自力型觸指是高壓開關最核心的部件。高壓開關的接通和斷開要依靠觸頭/觸指來實現，關鍵部件的壽命決定高壓開關的壽命，進而決定著高壓輸變電網的安全運行。W形截面自力型觸指是一種厚板沖壓成形零件，零件結構復雜，具有兩側彎曲、中部壓筋、尾端沖孔及端部壓彎特征。成形模具相對復雜，在保證觸指各成形部位精度的前提下，減少成形工序，降低模具費用，提高生產效率是此類零件的關鍵成形技術。本文在對W形截面自力型觸指成形工藝分析的基礎上確立了合理的工藝方案，通過有限元數值模擬對主要成形工序進行分析，設計模具工裝并成形合格零件。
1 W形截面自力型觸指成形工藝分析
圖1為W形截面自力型觸指示意圖。零件屬細長件，寬度為16.8mm，料厚3.18mm，從橫截面上B-B可以看出橫向截面有兩個彎曲，中間壓筋，并且彎曲半徑較小，相對厚度較大，板料在彎曲、壓筋時會伴隨局部材料劇烈流動，容易引起開裂；R20mm的壓彎成形由于彎曲半徑較大，成形相對容易。
圖1 W形截面自力型觸指
根據零件外形結構特點，可確定以下幾種成形工藝方案：方案1：彎曲、壓筋復合+壓彎+沖孔：方案2：彎曲、壓筋、沖孔復合+壓彎；方案3：彎曲、壓筋復合+壓彎、沖孔復合；方案4：彎曲+壓筋+壓彎+沖孔復合。
從成形零件角度考慮，以上四種方案均可行，方案4為單工序模具，生產效率低，雖然模具結構簡單，但需要四套模具，模具費用高；方案1與方案4相比，少了1道工序，但與方案2、3相比，成形工序仍然較多，生產效率低；方案2中，彎曲、壓筋、沖孔在一套模具上復合成形所需成形壓力較大，對設備要求較高，不利于中小型企業生產；而方案3采用彎曲、壓筋復合，壓彎、沖孔復合兩套模具，不但生產效率顯著提高，而且可實現小型設備加工，適于中小企業產業化生產。
綜合以上分析，W形截面自力型觸指零件的成形工藝為彎曲、壓筋復合+壓彎、沖孔復合，此方案中彎曲、壓筋復合成形時W形截面區域金屬發生劇烈變形，易在劇烈變形區發生破壞；同時，由于坯料變形，制件厚度變薄，造成制件某些區域未與模具充分接觸，制件精度較差，嚴重時影響成品自力型觸指的使用性能。為了進一步確定成形參數及成形設備，采用Deform-3D軟件對彎曲壓筋復合成形工序進行數值模擬分析。壓彎、沖孔復合成形時，彎曲變形金屬變形相對平緩，而沖孔屬于局部沖裁，該工序研究的重點是復合成形如何實現，即如何設計壓彎、沖孔復合成形模具。
2 彎曲、壓筋成形有限元數值分析
2.1 創建幾何模型
在SolidWorks軟件中創建自力型觸指彎曲、壓筋復合成形模具和制件坯料模型，完成裝配，保存成“.STL”格式文件，導入到Deform-3D軟件。
2.2 網格劃分
W形截面自力型觸指截面形狀比較復雜，坯料相對變形較大，為使計算結果較好的與實際情況吻合，在計算時間許可下，使網格盡可能小。本模型設置坯料網格數為60000個。
2.3 材料參數設置
本文所研究的W形截面自力型觸指所用材料為Cu-Cr合金，由于Deform軟件材料數據庫不包含Cu-Cr合金，需導人合金性能參數。實際生產中自力型觸指選用的是經固溶+冷變形+時效后的Cu-Cr合金帶材加工而成，本文制備了相同處理條件后的拉伸試樣，在SHIMADZU(島津)AG-1250KN精密萬能試驗機上測試材料應力應變曲線，經過編輯導入到Deform軟件中。如圖2所示。
圖2 材料性能參數
自力型觸指W形截面部位變形較劇烈，容易形成破壞。為了研究自力型觸指成形時應力、應變及破壞情況，在自力型觸指上選擇5個點，進行點跟蹤分析。圖3所示為跟蹤點的位置。
圖3 跟蹤點位置
2.4 模擬結果分析
(1)應力、應變分析。圖4所示為自力型觸指成形過程中跟蹤點的應力變化曲線。從圖上可以看出，在成形過程中處于圓角部位的點P2、3和P4主要受到拉應力的作用，且P2受到的拉應力最大。P1部位在成形開始時就與模具接觸，在成形過程中一直受到上模的壓力作用，因此該點處的應力主要表現為壓應力，且在變形不同階段呈現出不規律的上下波動趨勢。P5部位在成形初始階段不與模具接觸，產生變形較小應力幾乎為0；在成形中期階段固定端平面發生彎曲變形，該點由于受到內力作用產生拉應力，在不同成形階段拉應力值呈現出上下波動趨勢。自力型觸指成形終了階段由于受到模具的壓力作用，P1、2、4和5均表現為壓應力狀態；而P3處應力值大于0，說明該處未與模具接觸，沒有受到模具的壓力作用。
圖4 跟蹤點的應力變化曲線
圖5所示為自力型觸指成形過程中跟蹤點的應變變化曲線。從圖中可以看出，各點應變均隨著變形程度的增加而不斷升高；在成形終了時，位于W截面部位的P1、2和P3的應變高于靠近固定端的P4和P5的應變，說明W截面部位的變形較為劇烈；同時處于W截面圓角部位的P2和P3的應變高于P1應變，說明W截面區域圓角部位是變形最劇烈的部位。
圖5 跟蹤點的應變變化曲線
(2)上、下模具與零件接觸情況分析。自力型觸指的接觸面是平面，觸頭的接觸面是圓柱面，觸指與觸頭之間的接觸是線接觸。當自力型觸指加工精度較低時，接觸平面就難以保證，原來的接觸平面就可能形成曲面，這時觸指與觸頭之間的接觸變為點接觸或不接觸（如圖6所示），嚴重影響自力型觸指的通流能力。因此，沖壓成形時，應保證自力型觸指具有較高的尺寸精度，以滿足其使用工況要求。
圖6 加工精度較低的自力型觸指與觸頭裝配示意圖
本文通過分析自力型觸指成形零件與模具的接觸情況，當零件與模具充分接觸時，就可以保證自力型觸指的接觸平面精度：當零件與模具接觸不充分時，就可能形成接觸曲面。圖7(a)為模具正、反面分別與上、下模具接觸情況。從圖可以看出，模具圓角半徑為2.32mm時W形截面區域的過渡圓角處，零件與模具未充分接觸，其他區域充分接觸。因此，需要對成形模具進行參數修正。圖7(b)為圓角半徑2.7mm時觸指零件與模具接觸情況。從圖可以看出，當圓角半徑為2.7mm時，零件正、反面均與模具充分接觸，零件尺寸精度得到保證。
圖7 零件與模具之間的接觸點分析
3 成形模具設計
根據自力型觸指成形工藝，需設計2套成形模具，即彎曲、壓筋復合模和壓彎、沖孔復合模。彎曲、壓筋復合模所需模具行程較短，模具采用板式結構，不設計卸料裝置，零件成形后，可使用手動工具將其取出。為了提高零件質量，設計了導柱導套。彎曲壓筋復合模模具結構如圖8所示。
圖8 彎曲壓筋復合模
壓彎、沖孔復合模采用正裝式設計，凸凹模在上模，彎曲凹模和沖孔凸模在下模。工作時上模下行，凸凹模與組合凹模進行壓彎，接近彎曲終了時，沖孔凸模與凸凹模內孔進行沖孔，沖孔廢料卡在凸凹模模孔內，卡在彎曲凹模中的零件由頂件裝置從凹模中頂出：卡在凸凹模中的沖孔廢料由推件裝置推出。每沖裁一次，沖孔廢料被推下一次。
凸凹模模孔內不積存廢料，脹力小，不易破裂。可以看出，正裝式復合模工作時，板料是在壓緊的狀態下分離，因此沖出的零件平直度較高。壓彎、沖孔復合模模具結構及制件如圖9所示。
圖9 彎曲沖孔復合模及制件
4 結論
本文對自力型觸指進行工藝分析及有限元數值模擬，重點模擬分析了零件在彎曲壓筋成形工序中坯料的應力應變特點，上下模與坯料的接觸情況，為改進模具結構，提高制件精度和提高模具壽命提供依據；設計了兩套成形模具，最終成形出合格制件。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://m.vmgcyvh.cn/
本文標題：W形截面自力型觸指成形模擬及模具設計
相關文章
