施于慶

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023)

高盒形件拉深計(jì)算及坯料展開方法

施于慶

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,杭州 310023)

由于高盒形件不能一次拉深成形,其初始坯料尺寸、中間工序尺寸比較難確定,這給成形模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來困難。對(duì)此,提出一種高盒形件拉深計(jì)算及坯料展開方法,將高盒形件4個(gè)圓角拼接成設(shè)想的杯形件,用杯形件拉深系數(shù)算法來確定高盒形件拉深次數(shù)及模具結(jié)構(gòu),從而提高了模具的設(shè)計(jì)精度和效率,并通過算例說明了該方法的有效性。

高盒形件;拉深計(jì)算;坯料展開;模具;應(yīng)力分布

1 盒形件拉深時(shí)的應(yīng)力分布

圖1 盒形件拉深時(shí)的應(yīng)力分布Fig.1 Stress distribution of box-shaped parts in deep drawing

圖1是盒形件拉深時(shí)的應(yīng)力分布。拉深時(shí),盒形件圓角處的坯料往長(zhǎng)或短直邊的地方移動(dòng),從而使圓角處拉應(yīng)力σ1與壓應(yīng)力σ3產(chǎn)生了不均勻分布。圓角部位的中位線處σ3和σ1是最大的,在盒形件整個(gè)拉深時(shí)達(dá)到σ1max和σ3max;直邊的中位線上的σ1和σ3最小,在盒形件整個(gè)拉深時(shí)為σ1min和σ3min。如此,盒形件拉深時(shí)總是在圓角處發(fā)生堆積破裂。但如果把盒形件4個(gè)圓角假想成一個(gè)杯形件,與該杯形件拉深相比,圓角處平均的σ1和σ3比相應(yīng)的杯件要小一些,因?yàn)楹行渭顣r(shí),直邊部位和圓角部位是相互聯(lián)系在一起的整體,根據(jù)最小阻力定律,板料拉深時(shí),材料會(huì)向阻力最小的方向移動(dòng)。所以,直邊材料往凹模模腔中移動(dòng)的阻力較小,圓角部分有一部分材料跟隨著被拉到直邊去,這樣,圓角部分的壓應(yīng)力減小,使得圓角處克服壓應(yīng)力的拉應(yīng)力減小。由于圓角處一部分材料往直邊移動(dòng)過去,在圓角處剩下的參與拉深的材料就減少了,即在圓角處拉深到凹模模腔中變成杯形件(此處為1/4杯形件)的直壁的材料就相應(yīng)減少,故受到的拉應(yīng)力減小,這樣就提高了杯形件底部圓角上方處板料的承載能力。與把拉深假想成一個(gè)杯形件相比,拉深盒形件在圓角處就不容易發(fā)生破裂。無論是高或低盒形件,與設(shè)想其4個(gè)圓角拼接成杯形件相比,都是拉深成杯形件要復(fù)雜一些，出現(xiàn)破裂的可能性更大。因此,設(shè)想的杯形件能夠1次拉深成形,則盒形件也一定能夠1次拉深成形。盒形件能夠1次拉深成形,則一定能滿足低盒形件要求,就可按圖解法得到坯料形狀與尺寸。

圖2 盒形件Fig.2 Box-shaped parts

2 高盒形件拉深計(jì)算及坯料展開

設(shè)圖2所示的盒形件為高盒形件，將其4個(gè)圓角設(shè)想為杯形件。杯形件的拉深系數(shù)計(jì)算式:

(1)

式(1)中:m為杯形件拉深系數(shù);d為拉深后工件或半成品的直徑;D0為拉深前坯料或半成品的直徑。若m>m1min,則杯形件能1次拉深成功,m1min是被拉深板料的首次允許的極限拉深系數(shù)。若m=m1min,則杯形件拉深情況處于臨界狀態(tài),即出現(xiàn)廢品或拉深成功的可能性都有。若m

計(jì)算出圓板坯料直徑，設(shè)為D0(圖3)，將能首次拉成功的杯形件的直徑設(shè)為d1,d1=D0×m1min,設(shè)盒形件4個(gè)角點(diǎn)的圓角半徑為R1(圖4),R1=d1/2。根據(jù)R1,相對(duì)應(yīng)地就可求得首次可拉深成的盒形件長(zhǎng)、寬、高分別為l1、b1、h1。

圖3 假想的杯形件尺寸Fig.3 Dimension of the imagined cup-shaped parts

圖4 盒形件形狀對(duì)比Fig.4 Comparison of box-shaped parts in shape

由圖4可得:l1=l+2(R1-R);b1=b+2(R1-R)。h1可由式(2)求得,根據(jù)拉深前后體積不變或表面積基本不變條件,有:

S=S1+S2=S1+(h1-t-r)×L1,

(2)

圖5 首次能拉深盒形件各形狀的面積Fig.5 Area of each shape for the box-shaped parts in first deep drawing

式(2)中:S為高盒形件表面積;S1為首次能拉深的盒形件底部表面積,見圖5;S2為首次能拉深的盒形件高度部分表面積;t為料厚;r為盒形件直壁圓角半徑,設(shè)每次拉深的r都相同;L1為首次能拉深的盒形件輪廓周長(zhǎng),L1=2(l1+b1)-8(t+R1)+πd1,則

(3)

用計(jì)算出的l1、b1、h1、R1、r來判斷計(jì)算能否滿足低盒形件要求。如果能1次拉深,則按圖解法求出該盒形件坯料尺寸和形狀。反之亦然,即用圖解法得到的坯料形狀和尺寸首次能拉深成尺寸為l1,b1,h1,R1,r的盒形件。以后各次拉深的盒形件4個(gè)角點(diǎn)的圓角半徑仍可按杯形件直徑計(jì)算得到,如此反復(fù),直到R≥Rn,hn≥h,Rn為盒形件的4個(gè)角點(diǎn)的最小圓角半徑,hn為盒形件最大拉深高度。

3 算 例

如果要完成盒形件拉深,則d2=0.75×71=53.25 mm,R1=26.6 mm;又由于R1=26.6 mm<30 mm,所以第1副模具拉深后的半成品件可在第2副模具中直接拉深成所要求的尺寸和形狀的盒形件。表1是高盒形件計(jì)算前后的情況對(duì)比,可比較清楚地反映該方法的實(shí)用性。

表1 高盒形件計(jì)算前后的情況對(duì)比Table 1 Comparison of high box-shaped parts before and after calculation

4 結(jié) 語

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算法一般比較難確定高盒形件的原始坯料和中間工序形狀及尺寸,給模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。將盒形件4個(gè)角點(diǎn)拼接設(shè)想成杯形件,按照杯形件拉深系數(shù)的計(jì)算方法,求出盒形件首次可拉深的形狀和尺寸,根據(jù)圖解法反求得到原始坯料展開尺寸和形狀,使高盒形件還原成低盒形件,計(jì)算方便,模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,從而提高了設(shè)計(jì)精度和效率。

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Calculation of deep drawing in high box-shaped parts and blank unfolding method

SHI Yuqing
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

The fact that the deep drawing process of high box-shaped parts can not be done all at a time poses challenges to structure design of the forming die for it is hard to determine the initial blank size and the intermediate process dimension. Accordingly, the article presents a method of deep drawing calculation and blank unfolding method, which joints four rounded corners of the high box-shaped parts to create an imagined cup. The deep drawing times and die structure can be figured out with the calculation method of deep drawing coefficient of the cup, which has improved design accuracy and efficiency of dies, and proved validity of the method through calculation examples.

high box-shaped parts; deep drawing calculation; blank unfolding; dies; stress distribution

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.01.002

2017-01-12

施于慶(1959— ),男,浙江省杭州人,教授,碩士,主要從事板料成形研究。E-mail:syu163@163.com。

TG386.32

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1671-8798(2017)01-0007-04