一种钢丝零件的螺旋弯曲模

摘　要：螺旋弯曲模用于金属线材弯曲成形。凹模呈筒形带有衣领状的螺旋面。

　　关键词：螺旋弯曲　模具结构　受力分析▲

　　螺旋弯曲模具有结构简单、工作可靠、易于维修的特点。本模具加工的工件是挂环，大批量生产，如图1所示。图中a、b、c、d、e、f、g是工件弯曲的分段点。工件材料是直径为φ1.6mm的低碳钢丝。

图 1　挂环零件

　　一、模具的结构和工作过程

　　模具结构如图2所示。模具采用导板结构，主要工作零件是凸模5和螺旋凹模8。凸模和凹模的形状与工件形状相同，见图2俯视图。

　　1.圆形带柄上模座　2.垫板　3.凸模固定板　4.切断凸模
　　5.凸模　6.导板　7.可调定位钉　8.螺旋凹模　9.右立板
　　10.左立板　11.凹模固定板　12.下模座

图 2　模具结构图

　　模具工作过程：钢丝从右立板9的进料孔中插入，将钢丝顶在可调定位钉7凹入的端面内。上模座下行，切断凸模4与右立板9将钢丝切断，同时，凸模5与螺旋凹模8将钢丝夹持住，上模座继续下行，钢丝的左、右两段分别紧贴在螺旋凹模8的左、右两段螺旋面上，随着凸模的下行，钢丝在螺旋面侧向力的作用下缠绕在凸模5下部的凸台上。凸模5到达下止点时，已弯曲成形的工件从模具底孔中漏出。模具与工件脱离后，进入回程阶段。工件成形过程如图3所示。

图 3　工件形成过程

　　二、模具设计要点

　　1.受力分析

　　凹模8是带螺旋面的圆筒形元件。当凸模5下行时其与凹模8之间的钢丝受到三个力的作用，即凸模5的压力V、凹模8斜面的压力N、摩擦力F，如图4所示。当螺旋角α值较小时，如图中α1所示，此时摩擦力增大，钢丝处于自锁状态，显然要受到剪切力而被剪断。当α角较大(约为50°～70°)时摩擦力变得很小，钢丝受到力V和力N的合力作用，向右运动，可使钢丝缠在凸模5下部的凸台上。

图 4　螺旋弯曲模的受力分析

　　2.弯曲过程

　　挂环零件是由三段圆弧和三段直线组成的。cd段是R16的圆弧，bc和de两段是R5的小圆弧。ab段和ef段是直线，在这两段中没有弯曲动作。所以在完成de段弯曲后，下一步是f点的120°弯曲。f点的弯曲是靠凹模8右侧的外表面螺旋面完成的。凹模8结构见图5。

图 5　凹模结构

　　3.回弹的分析与计算

　　根据有关的回弹计算公式，计算出需要缩小的弯曲半径，再通过实验验证、修正，得出图6所示的凸模5与凹模8的实际尺寸。其中图6a为凸模尺寸，图6b为凹模尺寸。

图 6　凸模与凹模的实际尺寸

　　4.螺旋凹模与凸模的设计

　　螺旋凹模8呈圆筒状，内部横截面水平投影的形状与凸模5相同，外部采用圆柱面。设计螺旋凹模8，首先确定内表面的曲线。所加工零件的形状一般是由圆弧和直线组成，显然直线部分不用弯曲，对于圆弧部分的内表面曲线，先要确定螺旋升角。螺旋升角一般取50°～70°。当螺旋角确定后，凹模内表面曲线就是一段螺旋线，若将内表面展开为平面，内表面曲线就是一条倾角α的直线，如图1所示的工件是由3段圆弧和3段直线组成的。可以计算出cd段圆弧的圆心角是79.06°，圆弧长度是22.08mm；bc和de段圆弧的圆心角相等，它们都是110.47°，圆弧长度，均为9.64mm。确定螺旋升角后，用L表示圆弧长度，则凸模5在弯曲该段圆弧时所需的行程S为：

　　S＝Ltanα

　　弯曲工件由若干段圆弧组成，设计时分段确定螺旋角，计算出每段弯曲所需的行程。进而计算出凸模5的总行程。

　　如图7所示，cd段圆弧分为左、右两段，每段的弧长均为11.04mm。螺旋升角取50°，则cd左、右两段的凸模行程均为13.16mm。

图 7　螺旋凹模内表面曲线展开图

　　de段圆弧螺旋升角取63°，则de段凸模行程为18.91mm。

　　由于ef和ab两直线部分在弯曲会合时，f点还是直线，所以会发生干涉，为此要使ab段先弯曲到位，然后ef段才能弯曲到位。所以bc段圆弧的升角取60°。其凸模行程为9.64mm。

　　f点的120°弯曲由凹模右半部外侧表面完成，此段弯曲半径很小，其在凹模外表面的螺旋升角取50°，可以算出其凸模行程为14.46mm。

　　完成工件左半部弯曲的总程为13.16＋18.91＋14.46＝46.53(mm)，右半部的凸模行程计算不再赘述。再考虑凸模固定板和导板的厚度和其它因素，凸模总长度为85mm。

　　凹模工作部分的外径取40mm。

　　凸模下端的工作部位是用平面和曲面工作的，故不用加工成圆角，也不用刃磨。

　　用上述方法确定了螺旋凹模的内表面曲线。然后，用下面方法确定螺旋面：在凹模的任一横截面上都有内表面曲线上的一个点，过该点，在横截面上作圆弧曲线的切线，切线的长度到凹模外圆柱表面为止，若以足够的密度作出许多切线，则切线的集合就是螺旋面。

　　5.进料口高度　按剪切过程分析，被剪断的钢丝，在切断行程达到40%时断裂、分离。在完成分离时钢丝的底线应到达螺旋面开始的部位，并刚好被凸模压紧，由此可以确定凸模、凹模、切断凸模和进料口的相对位置。