一種開口可調的無痕V形折彎凹模

林安潔，章盼梅，盧和宇，潘家慶，張森

（廣州城市理工學院機械工程學院，廣州 510800）

0 引言

隨著現代工藝的發展，傳統的折彎模具已經無法滿足如今的加工需求。傳統的折彎模具很容易對工件表面造成損害（如圖1），因為制造的產品與折彎模塊之間為相對滑動摩擦，所以會使工件與模具接觸的表面產生一條明顯的痕跡。這不僅降低產品的價值和表面質量、損傷產品與模具、降低它們的使用壽命，而且會影響產品的美觀度。為了消除傳統折彎時所帶來的痕跡，可從降低摩擦副中的壓力、減少板料與凹模V形槽之間的摩擦因數及利用支點轉動這3個方面進行改進[1-2]，實現產品的無痕折彎。本文將利用以上3個方面來實現模具的無痕折彎，使用滾軸槽結構來改變板料與凹模之間的摩擦因數。通過對開口的調節[3]方式進一步創新，改進為利用滾珠絲杠[4]與由單片機編程控制的電動機導軌相結合，使折彎無痕并且凹模能夠左右移動，調節開口的大小，實現多種類型產品的多種角度的折彎。

圖1 傳統折彎模具的工作原理

1 開口可調的無痕V形折彎凹模工作原理

凹模的結構包括2塊橫截面呈梯形的V形模塊、固定在兩側的電動機、連接模塊與電動機的導軌及長方體狀工作臺。V形模塊主要通過限位機構固定在工作臺上，并且由滾珠絲桿的一端固定，由單片機編程控制兩相步進電動機進行調節其位置，精準控制模塊橫向移動的距離。模塊上表面內側開有半圓形的滾軸槽，滾軸槽外側開有壓板槽。滾軸槽和壓板槽內分別安裝有圓柱形滾軸和軸端擋板，軸端擋板與滾軸的接觸面是和滾軸相適應的弧面。利用支點轉動的原理：通過模塊上滾軸的滾動帶動產品的移動，從而實現零件的無痕折彎。改進后的開口可調的無痕折彎模具結構如圖2所示。

圖2 開口可調的無痕折彎模具結構圖

2 凹模主要零件結構特點

將傳統V形折彎模具中凹模V形槽兩側的傾斜面改為滾軸槽結構，并增加軸端擋板對滾軸進行固定。在凸模下壓板料的過程中，借助凸模對板料施加壓力，使凹模兩側的滾軸向內滾動，從而使板料折彎成形。這種工況下板料與模具之間為滾動摩擦，折彎工件的板料與凹模沒有產生明顯的局部滑動摩擦，而是緊貼著滾軸向凸模的聚攏。這樣消除了工件表面由于受擠壓而產生的痕跡，實現無痕折彎[5]，提高產品的外觀質量。

對于不同型號工件的不同角度的折彎，將已改為滾軸槽結構的凹模，分為左右均勻的2個模塊。在此基礎上，增加導軌及由兩相步進電動機控制的滾珠絲桿。由于左右兩側的滾珠絲桿旋轉方向不同，所以在兩側安裝2個兩相步進電動機。通過單片機編程控制兩相步進電動機的啟動，帶動滾珠絲杠的正轉和反轉。以此控制左右2個模塊移動的距離，提高模具定位的精確性[6]。通過調節模塊開口的大小，控制產品所需折彎角度的大小。

運用SolidWorks軟件建立改進后的開口可調的無痕折彎模具如圖3所示。

圖3 開口可調的無痕折彎模具凹模三維圖

2.1 模塊

將傳統無痕折彎模具的凹模部分均分為左右2個模塊，使得凹模開口可調成為可能，并且表面內側開有半圓形的滾軸槽。滾軸槽外側開有壓板槽，滾軸槽和壓板槽內分別安裝有圓柱形滾軸和軸端擋板，使得工件與模具的相對摩擦為滾動摩擦。軸端擋板能在一定程度上保持滾軸的正常滾動，配合相應的擰緊螺釘阻擋軸端擋板向上的力。改進后的模塊能最大程度減少產品與模具之間的損傷，保證折彎工件無壓痕。

由于滾軸轉動時會與滾軸槽及板料產生一定的摩擦，因此需要在滾軸與滾軸槽之間添加適量的潤滑劑，避免造成滾軸滑痕，并且需要定期進行潤滑劑的添加。由于折彎模具工作時一般為中低速，所以本次模型添加的潤滑劑為脂潤滑。脂潤滑密封性能好、密封條件較為簡單、可使用的時間較長、維修方便且油膜的強度較高[7]。在軸端擋板中間增加一個長條形的儲存空間，并與滾軸接觸的地方相通，將脂潤滑置于其中。當滾軸開始滾動時，便帶動滾軸上的潤滑劑一起運動，使得滾軸與滾軸槽及板料之間均有潤滑劑加以潤滑。

為確保滾軸與板料之間能產生相對滑動，需對滾軸突出V形模具的距離進行測算。由于常用鈑金材料的厚度一般在0.4 mm以上，其所需受到的滾軸的支撐力不宜過大，否則容易產生印痕。本次模型以一般的鈑金材料厚度為例，為使滾軸的滾動效果達到較佳的狀態，滾軸突出V形模具的距離為滾軸半徑的1/4～1/3較為合適。

2.2 電動機導軌

在凹模加裝導軌，使凹模可向左右自由移動，并在導軌的兩側分別加上2個電動機與兩邊的導軌相連。通過運用單片機設定一定的參數，控制左右兩邊電動機的啟動，帶動滾珠絲杠的正轉和反轉。讓模塊可以相對滑動的同時，實現凹模左右移動后的精確定位，確保調節后開口大小的精確度，從而使產品所需的折彎角度達到要求。

步進電動機的控制方法有兩種:1）采用能產生周期性方波的邏輯控制器編程進行控制；2）使用專用的步進電動機驅動器。由于第2種電動機控制方式的價格比較昂貴，所以本次模型電動機的控制方法選擇第1種。

兩相步進電動機的控制原理：兩相步進電動機由定子和轉子所構成，定子磁級數為4時，1個相由2個極組成。當施加正向電壓時，若某一端產生S磁極，則對面一端會產生N磁極，并使轉子旋轉到一定位置停止下來。接著，讓另一對磁極也產生相同的動作使轉子運動。然后改變為施加反向電壓，同理使轉子進行轉動，完成一個旋轉周期，重復不間斷地進行周期運動便可使步進電動機旋轉起來。若是逆序進行上述運動，便可以使電動機產生反轉。兩相步進電動機產生雙極性驅動時，定子產生旋轉磁場，使得轉子跟隨一起轉動。由于滾珠絲杠與兩相步進電動機相連，于是便跟隨電動機中的轉子進行正轉和反轉，從而帶動模塊的左右移動[8]。

兩相步進電動機的接線方式：本次模型采用的是四線的兩相步進電動機，驅動器按照電動機的標稱電流設定，采用全橋輸出的四線接法。這樣能使得電動機的效率最高，以及輸出的轉矩能夠達到最大值。

2.3 滾珠絲杠

在導軌與模塊的連接中，增加滾珠絲杠。不僅能提高傳動效率，還能減少摩擦損害。滾珠絲杠副由絲杠軸、絲杠螺母及它們之間的滾珠共同組成。由于其利用滾珠產生的運動,需要的啟動力矩很小，所以模塊的運動能得到較高的效率和精度。本文改進的模具還與電動機相結合，更能保證實現精準的進給量和較合適的軸向剛度。

3 凹模的創新點

對比傳統的V形折彎模具，本次改進的模具，改變了以往模具中凹模的固定模式，對其進行以下創新：1）將凹模的斜面改變為滾軸槽結構，使得模具與產品之間的相對摩擦由滑動摩擦改變為滾動摩擦，最大程度上減少滑動摩擦所帶來的折痕或刮痕，實現無痕產品的制造；2）將凹模平均分為等同的左右兩部分模塊，斜面并增加導軌實現其橫向可自由移動，調節開口的大小，從而控制折彎的角度；3）增加由單片機編程控制的兩相步進電動機，帶動所連接的滾珠絲桿進行轉動，實現其凹模移動后的精準定位，這種形式改變了傳統的人工測量及激光筆等工具測距，使得模具更加自動化和智能化；4）模具的改進與創新，不僅擴大模具加工工件的范圍，增強其通用性，而且提高生產效率和使用率。

4 模具的使用

將圖3中的凹模固定于工作臺上，運用51單片機接兩相步進電動機驅動器來調節電動機的參數，選定所需折彎角度的相關參數設定。開啟電源接通電動機，通過電動機帶動滾珠絲杠的正轉和反轉，使2個模塊分別向左右開始移動。當達到參數設定的位置時自動停止，并固定于停止的位置。將板料置于凹模上，啟動凸模向下移動，對板料施加一定的壓力。板料與凹模上的滾軸發生相對滾動，板料向下移動，完成所需角度的無痕折彎。

5 結語

本次改進創新的模具從實用性、經濟性和廣泛性3個角度出發，將傳統的V形折彎模具改進為由兩相步進電動機控制的開口可調的無痕折彎模具。不僅能保證產品的外觀和性能的完整，擴大加工工件的范圍，還能實現一個模具適用于多種產品的生產需求，提高模具的利用率和生產效率。