汽車制動蹄翼板回彈控制與模具結構研究

熊文偉，湯志國

（1. 湖南機電職業技術學院，長沙 410151；2. 中聯重科車橋有限公司，津市 415400）

0 引言

制動蹄是汽車制動器上的重要保安零件，一般為鑄件和焊接件兩種形式。由于鑄件存在許多缺陷，如氣孔、夾砂、冷隔、縮孔、裂紋等，且生產成本較高，所以目前制動蹄常采用板料沖壓、彎曲，然后焊接成形等結構。它由制動蹄翼板、幅板、摩擦片等主要零件構成。在汽車行車制動過程中，液壓系統內建立高壓液體，此高壓液體推動制動輪缸中兩個活塞向外張開，使緊靠于制動輪缸的制動蹄端向兩邊分開，消除制動鼓與摩擦片間的預留間隙，從而貼于制動鼓的內圓面上，達到制動的目的。但制動蹄翼板在沖壓、彎曲成形和焊接的過程中，易產生彎曲回彈和焊接變形回彈，從而使零件的實際形狀和尺寸與設計要求產生差別，影響制動效果。為了保證質量，減少回彈，本文對制動蹄翼板結構特點及工藝性進行分析，找出產生回彈的原因及影響因素，探討減少回彈的對策，并設計出合理有效的彎曲模具，經實踐檢驗行之有效，使彎曲回彈和焊接變形回彈現象得到了有效控制，為類似彎曲零件沖壓成型提供了設計參考。

1 零件結構及工藝分析

圖1所示零件為我校企合作開發的某汽車后制動蹄翼板零件結構簡圖，材料為 16Mn，板厚5mm，彎曲內半徑為R136，零件的生產批量很大，主要彎曲形狀是半圓形件。

該零件在常溫下成形，其工藝過程為：下料——落料沖孔（螺紋底孔、定位孔）——彎曲——酸洗——焊接。在彎曲成形過程中要求零件表面平滑，不允許有皺紋、劃傷、拉毛等表面缺陷，同時該成形零件必須具有足夠的剛性和尺寸穩定性。彎曲時，由于材料產生的并不完全是塑性變形，其彎曲部位還存在著彈性變形，所以當載荷去除后，零件就會產生回彈。回彈的結果表現在彎曲曲率和角度的變化，這種變化使得工件彎曲后的實際形狀和尺寸與設計要求有了差別。另外，后制動蹄翼板在焊接后沿母線方向將會產生焊接變形，形狀由“—”變為“ ”，出現焊接變形回彈。這些都是影響制動蹄產品質量的重要因素，必須探討消除彎曲回彈和焊接變形回彈的有效辦法。

圖1 后制動蹄翼結構示意圖

2 影響彎曲件回彈原因分析及對策

產生回彈的主要原因是因工藝方法不當或模具結構設計的不合理導致零件變形區的材料塑性變形不足，進而產生彈性回彈。要克服回彈，則可通過采用合理的工藝方法來改善板材在成形過程中的應力狀態，還可通過設計模具時選用合理的回彈角、回彈半徑和模具間隙等工藝參數來解決。

2.1 影響彎曲回彈因素

1）材料的力學性能。工件的回彈量與材料屈服點σb成正比，與彈性模量E成反比，還與板厚各向異性r、材料的強化系數F值和材料的應變強化指數n值等有關。

2）材料的相對彎曲半徑R/t （R為彎曲件內半徑，t為彎曲件厚度）。在同等條件下，R/t值越小，回彈量就越小。

3）彎曲角的影響。一般來說，彎曲角越大，卸載后回彈量也越大，U形件的回彈量比V形件大。

4）模具間隙。凸、凹模之間的間隙越小，回彈量越小。

5）校正力。增加彎曲校正力可以減小回彈量。6）軸向張力也對彎曲回彈產生影響。

7）弧形焊件在焊接熱源的作用下，會產生應力和變形，形成焊接變形回彈。

2.2 減小彎曲回彈對策

回彈問題是一個復雜的問題，由于影響零件回彈量的因素很多，且諸多因素相互影響、相互制約，所以理論上計算彎曲件的回彈值是比較困難的，必須建立理論分析與實踐的有機結合。

傳統的方法是在設計模具時，先按經驗數據或資料中的圖表來選用，等模具制造出來后經過試沖，再對模具凸、凹模部分進行修正獲得。對于本零件來說，工件的彎曲率半徑和材料的厚度的比值較大，即相對彎曲半徑較大，若按工件的形狀加工凸、凹模，壓出的工件回彈量會很大，所以設計凸、凹模時必須設法消除回彈因素。

采用的對策：

1）先是理論估算回彈量大小，進行“補償彎曲”。

2）改變彎曲時的應力狀態，實行校正彎曲。在設計彎曲模具時，可考慮通過改進模具結構，使校正力作用于彎曲零件的轉彎處，達到消除回彈的目的。

3）調整凸、凹模之間間隙到最小。凸、凹模之間間隙的恰當與否將直接影響彎曲件的質量，若調整不當，間隙大的一側，彎曲時拉應力小于間隙小的一側，回彈量將大于間隙小得一側。凸、凹模之間間隙越小，零件的回彈量將越小。

4）適當加入潤滑油減少摩擦，也可減少回彈量。

2.3 防止焊接變形回彈的措施

1）用反變形法防止焊接變形，首先將焊件向焊接變形相反的方向進行人為的變形，以達到與焊接變形相抵消的目的。

2）選擇合理的裝配和焊接順序，防止焊接變形。

3）用剛性固定法防止焊接變形。

4）用散熱法防止焊接變形。

3 模具結構設計

3.1 凸模的設計

針對減少回彈的原因及對策，在設計凸、凹模具時應綜合考慮零件的回彈因素，一般當彎曲工件的圓角半徑R＜（5～8）t時，工件的彎曲半徑一般變化不大，這時只需要考慮彎曲角度的回彈，回彈的角度一般通過查有關經驗數值獲得；當彎曲工件的圓角半徑R≥（5～8）t時，可利用下面的公式計算回彈補償時所需彎曲凸模的圓角半徑。本零件的主要彎曲形狀是圓弧，其彎曲曲率半徑遠大于8t，故決定采用補償法對彎曲半徑進行修正，以消除回彈。

式中：R——彎曲件圓弧半徑（mm）

σs——材料的屈服強度（MPa）

E——彈性模量

t——材料的厚度 （mm）

對于16Mn鋼，查有關資料可知，材料的屈服強度σs＝345Mp，彈性模量＝211000Mpa，代入相關數據可得：

考慮到后制動蹄翼板焊接后沿母線方向將會產生焊接變形，為減少焊接變形，設計凸模時，沿母線方向的截面形狀設計為“ ”形，尺寸由工藝試驗定。因零件圖上的尺寸是標注在內形上的，所以設計凸模時，凸模壓形面的尺寸應按計算出來的修正值來設計，本凸模按修正值設計的彎曲半徑R＝120mm，截面“ ”形高度差為1.5mm，凸模簡圖如圖2所示。

3.2 凹模的設計

考慮到凹模的加工工藝性，設計凹模由三件鑲塊組合而成，即凹模左右塊和頂料塊，組合形狀側面為“ ”形，中間為頂料塊，三者由框形板固定，拼合圖如圖3所示。頂料塊在設計時既要保證在零件成形過程中與凸模一道將工件至始至終夾持住，防止壓形時工件跑料；又要考慮其與凹模的組合方式，達到成形后工件上不壓出接縫處的壓痕的效果。

圖2 凸模簡圖

4 模具結構及工作過程

該模具的結構如圖3所示。下模是由導柱2、定位板3、下模板5、定位銷6、固定板7、凹模頂料塊9、凹模左右塊10等組成；上模是由導套1、上模板4、凸模8等組成。

模具的工作過程：后制動蹄翼板在彎曲時將坯料放在定位塊與定位銷上定位，上模在下行時，在凸模的作用下，零件被彎成“ ”形，上模到達下死點，保壓一段時間后，上模開始回升，直到上死點。

圖3 模具結構簡圖

5 使用效果

該模具在調試過程發現成形后，還存在少量回彈現象，內圓弧半徑R120尺寸偏小，經過多次修模、試模、校形，并完善圖紙，最終解決這一彎曲回彈問題。試壓出的工件形狀、尺寸基本符合要求，加工出來的制件能滿足零件的設計要求，現已在企業加工出大批量合格零件。

6 結束語

由于回彈是影響彎曲工藝質量最常見的因素之一，也是彎曲工藝中的技術難點問題。回彈問題的存在，除造成零件成形精度差之外，也還造成試模、修模工作量和成形后的校形工作量。所以如何使零件彎曲回彈現象得到有效控制，加工出合格制品，是我們研究者和設計者共同探討的問題。該彎曲模具的設計與使用，是我校推行的生產性實踐教學精細化管理模式中“校企合作”共同研發新產品、改進新工藝的一次成功嘗試，具有十分重要的教學與生產指導意義。

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