高貴杰，雷君相

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

壓邊圈在板料拉深成形過程中起著關(guān)鍵性作用，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其已經(jīng)做了大量的研究。國外對(duì)壓邊圈的研究始于20世紀(jì)80年代，國內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域的研究相對(duì)較晚，始于20世紀(jì)90年代。

1 國內(nèi)外壓邊圈研究概況

1.1 國外研究概況

2005年，德國斯圖加特大學(xué)（University of Stuttgart）的金屬成形技術(shù)研究所（IFU）研制成功了彈性分區(qū)壓邊圈[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。此壓邊圈主體由多個(gè)圓錐體形的樹樁構(gòu)成，每一個(gè)圓錐體構(gòu)成一塊分區(qū)，每一塊的分區(qū)由單獨(dú)的液壓缸提供壓力，壓力的作用點(diǎn)在圓錐體的小端，一塊金屬板將大端連接在一起，小端由另一塊金屬板連接在一起，以增加強(qiáng)度，防止各圓錐體在受力時(shí)彎曲或者偏斜。研究者用Ansys軟件對(duì)此壓邊圈進(jìn)行了受力模擬分析，在與板材接觸的表面上可以獲得均勻分布的壓邊力，如圖1b所示。

圖1 分區(qū)彈性壓邊圈

從模擬分析結(jié)果可以很清楚地看出各個(gè)分區(qū)的壓力分布差別明顯，并且各個(gè)分區(qū)之間的相互影響很小，分界線明顯，很好地體現(xiàn)出了分區(qū)的效果。再者，此壓邊圈大大地減小了模具的質(zhì)量，筆者認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)具有很高的參考價(jià)值。

1.2 國內(nèi)研究概況

2005年，上海交通大學(xué)國家模具CAD工程研究中心開發(fā)出了雙層組合壓邊圈[2]，并用其進(jìn)行壓邊力的控制。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙層組合壓邊圈

其結(jié)構(gòu)主要包括上層、小頂柱、下層，上層是彈性材料，上層與板坯料的凸緣區(qū)接觸，下層與頂桿相連接，通過沉槽在上層與下層之間嵌入多個(gè)小頂柱，小頂柱之間具有很小的長(zhǎng)度差，一般為0.1mm，根據(jù)實(shí)際需要，在不同的區(qū)域嵌入不同數(shù)量和長(zhǎng)度的小頂柱。這種壓邊圈是應(yīng)用在傳統(tǒng)的壓力機(jī)上，工作原理：液壓缸通過頂桿提供定值壓力，因?yàn)樾№斨幸幌盗械拈L(zhǎng)度變化，所以小頂柱將力傳遞到上層時(shí)會(huì)使上層不同區(qū)域產(chǎn)生不同的彈性變形，從而使上層的不同區(qū)域產(chǎn)生不同的壓邊力，達(dá)到了分區(qū)壓邊的目的。2003年11月此壓邊圈在上海大眾公司的車門內(nèi)板生產(chǎn)線進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。此項(xiàng)技術(shù)的重大意義在于：完全無需改變傳統(tǒng)壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)，僅僅更換壓邊圈就可以方便地實(shí)現(xiàn)分區(qū)變壓邊力控制，大大地降低了生產(chǎn)成本[2]。

相對(duì)厚度一定的板材，在拉深成形過程中減小拉深系數(shù)對(duì)于拉深成形十分重要，根據(jù)JI.A.肖夫曼的計(jì)算，塑性最好的材料在理想狀態(tài)下最小極限拉深系數(shù)m=0.4，但是由于摩擦力和彎曲抗力的影響，實(shí)際的最小極限拉深系數(shù)只能達(dá)到0.48～0.5。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的有些情況來說，此拉深系數(shù)偏大，不能滿足拉深成形的要求，需要進(jìn)一步減小最小極限拉深系數(shù)。為此，福州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的陳功振研究出錐形壓邊圈[3]，其結(jié)構(gòu)及裝配結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖中1為凹模，2為錐形壓邊圈，3為沖頭。在其他拉深設(shè)備不變的情況下，僅僅將原壓邊圈更換成錐形壓邊圈就能減小最小極限拉深系數(shù)，以相對(duì)厚度為1.5的08號(hào)鋼板為例，其拉深系數(shù)可以達(dá)到0.22，這比理想狀態(tài)的最小極限拉深系數(shù)減小了54.16%。再者，陳功振還詳細(xì)研究論證了錐角大小對(duì)最小極限拉深系數(shù)的影響[3]。

圖3 錐形壓邊圈

2009年，浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院的江財(cái)明等研究人員，利用凸輪機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期規(guī)律的運(yùn)動(dòng)這一特點(diǎn)，成功研制出了一種機(jī)械式變壓邊力控制機(jī)構(gòu)[4]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其工作過程：壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模下行，當(dāng)凹模下端面接觸毛坯時(shí)，拉深開始。上模繼續(xù)下行時(shí)，毛坯被拉入凹模內(nèi)，由彈簧22產(chǎn)生的壓邊力經(jīng)壓邊圈16傳遞給毛坯；隨著上模下行，凸輪斜塊組合機(jī)構(gòu)中壓桿推動(dòng)凸輪繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，凸輪機(jī)構(gòu)處于升程階段，凸輪推動(dòng)球頭推力桿和下斜塊向內(nèi)側(cè)水平運(yùn)動(dòng)，則上斜塊會(huì)在下斜塊的作用下向上運(yùn)動(dòng)，凸輪推力桿達(dá)到最大升程位置時(shí)，彈簧壓縮量增加，壓邊力增至最大。凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)一定角度后，機(jī)構(gòu)進(jìn)入降程階段，彈簧的壓縮量減小，壓邊力逐漸減小，這樣就可以得到合理的變壓邊力，此狀態(tài)維持到整個(gè)拉深過程結(jié)束[4]。

圖4 機(jī)械式變壓邊力控制機(jī)構(gòu)

筆者認(rèn)為此壓邊圈的最大創(chuàng)新點(diǎn)在于其利用了機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變壓邊力的控制，相對(duì)于利用數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)變壓邊控制，大大降低了成本，而且結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)用性強(qiáng)。

2011年：隨著行業(yè)的發(fā)展，半球形沖壓件的需求量越來越大，并且要求其具有更大的深度，傳統(tǒng)的拉深工藝能成形的半球形零件的深度不大，其中關(guān)鍵的制約因素是凸緣變形區(qū)與壓邊圈之間的摩擦系數(shù)過大，如果能減小此摩擦系數(shù)則能很大程度上增加拉深深度，研究者已經(jīng)對(duì)此做了深入的研究，以美國標(biāo)準(zhǔn)材料庫中的s304不銹鋼為例，采用Dynaform軟件進(jìn)行了模擬分析，得到結(jié)果：摩擦系數(shù)分別為0.125、0.1、0.07、0.04、0.01、0.009、0.006、0.003 時(shí)，相應(yīng)的拉深深度為37.274mm、36.811mm、37.6875mm、50.2655mm、68.574mm、71.691mm、76.175mm、82.798 mm。很明顯，隨著摩擦系數(shù)的減小，拉深深度不斷增加。因此，應(yīng)該設(shè)法通過改進(jìn)壓邊圈來減小此摩擦系數(shù)。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院的高慧玲等合作研制出了滾珠壓邊圈裝置[5]，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦減小摩擦系數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖中，1為壓邊圈，2、5為軸承滾珠，3為保持架，4為毛坯，6為凹模溝槽。保持架的厚度為0.5mm，采用的軸承滾珠的直徑為0.6mm。由于此裝置與坯料接觸的部分為滾珠，因此對(duì)于較軟材料的拉深會(huì)出現(xiàn)壓痕，此不足之處還有待深入研究和改進(jìn)[5]。

圖5 滾珠壓邊圈

2 壓邊圈創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 尼龍圈組合式壓邊圈

2.1.1 尼龍圈組合式壓邊圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于矩形盒件的拉深成形來說，通常按照幾何特征將凸緣區(qū)分為兩個(gè)長(zhǎng)邊區(qū)、四個(gè)圓角區(qū)和兩個(gè)短邊區(qū)，研究已經(jīng)表明不同的區(qū)域需要不同的壓邊力，一般用八個(gè)液壓缸提供壓邊力。因此按照幾何特征壓邊圈相應(yīng)地設(shè)計(jì)為八塊，但是拉深成形效果一般。為此，研究者對(duì)矩盒形件拉深成形時(shí)的材料流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了更加深入的研究[6]，根據(jù)此研究，本文對(duì)長(zhǎng)邊區(qū)和圓角區(qū)的壓邊塊進(jìn)行了改進(jìn)，以200mm×100mm矩盒形件為例，如圖6a所示，改進(jìn)后壓邊圈裝配體如圖6b所示。

圖6 壓邊圈改進(jìn)

圓角區(qū)增加長(zhǎng)度=163.93-149.5=14.43（mm），取為14.5mm。長(zhǎng)邊縮短后長(zhǎng)度=139-2×14.5=110（mm）。再者，以80mm×50mm的矩盒形件拉深成形為例說明壓邊圈設(shè)計(jì)，將分區(qū)壓邊圈設(shè)計(jì)成放射狀，因?yàn)槎踢呡^短，所以將短邊區(qū)和圓角區(qū)合為一體，中心線偏移約5°，因此長(zhǎng)邊區(qū)扇形角度為70°，圓角區(qū)扇形角度為110°，如圖7所示。

在小型的液壓機(jī)上使用此壓邊圈一般用四個(gè)液壓缸提供壓邊力，但是四個(gè)液壓缸不可能做到完全同步，即在壓邊過程中四個(gè)壓邊塊的壓料面不能組成一個(gè)絕對(duì)的平面，在相鄰的兩個(gè)壓邊塊之間存在一定的高度差。因此，這樣拉深成形的零件表面上會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的劃痕，表面質(zhì)量不能滿足要求。

為此，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其原理是在分區(qū)壓邊圈的下面增加一個(gè)材料為尼龍66（PA66）的整體圈，使尼龍圈的連續(xù)表面與板坯料接觸，實(shí)現(xiàn)壓邊塊表面之間的圓滑過渡。尼龍圈的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

壓邊圈的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 尼龍圈

圖9 尼龍圈壓邊圈結(jié)構(gòu)

使用時(shí)利用材料的彈性特性將尼龍圈四個(gè)樁壓入四個(gè)壓邊塊的孔槽中，尼龍圈的四個(gè)樁可以在孔槽中上下移動(dòng)一定距離，能夠補(bǔ)償液壓缸在運(yùn)動(dòng)中的不同步誤差，若磨損過于嚴(yán)重，將其拆下更換新尼龍圈即可再次正常使用。

查閱《實(shí)用機(jī)械工程材料手冊(cè)》第四篇 機(jī)械工程用高分子材料及復(fù)合材料 國產(chǎn)PA66的性能特性[7]如表1所示。

表1 PA66性能特性

2.1.2 尼龍圈組合式壓邊圈結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

利用AnsysWorkbench14.5軟件中的Static Structure模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，分析時(shí)長(zhǎng)邊區(qū)施加載荷12MPa，圓角區(qū)為6MPa。

尼龍圈的表面應(yīng)力分布如圖10所示。

從分析結(jié)果可以看出，不同壓邊塊區(qū)域應(yīng)力分布明顯，邊界清晰，能很好地達(dá)到分區(qū)的目的。

2.2 液體靜壓支撐柔性分區(qū)壓邊圈

在論文《滾珠壓邊圈裝置在半球形拉深模中的應(yīng)用》中通過Dynaform軟件數(shù)值模擬證實(shí)：減小摩擦系數(shù)能提高半球形件的極限拉深深度。其結(jié)果如表2所示。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

壓邊圈都是用固體材料制造，壓邊時(shí)板坯料面上的摩擦形式大部分為為固體之間的干摩擦和邊界摩擦，盡管通過潤滑措施可以在一定程度上減小摩擦系數(shù)，但是也不能達(dá)到很小。為此，本文提出用液體靜壓原理在壓邊塊和板坯之間形成高壓油膜進(jìn)行分區(qū)壓邊的方法，通過控制各個(gè)壓邊塊的液壓油流量可以相應(yīng)地改變液壓力，實(shí)現(xiàn)變壓邊力控制。

同時(shí)，如此進(jìn)行壓邊在壓邊塊和板坯料之間是純液體滑動(dòng)摩擦，拉深成形件表面完全沒有劃痕，表面質(zhì)量極高。

根據(jù)以上研究結(jié)果可以預(yù)測(cè)矩盒形件拉深成型也具有類似的規(guī)律，以下以80mm×50mm矩盒形件分區(qū)壓邊圈為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 液體靜壓支撐柔性分區(qū)壓邊圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在整體鋼塊上開四個(gè)油腔，每個(gè)油腔有一個(gè)進(jìn)油孔，其結(jié)構(gòu)如圖11a所示。將兩個(gè)整體鋼塊上下對(duì)稱裝配在一起，兩塊之間放置板坯料，工作開始時(shí)保持板坯料與鋼塊之間的距離為1mm，裝配結(jié)構(gòu)如圖11b所示，兩鋼塊的材料均為45鋼。

圖11 液體靜壓支撐壓邊圈

2.2.2 液體靜壓支撐柔性分區(qū)壓邊圈雙向流固耦合分析

為了研究液壓油膜在板坯料上產(chǎn)生的應(yīng)力，利用CFX+Ansys對(duì)此壓邊圈進(jìn)行雙向流固耦合分析，為了簡(jiǎn)化分析，僅僅分析裝配結(jié)構(gòu)模型的一半，按照板坯料與壓邊圈相對(duì)靜止進(jìn)行耦合分析，建立的流體計(jì)算域模型如圖12a所示，用12b中模型代表板坯料凸緣區(qū)。

分析時(shí)選用殼牌得力士32#抗磨液壓油[8]，其性能參數(shù)如表3所示。將長(zhǎng)邊區(qū)和圓角區(qū)的入口速度分別設(shè)為35m/s、30m/s，分析結(jié)果如圖13a、b所示。

從分析結(jié)果可以看出，凸緣區(qū)相鄰區(qū)域之間應(yīng)力分界線明顯，各區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布均勻，很好地達(dá)到了分區(qū)壓邊的目的。

圖12 計(jì)算模型

圖13 分析結(jié)果

表3 32#抗磨液壓油性能參數(shù)

再者，如果各油腔分別與液壓伺服閥相連，用PLC或工控機(jī)實(shí)時(shí)控制液壓伺服閥來改變液壓油流量，就可以方便地實(shí)現(xiàn)分區(qū)變壓邊控制，此方面有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）本文詳細(xì)總結(jié)了近年來壓邊圈的發(fā)展概況，旨在幫助后來研究者查閱技術(shù)資料，進(jìn)行更好的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（2）提出兩種新型壓邊圈設(shè)計(jì)方案，并借助Ansys Workbench14.5軟件對(duì)其進(jìn)行了模擬分析，確保方案的可行性。

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