CN104200008A - ┛┗型五金件拉深结构在等厚冲锻加工后形变的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种型五金件拉深结构在等厚冲锻加工后形变的计算方法，属于冲压加工领域，所述型五金件两直臂的拉深结构采用曲线全部为圆弧且相切过渡的流线型结构，所述两直臂在单次等厚冲锻加工后的间距为d为该五金件两直臂的间距，T为板材的厚度,R1为内顶圆的半径,R2为内切圆的半径,H为流线型拉深结构的垂直高度，β为圆心线与顶圆中心线的夹角，将上述公式建立三维模型，导入Deform3D进行等厚冲锻的数值模拟，不断调整流线型拉深模型中的H、R1及R2参数，直到无工艺缺陷为止。

Description

┛┗型五金件拉深结构在等厚冲锻加工后形变的计算方法

技术领域

本发明涉及一种型五金件拉深结构在等厚冲锻加工后形变的计算方法，属于冲压加工领域。

背景技术

电子产品中，有一类具有型局部结构的磁力支架五金件，典型特征为：五金件的型局部结构包括两根竖直直臂，二者高度总和大于两者间距。该支架用于安装永磁铁，为了保证磁力线分布均匀，必须保证磁力支架各处厚度均匀一致，因此两根直臂厚度同五金件其他部位厚度相等。粗略一看，此产品貌似普通的冲压件，如用金属板材冲压而成，比较容易保证磁力支架各处厚度均匀一致；但仔细观察发现中间两弯曲直壁的高度较大，展平后部分区域重叠，因此普通冲压工艺无法加工成形此类特殊磁力支架，一般的解决方法采用焊接，将磁力支架五金件一分为二分别加工，最后焊接起来。

由于磁力支架零件在体积小型化、重量轻量化、节省组装及成本等要求下，需要将原本焊接的磁力支架五金件整体冲锻成型。近年来出现的磁力支架步进式等厚冲锻工艺，成功制造出带有型局部结构的板材零件，此工艺如下：首先将两直臂间距扩大到18mm，使得带有型局部结构的板材零件能够展平，且通过冲裁工序容易得到成形件的毛坯，弯曲两直臂到图纸要求的尺寸，制造出两直臂间距大于目标值的板材零件，再分几个工步拉深连接载体来逐步缩短弯曲间距直到目标值为止，每个工步固定缩短后的两直臂间距运用等厚冷锻工艺，将拉深的连接载体等厚冷锻到原坯料厚度，其工艺流程示意图如图1所示。

在用上述步进式等厚冲锻工艺加工型结构五金件时，前提是必须保证加工出来的五金件无破裂、起皱及材料重叠等工艺缺陷。连接载体的拉深结构非常重要，如选择不当将会直接破裂、起皱及材料重叠等工艺缺陷。因而在模具设计时，往往花费很长时间做大量试验，才能得到型五金件准确的拉深结构。由于五金件型号、尺寸的不同，在加工一个新型号的五金件时，原有拉深结构已不准确，也没有手段确定加工该五金件准确的拉深结构，需要重复进行上述试验，因而造成了资源、人力的浪费，而且延误产品工期，因此需要一种可以精确计算出加工所述五金件拉深结构的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种型五金件拉深结构在等厚冲锻加工后形变的计算方法，该方法可以算出型五金件两直臂在单次等厚冲锻加工后的间距，从而解决了现有技术无法迅速确定加工该五金件的拉深结构的问题。

本发明所采用的技术方案是：型五金件拉深结构在等厚冲锻加工后形变的计算方法，包括以下步骤：

所述型五金件两直臂的拉深结构采用曲线全部为圆弧且相切过渡的流线型结构，所述两直臂在单次等厚冲锻加工后的间距为

$d=2(R_1+R_2+T)\sqrt{1-{\left(\frac{R_1+R_2+2T-H}{R_1+R_2+T}\right)}^2}-4T,$

式中：d为该五金件两直臂的间距，

T为板材的厚度,

R1为内顶圆的半径,

R2为内切圆的半径,

H为流线型拉深结构的垂直高度，

β为圆心线与顶圆中心线的夹角，

用上述公式建立三维模型，导入Deform3D进行等厚冲锻的数值模拟，不断调整流线型拉深模型中的H、R1及R2参数，直到无工艺缺陷为止。

发明原理：对常见的板材拉深结构进行综合分析，最终得到如图2、图4、图6分别所示的相同高度的U型、V型及流线型三种拉深结构，其它可以为它们的组合。

为了验证三种基本拉深结构锻压成形效果，制造冲锻模具选择上述三种拉深结构进行等厚冲锻实验，实验结果如图3、图5、图7。

图3为圆弧过渡的U型拉深结构(如图2所示)经过等厚冲锻的实验结果，从图中发现明显的材料重叠及断裂工艺缺陷，主要原因为类似U型拉深的两边的材料流动方向与锻压方向垂直，材料全部流向板材水平方向，在底部形成堆积，此时流动阻力不断增大，而锻压时间很短，堆积在一起的材料因为较大阻力来不及转移，造成材料重叠及断裂的工艺缺陷。

图5为图4中的连接载体V型拉深结构的等厚冲锻的实验结果，相对于图3的断裂工艺缺陷得到改善，但重叠缺陷或波浪状依然存在。由于图2的V型形状中间有两边各有一段长为L的直线过渡，增大了材料流动阻力，延误了材料流向拉深底部的时间，当凸模下行到下死点时，到达拉深底部的材料来不及转移，造成重叠或波浪状缺陷。

图7对应图6的流线型拉深等厚冲锻的实验结果，图7中没有发现工艺缺陷，原因为图6的拉深结构全部为圆弧相切过渡。由流体力学理论可知，流体相对物体运动时，一般在物体的转折处产生漩涡运动，原因是流体不能转折，该部分流体不参加主要方向的流动，却被其它流体带动而产生漩涡运动。如将模具设计成没有突然转折点的流线型时，则可以减小流体的漩涡区域，减小金属向前流动时所损耗的能量，从而减少流动的阻力。

通过上面的实验分析，容易获知：板材所有曲线由圆弧构成且相切过渡的图6的拉深结构，比较有利于防止板料拉深后再等厚冲锻所产生的材料重叠、断裂及波浪状等工艺缺陷。因为形状类似流线型，所以在这里将这种拉深结构定义为流线型拉深结构。

流线型拉深的数学模型示意图如图8、9所示，O1、O2分别为内顶圆R1和内切圆R2的圆心，直臂外边缘到工艺缺口半圆切点A1、A2的距离为板材厚度T。当内切圆R2取最大值时，它与板材上表面的切线通过工艺缺口的半圆切点A2，即A1、A2点与O2点3点共线。由图8、9可知：

$\left\{\begin{array}{c}d+4T=2(R_1+R_2+T)\sin \mathrm{\β}\\ H=R_1+T-(R_1+R_2+T)\cos \mathrm{\β}+R_2+T\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中d为两直臂的间距,

T为板材的厚度,

R1为内顶圆的半径,

R2为内切圆的半径,

H为流线型拉深结构的垂直高度，

β为圆心线与顶圆中心线的夹角。

由式(1)可得：

$d=2(R_1+R_2+T)\sqrt{1-{\left(\frac{R_1+R_2+2T-H}{R_1+R_2+T}\right)}^2}-4T---\left(2\right)$

流线型拉深的数值模拟和实验验证：

板材的等厚冲锻属于体积变形，弹性变形很小，可忽略，所以可采用刚塑性模型进行有限元计算。摩擦类型采用剪切摩擦类型，除坯料外模具均采用刚体，坯料采用厚T＝1mm的冷轧板。基于流线型拉深的数学模型建立三维模型，将此模型导入Deform3D进行等厚冲锻的数值模拟，不断调整流线型拉深模型中的H、R1及R2参数，直到无工艺缺陷为止。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1为步进式等厚冲锻成形工艺流程示意图，

图2为U型拉深结构示意图，

图3为U型拉深结构在等厚冲锻成形后的效果图，

图4为V型拉深结构示意图，

图5为V型拉深结构在等厚冲锻成形后的效果图，

图6为流线型拉深结构示意图，

图7为流线型拉深结构在等厚冲锻成形后的效果图，

图8为流线型拉深结构数学模型的俯视图，

图9为流线型拉深结构数学模型的剖视图，

图10a-c为用流线型拉深结构数学模型模拟出的成品效果图，图10a是第一次等厚冲锻成形后的效果模拟图，图10b是第二次等厚冲锻成形后的效果模拟图，图10c是第三次等厚冲锻成形后的效果模拟图，

图11a-c为等厚冲锻成品实际效果图，图11a是第一次等厚冲锻成形后的成品实际效果图，图11b是第二次等厚冲锻成形后的成品实际效果图，图11c是第三次等厚冲锻成形后的成品实际效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

流线型拉深的数学模型

型五金件拉深结构在等厚冲锻加工后形变的计算方法，包括以下步骤：

所述型五金件两直臂的拉深结构采用曲线全部为圆弧且相切过渡的流线型结构，所述两直臂在单次等厚冲锻加工后的间距为

$d=2(R_1+R_2+T)\sqrt{1-{\left(\frac{R_1+R_2+2T-H}{R_1+R_2+T}\right)}^2}-4T,$

式中：d为该五金件两直臂的间距，

T为板材的厚度,

R1为内顶圆的半径,

R2为内切圆的半径,

H为流线型拉深结构的垂直高度，

β为圆心线与顶圆中心线的夹角。

板材的等厚冲锻属于体积变形，弹性变形很小，可忽略，所以可采用刚塑性模型进行有限元计算。摩擦类型采用剪切摩擦类型，除坯料外模具均采用刚体，坯料采用厚T＝1mm的冷轧板。

基于流线型拉深的数学模型建立三维模型，将此模型导入Deform3D进行等厚冲锻的数值模拟，不断调整流线型拉深模型中的H、R1及R2参数，直到无工艺缺陷为止。

等厚冲锻工艺的数值模拟结果如图10a-c所示：经过三次流线型拉深，两直臂间距缩短到目标值10mm，通过模拟计算第1、2、3次等厚冲锻模拟的两直臂间距分别为14.29、11.98、10.02mm。

实施例：按照数值模拟的工艺参数，制造实验模具进行实验验证，为正确设计该磁力支架多工位级进模提供依据。等厚冲锻实验样品如图11a-c所示，从图中可以看出产品外观质量较好，无工艺缺陷，同数值模拟结果非常吻合。测量第1、2、3次等厚冲锻实验样品的两直臂间距分别为14.49、12.10、10.07mm，同等厚冲锻数值模拟的理论值相比较分别大0.20、0.12、0.05mm，这是由于第一次流线型拉深高度较大，拉深处材料变薄，造成实验值大于理论值。随着第2、3次流线型拉深的高度降低，材料减薄非常小，其理论值与实验值就非常接近。

总结以上研究结果，如要在一套连续模中制造出磁力支架，在保证等厚冲锻工艺无重叠、断裂及波浪状等工艺缺陷的前提下，磁力支架的排样图需要三步流线型拉深工步及三步等厚冲锻工步，才能将两直壁间距从18mm逐步缩短到10mm。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.型五金件拉深结构在等厚冲锻加工后形变的计算方法，其特征在于包括以下步骤：

所述型五金件两直臂的拉深结构采用曲线全部为圆弧且相切过渡的流线型结构，所述两直臂在单次等厚冲锻加工后的间距为

$d=2(R_1+R_2+T)\sqrt{1-{\left(\frac{R_1+R_2+2T-H}{R_1+R_2+T}\right)}^2}-4T,$

式中：d为该五金件两直臂的间距，

T为板材的厚度,

R1为内顶圆的半径,

R2为内切圆的半径,

H为流线型拉深结构的垂直高度，

β为圆心线与顶圆中心线的夹角；

用上述公式建立三维模型，导入Deform3D进行等厚冲锻的数值模拟，不断调整流线型拉深模型中的H、R1及R2参数，直到无工艺缺陷为止。