大型鋁合金錐形殼體壓圓工藝及模具設計

任樹林，郝飛斐，馬星明，許 揚

（1.山西利民工業有限責任公司，山西 太谷 030812；2.陸軍裝備部駐太原地區第四軍代室，山西 太原 030027）

0 引言

公司試制的一種鋁合金錐形殼體，如圖1 所示。

圖1 產品圖

經過對零件技術要求的分析，制訂了試制工藝為：下料→成型→焊接→校形→機加。

殼體在制造過程中，成型是十分重要的工序。零件在成形后的圓度、開縫的大小、錯邊量，直接影響后續焊接質量、校形工序的尺寸精度及最終的產品質量。

1 成型工藝方案的分析

此鋁合金殼體尺寸較大、錐度較大，成型后要求的尺寸精度和表面質量都很高。通用的成型工藝方式：卷板機滾圓，壓力機上用鋼模壓彎及折彎機壓彎各有優缺點。卷板機滾圓有直邊，并且成型尺寸精度較差，容易造成板料表面特別是軟質金屬表面的劃傷。折彎機壓彎，由于零件的大錐度，工藝難度較大，并且每段的圓弧銜接會有接刀痕。壓力機上用鋼模壓彎，調試中需要反復對凸、凹模的曲率半徑進行修整，費工費時。

聚氨酯橡膠由于其高強度、抗撕裂性、耐油耐磨耐老化和良好的機械加工性能等一系列特性，目前廣泛應用于沖壓、成型模具。聚氨酯橡膠用于彎曲模有以下特點：①在成型過程中，橡膠墊將板料均勻包覆到凸模上，有效克服了直邊現象；②橡膠模墊在壓彎中，施加給板料是分布載荷，從而增加了板料的受力，而起到校形作用，所以能有效克服板料的回彈，而提高了零件的成形精度；③零件成形過程中與橡膠墊接觸，因此不會損傷表面；④模具結構簡單、操作方便，制造成本低，適用于小批量生產。

結合以上特點，鋁合金殼體確定采用聚氨酯橡膠壓彎模成形。由于壓彎模具需分段多道次成形，所以采用等分壓彎成型工藝：下扇形料→畫等分標識線→左側等分壓彎→右側等分壓彎→合圓。

2 聚氨酯橡膠壓彎模設計

2.1 材料性能試驗

對材料5A06 O 狀態5mm 鋁合金板料進行性能測試，結果如表1 所示。

隨著對行業的逐漸了解，何正偉開始在田間做起了示范田。雖然撒可富在四川已經有了一定的渠道基礎，但由于近年來農作物價格很不理想，農戶們對于肥料價格十分敏感，對于走高端路線的撒可富來說，并不占優勢。在何正偉看來，撒可富過硬的質量是打開局面的突破口。利用撒可富肥效長、同等用量肥效更強的特點，何正偉與中阿公司商議在柑橘種植區推出40公斤小包裝產品，經過試驗，不僅能保證肥效，甚至優于同類50公斤產品。真正幫助農戶減肥增效，增產增收。

表1 5A06 O 鋁合金板機械性能試驗結果

2.2 凸模壓入橡膠墊的深度與板料成形曲率半徑的關系工藝試驗

材料：產品用5A06 O 5mm 鋁合金板，寬200mm，長650mm；工藝試驗凸模h：100mm；橡膠墊：聚氨酯橡膠HSA80,厚度100mm，寬200mm。工藝設備：在100t 液壓機上進行試驗，結果如表2 所示。

由表2 數據看出，凸模下壓量h 大于10mm 以后，板料成形后曲率半徑R 隨下壓量增加量變化趨勢平緩，可以認為R 大于一定值后，成型曲率半徑R基本不變。

2.3 聚氨酯橡膠壓彎模具

壓彎模具如圖2 所示。

圖2 壓彎模具示意圖

2.3.1 凸模圓弧半徑的確定

板料在彎曲變形卸載后，由于板料的彈性部分變形按照卸載規律產生彈性回復，使最終得到的彎曲角、半徑均發生變化，r/t>10 時，彎曲回彈值很大，彎曲半徑變化很大，需要進行計算。凸模圓弧半徑

式中：r 為考慮回彈后凸模的圓弧半徑，mm；r0為產品要求的圓弧半徑，mm；σs為板料的屈服強度，MPa；E 為板料的彈性模量，MPa；t 為板料厚度，mm。

由于模具結構的需要，上模座立板有一定的厚度b，要使壓彎成形后的零件能順利退出，因此零件成型后的開縫應大于等于立板厚度，而工藝要求零件成型后開縫越小越好，所以選開縫量b。

則壓彎成形后零件曲率半徑

2.3.2 聚氨酯橡膠模墊、容框

選擇平板式模墊，半封閉式容框。根據產品的技術要求及模具結構特點，橡膠模墊用流動性較好的邵氏硬度HSA80 澆注型聚氨酯橡膠，參考表2 聚氨酯橡膠下壓量與成形件曲率半徑R 關系的工藝實驗結果，壓縮率

表2 凸模下壓量h 與板料成形曲率半徑R 工藝關系實驗結果

式中：h 為橡膠壓下量，mm；H 為橡膠墊自由厚度，mm。

壓彎成形中，凸模下壓要有一定余量，壓下量取15mm，壓縮應變相應取15%，由（4）式得橡膠墊厚度H=100mm。

凸模壓彎零件曲面壓入橡膠墊部分如圖3 所示。圖中a1、a2分別為凸模小端、大端將零件壓入橡膠墊圓弧曲面對應的半角；r1、r2是半徑，b1、b2是寬度，按下壓量h=15mm，計算出凸模壓彎零件板料，壓入橡膠墊的寬度分別為小端b1=151mm，b2=166mm，因此以大端b2加一定余量，橡膠墊寬度選260mm，長度1500mm。

圖3 凸模壓彎零件曲面壓入橡膠墊部分示圖

容框為半封閉式，內腔與橡膠墊寬度留2mm 間隙，上端兩側為開口式。

2.3.3 壓彎成形力計算

分析得到，零件壓彎成形力F 由零件自由彎曲力F1和橡膠墊壓縮變形抗力F2組成

板料自由彎曲力[1]

式中：B 為彎曲件的寬度，mm；t 為彎曲件的厚度，mm；σb 為材料的抗拉強度，MPa；r0為彎曲件的內彎曲半徑，mm；K 為安全系數，一般取1.3。

根據式（5），分別以錐形殼體小端r01、大端r02，計算F1，并取平均值得：F1=25.9kN。

聚氨酯橡膠墊壓縮變形抗力

式中：P 為橡膠壓縮變形應變的單位壓力，MPa；A為橡膠壓縮變形承壓面積。

當下壓量h 取15mm 時，橡膠墊壓縮應變為15%，由于成形凸模為規則對稱圓錐體的一部分，因此，平均壓縮應變取7.5%，參照《沖壓工藝與模具設計》[2]書中，國產聚氨酯橡膠的壓縮性能曲線，邵氏硬度80A 聚氨酯橡膠在壓縮應變為7.5%時，對應的單位壓力約為8.5MPa。

A 認為是凸模壓彎成形零件壓入橡膠墊曲面在水平面上的投影面積。

將式（7）代入式（6）得

代入數值，計算得F2=1814.8kN。將F1、F2數值代入式（4）得，壓彎成形力為1840.7kN。根據以上計算結果，結合模具的相關尺寸，選公司現有的6300kN 四柱萬能液壓機。

3 錐形殼體壓彎成形等分道次的計算

由圖3 可得

式中：n 為壓彎等分道次；α 為凸模將零件壓入橡膠墊曲面圓弧對應的半角。

經計算，分別得出錐形殼體小端n1，大端n2，因n2>n1，所以取大端道次數n2。而壓型要過渡銜接，因此，每道次壓彎成形加20%重疊，所以經計算將展開扇形板料的大小端沿圓弧分別做16 個等分線。

經過調試并適當修整凸模曲率半徑，試制出的零件成形圓弧曲率規則、開縫均勻、尺寸精度高，表面光滑、無壓痕、劃傷，滿足工藝要求和產品技術要求。

4 結束語

等分軟模壓彎工藝和聚氨酯橡膠壓彎模的應用，為大尺寸高精度鋁合金錐形殼體及類似產品的壓彎成形探索了一條新途徑。