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1、模 具CAD/CAM特 刊模 具CAD/CAM特 刊 【摘要】 利用TopSolid的progress模块，计算出冲裁弯曲级进模带料冲压力与压力中心，并对 “自由工位”进行互换，寻找出压力中心偏移较小的排样设计方案。 然后，通过有限元数值模 拟求解出回弹角，补偿其回弹并自动更新弯曲凸凹模。 关键词：TopSolid；压力中心优化；回弹补偿；级进模CAD The Cptimize of Pressure Center and Spring Back Compensation for Punching and Bending Progressive die Based on TopSolid 【A
2、bstract】Based on the TopSolid progress module, the pressing force and pressure center of the shearing -cut and bending progressive die is calculated. The strip layout schedule is optimized by exchanging the free step and finding out the minimum center offset. Furthermore, the refined bending punch i
3、s obtained by using the FEA method to calculate the compensated spring back angle. Key words:TopSolid；optimize of pressure center；spring back compensation；progressive die CAD 3 3 *江苏大学第七届科研课题立项项目（07A184） 1引言 设计级进模时，应力求模具压力中心和压力机滑 块中心尽量保持一致，否则会产生偏心载荷使模具歪 斜，间隙不均，从而加剧压力机和模具导向部分及凸、 凹模刃口的磨损，产品边缘区域也会出现毛刺，
4、即在 冲压工艺中存在转矩，完成冲压工艺一定次数的循环 后，工件表面会有微小的倾斜。 在排样设计中，传统的“手工计算”压力中心的方 法已不能适应工业产品的及时更新换代和高效率的 要求，因此,采用CAD技术提高模具设计效率、缩短 设计周期是必然趋势1。 TopSolid是法国Missler公司开发的新一代的完 全集成的CAD/CAM/CAE可应用于机械设计制造、模 具设计制造、 工业造 型等多个 领域。TopSolid的 Progress模块是3D级进模设计的旗舰级解决方案， 经企业实际应用发现, TopSolid的Progress模块对解 决级进模的冲裁、 弯曲等工艺设计极其方便,也相当 成熟2
5、3，并能够极其方便地给予回弹补偿设置，同时 自动更新相应的凸凹模镶块。 2压力中心的计算与优化 2.1毛坯排样 某企业最近使用TopSolid设计制造了一副HDMI 连 接 器 铁 壳 类 零 件 级 进 模 。 该 模 具 冲 压 材 料 为 C5210R-1/2H（QSn65-1锡磷青铜 ）， 材料厚度 为 0.5mm，冲制速度控制在150200次/min。 零件图如图 1所示。 采用TopSolid集成的AUTOFORM对制件展开并 进行毛坯排样，步距和料宽分别设为25.5mm、48.5mm。 如图2所示。 图1零件图2毛坯排样 36.97 25.5 48.5 19.76 基于TopSo
6、lid的冲裁弯曲级进模压力中心 和回弹优化的排样设计* 江苏大学模具技术研究所（江苏镇江212013）江丙云 江苏华富电子有限公司孙志浩周芝福 模 具CAD/CAM特 刊模 具CAD/CAM特 刊 2.2带料排样 级进模的冲压加工工艺中， 在确定冲裁弯曲级 进模的带料排样时必须注意以下问题：有些工艺，排 样工位顺序并没有限制， 但有些工艺对工位顺序有 严格的限制。 对冲裁弯曲级进模来说， 一般排样顺 序是切边、冲导正销孔、冲孔（冲裁废料）、弯曲和整 形等。 本制件的带料排样即属于冲裁弯曲类排样设计， 由于制件关于长度轴对称， 为保证加工精度， 如图3 排样设计也采用对称结构， 利用TopSol
7、idProgress模 块能够很方便迅速地对带料进行排样设计，如图4所 示。 图3对称排样弯曲工艺 图4带料排样和压力中心 2.3压力中心的计算 确定级进模压力中心位置的一般方法是：先由经 验公式计算各工位最大冲压力，再求各冲压力合力作 用点，该合力作用点即为模具压力中心。 对于复杂件 压力中心确定方法有解析法、图解法、负线段法、悬挂 法和三维轮廓法等，其力学原理为：诸分力对某轴力 矩之和等于其合力对同轴之力矩。 本冲裁弯曲级进模带料共设计25工位， 其中冲 裁段10个工位（不包括最后落料工位），弯曲段14个 工位，冲裁段与弯曲段之间留1个空工位。 若采用“手 工计算”，各工位冲压力的计算精确
8、与否姑且不计，单 计算各工位的转矩并求解出压力中心的工作量就是 巨大的。 所以， 使用TopSolidProgress压力显示命令计 算出带料冲压力与压力中心位置给带料的设计提供 了极大的方便3，求解出的压力中心如图4坐标所示。 由图4坐标可知，因宽度方向对称设计，压力中心没 有 偏 移 ， 但 压 力 中 心 在 长 度 方 向 偏 离 条 料 中 心 178.72mm，远远超出凹模板长度尺寸的1/6（本产品带 料长637.5mm，凹模板尺寸选为68018025mm）。 从模具结构考虑不宜使压力中心与压力机滑块 中心线相重合时，应使压力中心和压力机滑块中心的 偏离不超出所选用压力机允许的范围
9、,一般最大偏移 量不超过凹模板长或宽尺寸的六分之一，压力中心最 大偏移量如图5所示。 所以，需要考虑对压力中心进 行调整。 图5压力中心最大偏移量 2.4压力中心的优化 一般压力中心偏离模具中心较小的情况，可以在 相同方向上偏移压力机滑块中心，即往相反方向偏移 模具，使模具压力中心尽可能地通过压力机滑块的中 心线，但本制件的压力中心偏离模具中心过大，此种 方法不可用。 笔者曾尝试通过调整各工位位置对压力中心进 行优化，效果并不明显。 原因在于：对于冲裁弯曲级进 模来说，虽然某些情况下，冲裁与冲裁之间的工位顺 序可以互换， 弯曲与弯曲之间的工位顺序也可以互 换，但冲裁和弯曲工位间的顺序不能互换，
10、而冲裁弯 曲级进模的冲裁力又远远大于弯曲力4。 在对本带料进行压力中心计算时，求得的冲裁合 力与折弯合力分别为119.005kN、1945.287N（各工位 的单项力也有显示），冲裁工位与弯曲工位不能互换， 大大地限制了通过改变工序顺序调整整条带料压力 中心的设计方法。 如图6所示， 利用软件的分割模板命令对上 垫板、夹板、背板、脱板、凹模板、下垫板在同一分割 线处（冲裁与弯曲部分之间的空工位处）进行分割， 分成左右两部分，左板长310mm，右板长369mm，间 隙为1mm。 此种调节压力中心的方法是通过分割模 板分散冲压力，把压力中心“分割”成两个压力中心， 在此分别命名为 “冲裁压力中心”
11、 与 “弯曲压力中 心”。 由图6中尺寸长度可知，冲裁压力中心偏离凹 模 左 板 中 心15.53mm， 小 于 凹 模 左 板 长 度 的1/6 折弯 折弯 预折 折弯 调整预折折弯折弯 铆点 折弯 整形 压力中心 178.72 A B 压机滑块中心 压力中心 B/6 A/6 4 4 模 具CAD/CAM特 刊模 具CAD/CAM特 刊 5 5 （51.7mm）；而弯曲中心偏离凹模右板中心76.72mm， 大于凹模右板的1/6（61.5mm），需要对“弯曲压力中 心”进一步优化。 图6冲裁部分和弯曲部分的压力中心 由于本条料冲裁与弯曲工位较多，增加了设计排 样的多样性和复杂性，从而也加大寻求
12、排样设计中最 优压力中心方案的难度。 弯曲部分铆接与整形等工位 固定，可以“自由互换”的工位为8个，即有A 8 8=40320 种排样设计方案，有限的精力，不可能对每种方案都 进行设计计算，根据理论结合实际，把弯曲力较大的 工位向右移，以使“弯曲压力中心”往右移动。 使用移 动工位命令，能够迅速交换各个工位，经过几次交 换工位后，调整结果如图7所示，弯曲压力中心，偏离 右模板中心距离仅有39.85mm，符合设计要求。 图7优化后的弯曲压力中心 “冲裁压力中心”的优化与“弯曲压力中心”的优 化大同小异，限于篇幅，在此略去。 3回弹角的计算与补偿 回弹是级进模带料冲压成形中的主要缺陷之一， 回弹的
13、存在使零件尺寸精度降低， 从而增加了试模、 修模和校形工作量，导致生产周期的延长及生产成本 的提高。 由于影响回弹的因素颇多,且影响规律复杂， 很难精确计算回弹角参数从而有效地补偿回弹5。 在本条料中，有几个弯曲角度采用多步弯曲成形 的方法，因为首次弯曲后，此处板料的力学性能已经 发生了变化， 产生的塑性变形会被再次弯曲所继承， 第二次弯曲已不能采用理论计算的方法确定回弹角。 故本文采用数值模拟的方法，使后一次弯曲模拟所用 板料为其前一次弯曲后的带料，确保求出的带料各弯 曲工位回弹角与实际相符。 3.1弯曲模拟 本文以90弯曲处回弹角的确定为例进行说明。 采用TopSolid的Progress
14、模块设计出未设置回弹 角度的弯曲前、 弯曲到45和弯曲到90 3个工位相 应的凸凹模镶块，如图8所示。 图8弯曲前、弯曲45和弯曲到90的工位带料 及其相应的凸凹模镶块 a3个工位的带料 b弯曲工位相应的凸凹模镶块 使用弯曲前一工位的带料作为模拟板料， 进行 45弯曲模拟， 再使用45弯曲模拟后的板料作为90 弯曲模拟的板料进行第二次弯曲模拟。 模拟过程见图 9所示。 3.2回弹补偿 如图10所示，对弯曲模拟进行后处理，得出回弹 后的弯曲角和曲率半径分别为91.642、1.167554mm， 从而计算出回弹曲率半径和回弹角。 利用TopSolidProgress中回弹角补偿命令，对 回弹角度进
15、行补偿（见图11）。 弯曲凸、凹模镶块自动 更新为与条料回弹补偿后相一致的弯曲角度、曲率半 径。 39.85 弯曲压力中心凹模右板中心 （a） （b） 弯曲前弯曲45弯曲到90 170.53 261.22 155 310369 184.576.72 15.53 凹模左板中心冲裁压力中心 弯曲压力中心 凹模右板中心 模 具CAD/CAM特 刊模 具CAD/CAM特 刊 下模镶块 上模镶块 （a） （b） （c） （d） 6 6 图9多步弯曲模拟 a弯曲前的工位板材b45弯曲模拟 c45弯曲模拟后的工位条料d90弯曲模拟 图10多步弯曲模拟后的工位条料 图11回弹补偿 4结束语 利用TopSoli
16、d软件中的Progress模块设计的本模 具，已投入实际生产，通过对压力中心的优化和回弹 补偿的研究，得出以下结论： （1）结合制件排样特点，利用本设计软件，可以快 速对压力中心及回弹补偿进行优化设计，有效地提高 了模具的设计效率与精度，减少了试模、修模的次数。 （2）本带料设计把冲裁和弯曲部分的压力中心分 别进行优化， 而对整体带料的压力中心还欠缺考虑， 有待进一步综合考虑冲裁与弯曲工位。 对回弹角的计 算模拟，只选取了条料的一个工位作为板料，没有选 取整个带料进行考虑，有没有太大的影响，需要加以 比较研究。 （3）通过逐个调整弯曲工艺的顺序来改变压力中 心的方法，效率还是较低，冲裁弯曲类级
17、进模又是在 加工端子件零件中所普遍应用的，对进一步寻求最优 压力中心方法的研究很有必要，可以对本软件进行二 次开发6，通过遗传算法，寻找最优带料排样。 5参考文献 1徐波，李建军，张祥林，肖祥芷.基于关联设计的弯曲级进模 结构CAD方法研究J.塑性工程学报,2005,（3） 2王慧,李金国,刘红.拉深3D带料排样图在TopSolid中的实 现J.机械工程师，2006，（7） 3姜富强. TopSolid在汽车覆盖件模具产业信息化中的应用 J.航空制造技术,2006，（4） 4Zone -Ching Lin, Ching -Hua Deng.Analysis of a torque equili
18、brium model and the optimal strip working sequence for a shearing-cut and bending progressive dieJ.Journal of Materials Processing Technology, 2001，（6） 5Lowe T C,Valiev R Z.Producing nanoscale micro-structures through severe plastic deformation J. JOM, 2000,（4） 6徐武彬，陈晨，李冰，周秀新.基于TopSolid的汽车覆盖件拉 深模快速设计系统研究J.模具工业，2008，（1） !“ !“ !“ !“ 模具制造 月刊 2009 年订阅通知 2009年度全国报刊大征订现已开始， 本刊 2009年每月8日出版，定价每期10元，全年120 元。 请广大读者于12月20日前到当地邮局办理 订阅手续，邮发代号：46234。 或直接与本社发行 部联系订阅。 联系电话：07558963281383892668 传真：0755-83891333 联系人：黄登高 E-mail：