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折弯机开口可调模具的研究

文章出处:admin人气:发表时间:2018-11-22 13:22
传统的折弯机模具如图 # 所示,开口为 $ 形结构,常加工成 %&’、()’、*)’、+&’、,)’等不同角度的 $ 形槽,主要用于标准的角度折弯。由于此模具在四个表面开槽宽度及角度大小受方形截面的限制,最大开口一般为 #*)--。适用于中小吨位的折弯机,尤其对薄板进行压底折弯,精度较好,但是很难适应较厚钢板的加工。随着送变电、汽车、西气东输、海上石油钻探、钢结构、军工及造纸机械等行业的迅速发展,所加工的钢板厚度
在 ( . #))--,材料有 /%(&、/(0&、#*12、34、3+ 及不锈钢,工件的截面有方形、棱形、圆形等各种形状。因此研究开发开口可调、可靠方便、结构新颖的下模,对折弯机生产企业具有战略性的意义,不仅能满足市场的需要,又可为企业创造更多的经济效益及社会效益。
 

图! # 一、模具结构设计

开口可调下模也称槽形下模,其优点如下:
(#)下?诳梢缘髡,最小开口 #)--,最大开口 +))--,能满足各种厚度钢板的折弯。
(%)下模槽深不受限制,可根据要求放大至需要的任意值。
(()折弯工件的角度不受限制。
(0)模座热处理工艺性好,硬度较高,使用寿命长。
(&)换模不需要重新对中,操作方便。
(*)底座及垫板所用材料为 /%(&,制造容易。
(4)适用于各种形状的工件,特别适用于圆形截面工件的加工。
(+)更换斜垫板能加工各种锥度的钢管,可代替专用的圆锥模具。
(,)具有一定能力的预弯功能。
开口可调下模主要有两大类:一类为垫板可调式;另一类为模座可调式。共有三种结构型式:垫板可调式、模座手动可调式、模座自动可调式。
&’ 垫板可调式
垫板可调式模具见图 %,分别为最小开口和最大开口时的情况。
 
该结构底座为槽形结构,分铸件或焊接件两种。模座通常由模具钢或合金钢制造,热处理要求较高,主要采用整体淬火加上表面局部淬火处理,即保证模座的整体性能,又使模座具有较好的加工性能。垫板通常为 #$$ 一档,厚度从 %&$$ 起到需要的厚度,材料由 ’()# 制造。通过增加或减少垫板的数量便可调节下模的开口,开口调节精度通常为 &* &+$$,下?诳纱“&”调至需要的任意值。垫板根据使用要求可加工成不带斜度或各种不同的斜度,这样可组成一定锥度要求的开口,一种锥度配一套垫板,可方便加工各种锥度的棱锥形或圆锥形工件。紧固螺栓分榫头螺栓或通螺纹螺杆两种。托板由 ’()# 材料制造,起到托住从底座拿出的多余垫板的作用,并保护暴露在外面的螺纹不被破坏。
垫板可调式结构的下模通常用于角度折弯和各种零件形状复杂、产品规格多的各种场合,又可用于加工电力杆行业棱柱、棱锥、圆柱和圆锥等电力钢管和西气东输用的大直缝钢管。圆锥形工件主要由专用的圆锥模具加工,一种锥度需配一套模具,通用性差,用垫板可调式下模配相应锥度的垫板即可代替专用的五次成形下模,极大地降低了投资成本。缺点是由于底座内腔尺寸要求一致、垫板每一档需严格保证等厚度,模座在组装完后统一配磨,加工量大、周期长。
!& 模座手动可调式结构
模座手动可调式结构见图 ),分别为最小开口和最大开口时的情况。
 
该结构主要由底座、模座组成,中间通过紧固件联接。模座的材料及热处理要求与垫板可调式结构相同,底座由 ’()#—, 制造。此结构不用垫板,调节范围由 “&”至需要的任意值,开口调节精度通常为 &* %&$$。底座长度与机器长度相同,通常为 # - %.$,模座长度通常为 ($ 以上,要求配较大的热处理、加工设备。模具结构较复杂,加工要保证模座尺寸的一致性,难度大,调节为人工操作,效率较低。主要用于批量加工电力杆行业棱柱、棱锥等电力钢管和薄壁工件。
$& 模座自动可调式结构
模座自动可调式结构见图 .,分别为最小开口和最大开口时的情况。
 
此机构为全数控调节,开口调节精度通常为 &* (&$$,精度主要由模座与底座之间的牙齿的齿距精度保证。齿形类似梯形螺纹,要求加工精度高、通长一致性好。由于要承受很大侧向载荷,对牙齿材料硬度、强度要求高。
模座自动可调式下模工作时,先由导正对中系统将模座悬浮离开底座,使上下牙齿完全脱开,开口调节系统根据要求使左右模座运动至需要的位置,运动距离由安装在两侧的光栅尺进行检测,最后导正对中系统将模座落下,使上下牙齿咬合锁紧,整个过程在瞬间即可完成。
此套机构含机械、液压及电气部分,结构复杂,并且安装空间小,要求元器件的可靠性要好,制造成本高。但此结构效率高,劳动量小,适合于高投资、多品种且需频繁改变下?诖笮〉母髦殖『。是槽形下模水平最高的一种结构,也是开口可调节下模发展的方向。
三种方式比较而言,前两者投资成本低,设计周期短。但调节开口费时费力,在开口调节不频繁的场合采用最多。垫板可调式与模座手动可调式可用于多种工件的加工。模座自动可调式适于各种角度工件的成形,不适于小口径的锥形工件的加工。具体见附表。

二、主要零件的参数设计

开口可调下模由底座、模座等主要零件组成。板料折弯过程中底座变形主要是弹性变形,设计时要计算强度、刚度满足要求。模具的结构、参数及其精度是很重要的,它直接影响到折弯工件的好坏。对模座与底座零件的主要参数进行优化设计如下。
&’ 模座
模座结构主要有三种型式(见图 #)。
 
图! #
($)图 #% 为整体结构,使用的面主要有 - 圆弧面及 & 形单边斜面,模座材料主要用 ’()*+, 制造,硬度通常在 ’#-.) 左右。
(()图 #/ 为模座镶圆钢组成,模座可用 ’# 钢制造,圆钢用 ’()*+, 制造,淬火硬度可达到 01-.) 左右。
(2)图 #3 为模座镶?樽槌,模座可用 ’# 钢制造,?橛 ’()*+, 制造,淬火硬度可达到 01-.) 左右。?榭勺樽昂笈淠セ蚰ズ笞樽。
三种结构比较而言,第一种结构最简单,加工最容
易,但整体由 ’()*+, 材料制造,成本大,热处理较难;第二种结构中圆钢加工容易,底座加工难,对装配要求高;第三结构介于前两种之间,是经济性最高、加工较容易、维修成本最低的结构。
模座使用面主要是- 圆弧面,由于圆弧面通常为单一的圆角,并且圆角偏小,板材成形时是钢板逐渐滑入下模槽中,板材成形后在表面容易留下擦伤、压痕、凹陷等缺陷。这种缺陷既影响弯曲件的外观质量,也会降低产品强度,在!415的角度折弯时尤为明显。因此研究并改善圆弧面的形状是模具开发的重要内容,目前主要有以下几种方法:
第一,采用大圆弧面。原
先采用的圆弧为 -# 6 -788,在加工图 0 所示厚度 2188、角
度 415的工件时,在侧面全长方 图! 0
向上出现 $ 6 288 深的坑,拉伤严重。在加工炮弹筒工件,板厚 288,工件要求手摸不能有棱边及划痕,设计下模圆弧 -988,工件加工完后,有微观划痕,最后修下模圆弧至-$(88,并修上模圆弧,重新加工零件,不再有划痕。通过大量试验获得以下结果,将圆弧面加大至-$(88 以上,汽车大梁加工通常用整体成形的方法,圆弧面应加大至 -(188 以上,将会改善成形效果。另外,应降低圆弧面的粗糙度,改善圆弧面的磨擦系数。此种方法主要用于钢管成形,角度往往 : $(#5,属大角度成形,工件与模具接触部分在圆弧面的上半部分。
第二,采用双圆弧面(见图 7)。双圆弧面的过渡点 .应选在挤压力产生的磨擦力等于工件下行的拉力的交界处。该点的选择较难,往往需通过大量试验获得,-$ 与-( 的大小选取应当符合延缓切线长度变短的速率的关系。此种方法已见于 ;&< 等公司生产的模具中,是模座圆弧面结构的主流。
 
图! 7
第三,圆弧面采用 =*%>?*@A 曲线代替通常的单一圆弧面,=*%>?*@A 曲线的数学方程表达式为:
/ B $ C D@E0
1 B $ C FE[?G(0 " ()]H $ C 3,D0 其曲线如图 9 所示, =*%>?*@A 曲线与双圆弧面相比,也是延缓切线长度变短的速率,即减小了凹模对零件表面的磨擦、压痕、凹陷等缺陷的可能性,=*%>?*@A 曲线可通过成形砂轮或数控加工而成。
"’ 底座 图! 9
由于模座可调式结构中底座是平板结构,不需要复杂的强度及刚度计算,现只论述垫板可调式底座的设计要点。以往底座通常是铸件,造价较高。由于焊接工艺及检测水平的提高,现大多数情况底座采用焊接结构,实践证明这种结构是完全可行的。底座受力变形前后的形状如图 # 所示。
 
图! #
底座主要由侧板与底板组成,图中两侧的 -、. 面为焊接部位。底板中间部位鼓起的高度 /$ 对折弯成形的精度影响可以忽略,主要探讨侧板向外张口引起的变化。在强度允许范围内,侧板的张开量在长度方向上要求全长一致。底座中侧板与底板内侧的交点 - 点为危险点,其设计依据材料力学的相关理论,结构见图 %&,强度计算过程如下。
 
图! %&
(%)底座侧板 -0 截面受力:&% ’ 1 " ($()*2)
($)底座侧板 -0 截面中点所受弯矩:! ’ &% + ,
(-)底座侧板 -0 截面抗弯模量:3 ’ 4$./ + 4 " 0
(1) 底座侧板 -0 截面 - 点应力:!’ ! 5 3
(2) 强度需满足设计要求:!3 [!],底座材料
为 4$-2,[!]取 5& + %&0 67。
说明如下:
第一,- 点所受拉应力远大于压应力,因此压应力忽略不计。
第二,公式中 1 为公称折弯力;2 为 &% 与 1 的夹角;/ 为 -0 截面中点 6 到 &%方向的垂直距离;4./为 -0 线段的长度;4 为模具长度。
第三,严格来讲,2 应选择在图 %& 中 - 点时 &%与 1
的夹角,此时 &% 为最大,通常为简化计算,2 取 128。计算时应先做出模具简图,-0 截面作图应通过 - 点做出 &%的平行面,为简化计算,-0 线段长度取底座内外侧交点的距离。
要获得较好的折弯效果,底座应符合刚度要求。底座中侧板的顶点 7 点为挠度变形最大的部位,见图 %%,左右侧板 7 点相对变形的大小与图 # 中 3$ 与 3% 的差值相等。计算过程如下:
 
图! %%
&$ ’ &% + *9:2
/8/ 截面的惯性矩:9, ’ :- + ; " %$
7 点挠度:!; ’( 3$ < 3%)" $ ’ &$ + 4-.=(" -> 1 + < +
9,
式中,4.=是 -7 线段的长度;< 为材料的弹性模量;
4 为模具长度;: 为侧板宽度。
以上强度与刚度分析均为近似计算,现多采用有限元分析,结果更符合实际情况。下面通过对 %&&&? 以下常用的底座进行有限元计算进行分析,分析软件用 @=A 和 BC/.D 平台。模座受均布载荷 $&&? " E,侧板与底板厚度均取 5&EE。经过分析,底座变形与应力状况如图
%$ 所示。
 
图! %$
底座刚度要求是如图 # 中 3$ 与 3% 的差值控制在 &> -EE 以内,强度控制在 5&@67 以内。从有限元分析得底座变形为 #$ %&’’,强度为 ()*+,。从结果看出,底座的设计是符合要求的。
底座设计时还应注意,由于底座处在交变载荷的作用下,要求焊缝必须进行探伤以保证无缺陷。
垫板要求同一厚度的一组垫板保证等厚,厚度公差
控制在 #$ #%’’ 以内,其他零件对折弯成形影响较小,在此不再赘述。

三、折弯成形直边与开口的关系

随着电网改造的发展,现在越来越多的场合采用钢板折弯成形的电力杆替代原来的水泥杆,电力杆主要有棱柱、棱锥、圆柱和圆锥 & 种结构形式。棱形工件成形较容易,而圆柱、圆锥形工件往往存在折弯后工件形状有桃形。如何减小和消除桃形是制管行业的一大难题。在西气东输和大型制管厂采用折弯前先用专用的预弯机进行预弯,可将工件的直边控制在一倍板厚,钢管最后通过扩径或精整校圆来消除桃形。电力杆对钢管不圆度的要求较低,钢管加工企业均希望能在折弯机上实现预弯的功能,由此可减小投资。研究开发具有这一功能的模具既满足市场需求,又使我们在折弯机生产行业占据新的制高点。通过大量研究与实践,主要有以下几种方法可减小桃形。 &’ 斜面法
如图 -. 所示,在模座另一侧面加工成 / 形斜面,可在折弯工件时对钢板进行预弯,减小直边量。这种方法主要依据直边量的要求来调整开口,并由此确定折弯力。
 
图! -.
下面是直边长度与折弯力的关系:
直边长度为 - 倍板厚时:- 0 #$ #)1 2 !3 2 ";直边长度为 -$ 1 倍板厚时:- 0 #$ #414 2 !3 2 ";
直边长度为 % 倍板厚时:- 0 #$ #15% 2 !3 2 "。
式中! -———折弯力,6 " ’;
! !3———材料抗拉强度,*+,;
! "———钢板厚度,’’。在这种方法中,斜面角度的大小是非常重要的参数,不同的斜面角度所加工的钢管的管径也不同。根据实践斜面角度与最小管径的关系如下:
斜面角度取 -)7、%(7、..7、&&7 时,可加工钢管的最小管径分别为 #&##’’、#%%#’’、#--#’’ 和
#41’’。
除了斜面角度的因素外,预弯还与上模的结构有关,在设计时应予以考虑。不在上述范围内的钢管,可通过调整下?诘拇笮±丛ね。
"’ 圆模法
在下模槽内装入专用的带圆弧的模头,移动模具使其中心偏离机床中心,上模也采用相应的圆弧,对钢板进行预弯,可达到相同的效果。我们为某用户配套了此种模具,该用户加工工件为厚度 4#’’ 的不锈钢钢管,需在折弯机上进行预弯,折弯机公称力为 .###6,模具结构如图 -& 所示。
 
图! -&
-$ 出料机构! %$ 主油缸! .$ 模具! &$ 托料装置
1$ 串联油缸! 4$ 前后位移检测装置
模具工作时先对钢板进行预弯,再由托起装置将钢板托起,送料机构将钢板按预先编好的程序送入下模,折弯机进行折弯工作,折弯完成后由出料机构将工件拉出下模,完成一次工件的折弯加工。
预弯时将下模槽内的垫板按要求取出,将预弯模具(见图 -1)装入下模槽内,按照预弯所要求的参数,主油缸提供动力,整套下模前
后运动至要求的位置。其预弯原理 图! -1
与专用预弯机相同,但折弯机上模无法承受与预弯机相同的侧向力,因此所预弯的能力受到限制,通常取折弯机公称压力的 4.$ 18 进行预弯。
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