壓邊圈研究進展及其創新設計

高貴杰，雷君相

（上海理工大學，上海 200093）

壓邊圈在板料拉深成形過程中起著關鍵性作用，國內外學者對其已經做了大量的研究。國外對壓邊圈的研究始于20世紀80年代，國內對這一領域的研究相對較晚，始于20世紀90年代。

1 國內外壓邊圈研究概況

1.1 國外研究概況

2005年，德國斯圖加特大學（University of Stuttgart）的金屬成形技術研究所（IFU）研制成功了彈性分區壓邊圈[1]，其結構如圖1a所示。此壓邊圈主體由多個圓錐體形的樹樁構成，每一個圓錐體構成一塊分區，每一塊的分區由單獨的液壓缸提供壓力，壓力的作用點在圓錐體的小端，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，以增加強度，防止各圓錐體在受力時彎曲或者偏斜。研究者用Ansys軟件對此壓邊圈進行了受力模擬分析，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 分區彈性壓邊圈

從模擬分析結果可以很清楚地看出各個分區的壓力分布差別明顯，并且各個分區之間的相互影響很小，分界線明顯，很好地體現出了分區的效果。再者，此壓邊圈大大地減小了模具的質量，筆者認為這項技術具有很高的參考價值。

1.2 國內研究概況

2005年，上海交通大學國家模具CAD工程研究中心開發出了雙層組合壓邊圈[2]，并用其進行壓邊力的控制。其結構如圖2所示。

圖2 雙層組合壓邊圈

其結構主要包括上層、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小頂柱，小頂柱之間具有很小的長度差，一般為0.1mm，根據實際需要，在不同的區域嵌入不同數量和長度的小頂柱。這種壓邊圈是應用在傳統的壓力機上，工作原理：液壓缸通過頂桿提供定值壓力，因為小頂柱有一系列的長度變化，所以小頂柱將力傳遞到上層時會使上層不同區域產生不同的彈性變形，從而使上層的不同區域產生不同的壓邊力，達到了分區壓邊的目的。2003年11月此壓邊圈在上海大眾公司的車門內板生產線進行了實際應用，取得了預期效果。此項技術的重大意義在于：完全無需改變傳統壓力機的結構，僅僅更換壓邊圈就可以方便地實現分區變壓邊力控制，大大地降低了生產成本[2]。

相對厚度一定的板材，在拉深成形過程中減小拉深系數對于拉深成形十分重要，根據JI.A.肖夫曼的計算，塑性最好的材料在理想狀態下最小極限拉深系數m=0.4，但是由于摩擦力和彎曲抗力的影響，實際的最小極限拉深系數只能達到0.48～0.5。對于實際應用中的有些情況來說，此拉深系數偏大，不能滿足拉深成形的要求，需要進一步減小最小極限拉深系數。為此，福州大學機械工程學院的陳功振研究出錐形壓邊圈[3]，其結構及裝配結構如圖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，以相對厚度為1.5的08號鋼板為例，其拉深系數可以達到0.22，這比理想狀態的最小極限拉深系數減小了54.16%。再者，陳功振還詳細研究論證了錐角大小對最小極限拉深系數的影響[3]。

圖3 錐形壓邊圈

2009年，浙江科技學院機械與汽車工程學院的江財明等研究人員，利用凸輪機構能實現任意預期規律的運動這一特點，成功研制出了一種機械式變壓邊力控制機構[4]，結構如圖4所示。

其工作過程：壓力機滑塊帶動上模下行，當凹模下端面接觸毛坯時，拉深開始。上模繼續下行時，毛坯被拉入凹模內，由彈簧22產生的壓邊力經壓邊圈16傳遞給毛坯；隨著上模下行，凸輪斜塊組合機構中壓桿推動凸輪繞回轉中心旋轉，凸輪機構處于升程階段，凸輪推動球頭推力桿和下斜塊向內側水平運動，則上斜塊會在下斜塊的作用下向上運動，凸輪推力桿達到最大升程位置時，彈簧壓縮量增加，壓邊力增至最大。凸輪繼續回轉一定角度后，機構進入降程階段，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，此狀態維持到整個拉深過程結束[4]。

圖4 機械式變壓邊力控制機構

筆者認為此壓邊圈的最大創新點在于其利用了機械結構實現了變壓邊力的控制，相對于利用數字設備實現變壓邊控制，大大降低了成本，而且結構緊湊、實用性強。

2011年：隨著行業的發展，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，傳統的拉深工藝能成形的半球形零件的深度不大，其中關鍵的制約因素是凸緣變形區與壓邊圈之間的摩擦系數過大，如果能減小此摩擦系數則能很大程度上增加拉深深度，研究者已經對此做了深入的研究，以美國標準材料庫中的s304不銹鋼為例，采用Dynaform軟件進行了模擬分析，得到結果：摩擦系數分別為0.125、0.1、0.07、0.04、0.01、0.009、0.006、0.003 時，相應的拉深深度為37.274mm、36.811mm、37.6875mm、50.2655mm、68.574mm、71.691mm、76.175mm、82.798 mm。很明顯，隨著摩擦系數的減小，拉深深度不斷增加。因此，應該設法通過改進壓邊圈來減小此摩擦系數。浙江理工大學機械與自動控制學院的高慧玲等合作研制出了滾珠壓邊圈裝置[5]，將滑動摩擦轉化為滾動摩擦減小摩擦系數，其結構如圖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，因此對于較軟材料的拉深會出現壓痕，此不足之處還有待深入研究和改進[5]。

圖5 滾珠壓邊圈

2 壓邊圈創新設計

2.1 尼龍圈組合式壓邊圈

2.1.1 尼龍圈組合式壓邊圈結構設計

對于矩形盒件的拉深成形來說，通常按照幾何特征將凸緣區分為兩個長邊區、四個圓角區和兩個短邊區，研究已經表明不同的區域需要不同的壓邊力，一般用八個液壓缸提供壓邊力。因此按照幾何特征壓邊圈相應地設計為八塊，但是拉深成形效果一般。為此，研究者對矩盒形件拉深成形時的材料流動規律進行了更加深入的研究[6]，根據此研究，本文對長邊區和圓角區的壓邊塊進行了改進，以200mm×100mm矩盒形件為例，如圖6a所示，改進后壓邊圈裝配體如圖6b所示。

圖6 壓邊圈改進

圓角區增加長度=163.93-149.5=14.43（mm），取為14.5mm。長邊縮短后長度=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計，將分區壓邊圈設計成放射狀，因為短邊較短，所以將短邊區和圓角區合為一體，中心線偏移約5°，因此長邊區扇形角度為70°，圓角區扇形角度為110°，如圖7所示。

在小型的液壓機上使用此壓邊圈一般用四個液壓缸提供壓邊力，但是四個液壓缸不可能做到完全同步，即在壓邊過程中四個壓邊塊的壓料面不能組成一個絕對的平面，在相鄰的兩個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出現嚴重的劃痕，表面質量不能滿足要求。

為此，本文在此基礎上進行了創新設計，其原理是在分區壓邊圈的下面增加一個材料為尼龍66（PA66）的整體圈，使尼龍圈的連續表面與板坯料接觸，實現壓邊塊表面之間的圓滑過渡。尼龍圈的結構如圖8所示。

壓邊圈的結構如圖9所示。

圖8 尼龍圈

圖9 尼龍圈壓邊圈結構

使用時利用材料的彈性特性將尼龍圈四個樁壓入四個壓邊塊的孔槽中，尼龍圈的四個樁可以在孔槽中上下移動一定距離，能夠補償液壓缸在運動中的不同步誤差，若磨損過于嚴重，將其拆下更換新尼龍圈即可再次正常使用。

查閱《實用機械工程材料手冊》第四篇 機械工程用高分子材料及復合材料 國產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構靜力學分析

利用AnsysWorkbench14.5軟件中的Static Structure模塊進行了結構靜力學分析，分析時長邊區施加載荷12MPa，圓角區為6MPa。

尼龍圈的表面應力分布如圖10所示。

從分析結果可以看出，不同壓邊塊區域應力分布明顯，邊界清晰，能很好地達到分區的目的。

2.2 液體靜壓支撐柔性分區壓邊圈

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

表2 模擬實驗結果

壓邊圈都是用固體材料制造，壓邊時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，但是也不能達到很小。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行分區壓邊的方法，通過控制各個壓邊塊的液壓油流量可以相應地改變液壓力，實現變壓邊力控制。

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

根據以上研究結果可以預測矩盒形件拉深成型也具有類似的規律，以下以80mm×50mm矩盒形件分區壓邊圈為例進行設計。

2.2.1 液體靜壓支撐柔性分區壓邊圈結構設計

在整體鋼塊上開四個油腔，每個油腔有一個進油孔，其結構如圖11a所示。將兩個整體鋼塊上下對稱裝配在一起，兩塊之間放置板坯料，工作開始時保持板坯料與鋼塊之間的距離為1mm，裝配結構如圖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生的應力，利用CFX+Ansys對此壓邊圈進行雙向流固耦合分析，為了簡化分析，僅僅分析裝配結構模型的一半，按照板坯料與壓邊圈相對靜止進行耦合分析，建立的流體計算域模型如圖12a所示，用12b中模型代表板坯料凸緣區。

分析時選用殼牌得力士32#抗磨液壓油[8]，其性能參數如表3所示。將長邊區和圓角區的入口速度分別設為35m/s、30m/s，分析結果如圖13a、b所示。

從分析結果可以看出，凸緣區相鄰區域之間應力分界線明顯，各區域內應力分布均勻，很好地達到了分區壓邊的目的。

圖12 計算模型

圖13 分析結果

表3 32#抗磨液壓油性能參數

再者，如果各油腔分別與液壓伺服閥相連，用PLC或工控機實時控制液壓伺服閥來改變液壓油流量，就可以方便地實現分區變壓邊控制，此方面有待于進一步研究。

3 結論

（1）本文詳細總結了近年來壓邊圈的發展概況，旨在幫助后來研究者查閱技術資料，進行更好的創新設計。

（2）提出兩種新型壓邊圈設計方案，并借助Ansys Workbench14.5軟件對其進行了模擬分析，確保方案的可行性。

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