 -0 線段的長度;4 為模具長度。
第三,嚴格來講,2 應選擇在圖 %& 中 - 點時 &%與 1
的夾角,此時 &% 為最大,通常為簡化計算,2 取 128。計算時應先做出模具簡圖,-0 截面作圖應通過 - 點做出 &%的平行面,為簡化計算,-0 線段長度取底座內外側交點的距離。
要獲得較好的折彎效果,底座應符合剛度要求。底座中側板的頂點 7 點為撓度變形最大的部位,見圖 %%,左右側板 7 點相對變形的大小與圖 # 中 3$ 與 3% 的差值相等。計算過程如下:
 
圖! %%
&$ ’ &% + *9:2
/8/ 截面的慣性矩:9, ’ :- + ; " %$
7 點撓度:!; ’( 3$ < 3%)" $ ’ &$ + 4-.=(" -> 1 + < +
9,
式中,4.=是 -7 線段的長度;< 為材料的彈性模量;
4 為模具長度;: 為側板寬度。
以上強度與剛度分析均為近似計算,現多采用有限元分析,結果更符合實際情況。下面通過對 %&&&? 以下常用的底座進行有限元計算進行分析,分析軟件用 @=A 和 BC/.D 平臺。模座受均布載荷 $&&? " E,側板與底板厚度均取 5&EE。經過分析,底座變形與應力狀況如圖
%$ 所示。
 
圖! %$
底座剛度要求是如圖 # 中 3$ 與 3% 的差值控制在 &> -EE 以內,強度控制在 5&@67 以內。從有限元分析得底座變形為 #$ %&’’,強度為 ()*+,。從結果看出,底座的設計是符合要求的。
底座設計時還應注意,由于底座處在交變載荷的作用下,要求焊縫必須進行探傷以保證無缺陷。
墊板要求同一厚度的一組墊板保證等厚,厚度公差
控制在 #$ #%’’ 以內,其他零件對折彎成形影響較小,在此不再贅述。

三、折彎成形直邊與開口的關系

隨著電網改造的發展,現在越來越多的場合采用鋼板折彎成形的電力桿替代原來的水泥桿,電力桿主要有棱柱、棱錐、圓柱和圓錐 & 種結構形式。棱形工件成形較容易,而圓柱、圓錐形工件往往存在折彎后工件形狀有桃形。如何減小和消除桃形是制管行業的一大難題。在西氣東輸和大型制管廠采用折彎前先用專用的預彎機進行預彎,可將工件的直邊控制在一倍板厚,鋼管最后通過擴徑或精整校圓來消除桃形。電力桿對鋼管不圓度的要求較低,鋼管加工企業均希望能在折彎機上實現預彎的功能,由此可減小投資。研究開發具有這一功能的模具既滿足市場需求,又使我們在折彎機生產行業占據新的制高點。通過大量研究與實踐,主要有以下幾種方法可減小桃形。 &’ 斜面法
如圖 -. 所示,在模座另一側面加工成 / 形斜面,可在折彎工件時對鋼板進行預彎,減小直邊量。這種方法主要依據直邊量的要求來調整開口,并由此確定折彎力。
 
圖! -.
下面是直邊長度與折彎力的關系:
直邊長度為 - 倍板厚時:- 0 #$ #)1 2 !3 2 ";直邊長度為 -$ 1 倍板厚時:- 0 #$ #414 2 !3 2 ";
直邊長度為 % 倍板厚時:- 0 #$ #15% 2 !3 2 "。
式中! -———折彎力,6 " ’;
! !3———材料抗拉強度,*+,;
! "———鋼板厚度,’’。在這種方法中,斜面角度的大小是非常重要的參數,不同的斜面角度所加工的鋼管的管徑也不同。根據實踐斜面角度與最小管徑的關系如下:
斜面角度取 -)7、%(7、..7、&&7 時,可加工鋼管的最小管徑分別為 #&##’’、#%%#’’、#--#’’ 和
#41’’。
除了斜面角度的因素外,預彎還與上模的結構有關,在設計時應予以考慮。不在上述范圍內的鋼管,可通過調整下模開口的大小來預彎。
"’ 圓模法
在下模槽內裝入專用的帶圓弧的模頭,移動模具使其中心偏離機床中心,上模也采用相應的圓弧,對鋼板進行預彎,可達到相同的效果。我們為某用戶配套了此種模具,該用戶加工工件為厚度 4#’’ 的不銹鋼鋼管,需在折彎機上進行預彎,折彎機公稱力為 .###6,模具結構如圖 -& 所示。
 
圖! -&
-$ 出料機構! %$ 主油缸! .$ 模具! &$ 托料裝置
1$ 串聯油缸! 4$ 前后位移檢測裝置
模具工作時先對鋼板進行預彎,再由托起裝置將鋼板托起,送料機構將鋼板按預先編好的程序送入下模,折彎機進行折彎工作,折彎完成后由出料機構將工件拉出下模,完成一次工件的折彎加工。
預彎時將下模槽內的墊板按要求取出,將預彎模具(見圖 -1)裝入下模槽內,按照預彎所要求的參數,主油缸提供動力,整套下模前
后運動至要求的位置。其預彎原理 圖! -1
與專用預彎機相同,但折彎機上模無法承受與預彎機相同的側向力,因此所預彎的能力受到限制,通常取折彎機公稱壓力的 4.$ 18 進行預彎。
?
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