U型模具设计及相关参数试验探析

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U型模具设计及相关参数试验探析

摘要：以某三角筋板为研究对象，设计一套该产品的U型模具。采用有限元分析理论知识，在Workbench平台上对产品进行有限分析计算。首先，利用UG软件建立模具初始结构的力学模型并基于Workbench软件进行静力学分析，通过优化后的结果可知，模具承受的最大等效应力和最大变形均满足产品的加载试验要求。通过大量试验结果表明：当凸凹模间隙Z=1.12t时，三角筋板的压制成形效果最好，为后续模具的设计和参数的选择提供了宝贵的经验。

关键词：U型模具；有限元；回弹；成形

0引言

随着科技的飞速发展，产品结构轻量化设计成为当今一大主题。筋板在增强产品刚度、强度并且减少质量方面起到至关重要的作用，其中异形筋板压制成形的精度和质量更是直接影响整个产品的质量。目前，筋板压模多为采用U型结构的上模配合下模压制成形。对于U形弯曲件，必须选择适当的上下模间隙，间隙的大小对筋板质量和弯曲力有很大的影响。间隙越小，筋板承受的弯曲力就越大，间隙过小，不仅会使筋板两边壁厚减薄，而且会极大地降低凹模寿命。相反间隙过大，则筋板两边回弹大，压制成形后不符合设计要求。以某三角U形筋板为研究对象，设计出合适的U形模具结构，并且探索出合理的模具相关参数，力求提高筋板的一次压制成功率，即压制过程中筋板承受弯曲力小、壁厚不变并且回弹小。首先对U型模具进行参数确定；其次建立三维有限元模型，对其进行有限元分析；最后通过大量的试验确定模具间隙的最优数据，最终实现了U型模具的一次压制成形。

1U型模具设计

1.1凹模圆角半径

一般情况下，凹模圆角半径的大小对弯曲力和产品的成形质量均有影响。查询冲压手册[1]，凹模圆角半径通常根据产品的厚度进行选取。t≤2，rd=（3~6）t4≤t＜2，rd=（2~3）tt＞4，rd==2!####"####$t（1）产品厚度t=3，则圆角半径取rd=8。

1.2凹模深度

凹模深度需要适当。深度过小则产品两端的自由部分太长，弯曲后产品回弹较大，且两边不平直；深度过大则模具钢材消耗多，且要求较大行程的压机。对于U形弯曲件，尽可能使直边部分进入凹模型腔内。查手册中弯曲模工作零件的设计尺寸可知，当产品厚度t=3mm，产品弯曲直角边长度106mm时，可知凹模工作深度h″d=40mm。

1.3凸、凹模间隙

对于U形弯曲件，必须选择适当的间隙，间隙大小对产品质量和弯曲力有很大影响。间隙值与产品厚度、材料的机械性能、产品的弯曲回弹、质变长度等均有关系。压制有色金属时：Z=tmin+C压制黑色金属时：Z=tmax+C（3）式中：Z为凸、凹模单边间隙；tmax为产品材料最大厚度；tmin为产品材料最小厚度；C为系数。由于产品材料的最大厚度和最小厚度经常不易测得，经常使用经验公式：Z=（1.05~1.15）t（4）

1.4凸、凹模工作部分尺寸与公差

产品尺寸标注的不一样，决定了凸模和凹模的尺寸计算的不同。查询实用冲压模具设计手册[2]可知，当尺寸标注在产品的外部时：若产品为单向公差时,凹模尺寸Ad=（A-3/4△）+δd（5）若产品为双向公差A±△时,凹模尺寸Ad=（A-1/2△）+δd（6）凸模尺寸按照凹模尺寸配制，保证单边间隙值Z。当尺寸标注在产品内部时：若产品为单向公差A+△时,凸模尺寸Ap=（A+1/4△）-δp（7）若产品为双向公差时,凸模尺寸Ap=（A-1/2△）-δp（8）凹模尺寸按照凸模尺寸配制，保证单边间隙值Z。式中：Ad为凹模尺寸；Ap为凸模尺寸；为A产品公称尺寸；△为产品标注公差；δp为凸模制造公差；δd为凹模制造公差。1.5U型模具三维模型根据以上参数的选择与确定，建立如图1所示U型模具三维模型，模具主要由上模、下模、定位销和起吊螺栓组成。弯曲双角产品时，为了减小回弹角度，将凸模的侧壁作倾斜度。

2U型模具计算分析

2.1弯曲力的计算

为了验证U型模具的安全可靠性，对其关键件进行有限元分析，根据强度校核理论对其安全性进行计算分析。为了选择压模时所需用的压力机和模具的优化设计，必须计算压模时的弯曲力，弯曲力的大小与产品弯曲时的形状、机械性能及下模圆角半径等因素有关。对于一般形状的产品弯曲按下列公式计算：P=0.25δbtB10000（9）式中：P为弯曲力（t）；δb为抗拉强度极限（MPa）；B为弯曲线长度（mm）；t为材料的厚度（mm）；0.25为系数。

2.2上模有限元分析

上模采用Q345A材料，查机械设计手册[3]得：其弹性模量Ex=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度为7.8×10-6kg/mm3，屈服强度345MPa，抗拉强度为470~630MPa。首先将上模模型导入Workbench软件中进行网格划分[4]，以满足有限元分析要求。对上模上平面进行载荷加载，对上模底部垂直方向进行约束。经分析计算求得上模变形情况和等效应力分布情况分别如图2、图3所示。从图2和图3中可以看出，上模的整体最大变形出现在尖点集中处，最大变形量为0.1mm；等效应力最大处出现在筋板的尖点处，最大应力为182MPa。Q345板材的屈服强度为345MPa，安全系数为1.9，满足加载试验要求。

2.3下模有限元分析

以同样的方式对下模进行网格划分，下模的载荷加载共分2部分，第一，刚开始加载时主要的受力部位在下模的两个圆角半径处；第二，当加载到最底部时，主要的受力部分在下模的凹面最低处。下模的底面进行垂直方向限位约束。经分析计算求得下模变形情况和等效应力分布情况分别如图4和图5所示。从图4和图5中可以看出，下模的整体最大变形出现在圆角半径处，最大变形量为0.006mm；等效应力最大处出现在下模最低端的两条边线处，最大应力为43MPa。Q345板材的屈服强度为345MPa，安全系数为7.5，满足加载试验要求。

3试验

U型模具生产制造完成后需要进行试模、合模，待模具合适后方可用于三角筋板的压制成形。根据公式（4）可知，凸凹模间隙在一个尺寸范围内，本次通过大量试验对间隙参数进行试验对比，结果分别从压制成形效果和产品从凹模中取出的容易度进行综合对比。经过大量试验后结果显示，当凸凹模间隙Z=1.12t时，产品的压制成形后回弹小、成形效果最好，且产品从凹模中取出来后不会出现卡滞和划伤产品的情况。

4结论根据对

U型模具各个尺寸的理论计算和选择，建立了模具的三维实体模型。根据有限元理论，对U型模具进行网格划分、边界条件施加载荷和约束，对上模和下模进行有限元分析，根据强度校核理论进行校核，通过应力云图和等效应力结果可知，U型模具的设计符合加载试验要求。通过大量试验结果表明：当凸凹模间隙Z=1.12t时，产品的压制成形效果最好，为后续的模具设计提供了宝贵的经验。

参考文献：

[1]王孝培.冲压手册[M].北京：机械工业出版社,1988.

[2]郑可锽.实用冲压模具设计手册[M].北京：宇航出版社,1990.

[3]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社,1991.

[4]张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析：第三版[M].北京：机械工业出版社,2010.