自力型觸指是高壓開關(guān)最核心的部件。高壓開關(guān)的接通和斷開要依靠觸頭/觸指來實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵部件的壽命決定高壓開關(guān)的壽命，進(jìn)而決定著高壓輸變電網(wǎng)的安全運(yùn)行。W形截面自力型觸指是一種厚板沖壓成形零件，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有兩側(cè)彎曲、中部壓筋、尾端沖孔及端部壓彎特征。成形模具相對復(fù)雜，在保證觸指各成形部位精度的前提下，減少成形工序，降低模具費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率是此類零件的關(guān)鍵成形技術(shù)。本文在對W形截面自力型觸指成形工藝分析的基礎(chǔ)上確立了合理的工藝方案，通過有限元數(shù)值模擬對主要成形工序進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)模具工裝并成形合格零件。

1 W形截面自力型觸指成形工藝分析

    圖1為W形截面自力型觸指示意圖。零件屬細(xì)長件，寬度為16.8mm，料厚3.18mm，從橫截面上B-B可以看出橫向截面有兩個(gè)彎曲，中間壓筋，并且彎曲半徑較小，相對厚度較大，板料在彎曲、壓筋時(shí)會(huì)伴隨局部材料劇烈流動(dòng)，容易引起開裂；R20mm的壓彎成形由于彎曲半徑較大，成形相對容易。

圖1 W形截面自力型觸指

    根據(jù)零件外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可確定以下幾種成形工藝方案：方案1：彎曲、壓筋復(fù)合+壓彎+沖孔：方案2：彎曲、壓筋、沖孔復(fù)合+壓彎；方案3：彎曲、壓筋復(fù)合+壓彎、沖孔復(fù)合；方案4：彎曲+壓筋+壓彎+沖孔復(fù)合。

    從成形零件角度考慮，以上四種方案均可行，方案4為單工序模具，生產(chǎn)效率低，雖然模具結(jié)構(gòu)簡單，但需要四套模具，模具費(fèi)用高；方案1與方案4相比，少了1道工序，但與方案2、3相比，成形工序仍然較多，生產(chǎn)效率低；方案2中，彎曲、壓筋、沖孔在一套模具上復(fù)合成形所需成形壓力較大，對設(shè)備要求較高，不利于中小型企業(yè)生產(chǎn)；而方案3采用彎曲、壓筋復(fù)合，壓彎、沖孔復(fù)合兩套模具，不但生產(chǎn)效率顯著提高，而且可實(shí)現(xiàn)小型設(shè)備加工，適于中小企業(yè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

    綜合以上分析，W形截面自力型觸指零件的成形工藝為彎曲、壓筋復(fù)合+壓彎、沖孔復(fù)合，此方案中彎曲、壓筋復(fù)合成形時(shí)W形截面區(qū)域金屬發(fā)生劇烈變形，易在劇烈變形區(qū)發(fā)生破壞；同時(shí)，由于坯料變形，制件厚度變薄，造成制件某些區(qū)域未與模具充分接觸，制件精度較差，嚴(yán)重時(shí)影響成品自力型觸指的使用性能。為了進(jìn)一步確定成形參數(shù)及成形設(shè)備，采用Deform-3D軟件對彎曲壓筋復(fù)合成形工序進(jìn)行數(shù)值模擬分析。壓彎、沖孔復(fù)合成形時(shí)，彎曲變形金屬變形相對平緩，而沖孔屬于局部沖裁，該工序研究的重點(diǎn)是復(fù)合成形如何實(shí)現(xiàn)，即如何設(shè)計(jì)壓彎、沖孔復(fù)合成形模具。

2 彎曲、壓筋成形有限元數(shù)值分析

    2.1 創(chuàng)建幾何模型

    在SolidWorks軟件中創(chuàng)建自力型觸指彎曲、壓筋復(fù)合成形模具和制件坯料模型，完成裝配，保存成“.STL”格式文件，導(dǎo)入到Deform-3D軟件。

    2.2 網(wǎng)格劃分

    W形截面自力型觸指截面形狀比較復(fù)雜，坯料相對變形較大，為使計(jì)算結(jié)果較好的與實(shí)際情況吻合，在計(jì)算時(shí)間許可下，使網(wǎng)格盡可能小。本模型設(shè)置坯料網(wǎng)格數(shù)為60000個(gè)。

    2.3 材料參數(shù)設(shè)置

    本文所研究的W形截面自力型觸指所用材料為Cu-Cr合金，由于Deform軟件材料數(shù)據(jù)庫不包含Cu-Cr合金，需導(dǎo)人合金性能參數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)中自力型觸指選用的是經(jīng)固溶+冷變形+時(shí)效后的Cu-Cr合金帶材加工而成，本文制備了相同處理?xiàng)l件后的拉伸試樣，在SHIMADZU(島津)AG-1250KN精密萬能試驗(yàn)機(jī)上測試材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，經(jīng)過編輯導(dǎo)入到Deform軟件中。如圖2所示。

圖2 材料性能參數(shù)

    自力型觸指W形截面部位變形較劇烈，容易形成破壞。為了研究自力型觸指成形時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變及破壞情況，在自力型觸指上選擇5個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)跟蹤分析。圖3所示為跟蹤點(diǎn)的位置。

圖3 跟蹤點(diǎn)位置

    2.4 模擬結(jié)果分析

    (1)應(yīng)力、應(yīng)變分析。圖4所示為自力型觸指成形過程中跟蹤點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線。從圖上可以看出，在成形過程中處于圓角部位的點(diǎn)P2、3和P4主要受到拉應(yīng)力的作用，且P2受到的拉應(yīng)力最大。P1部位在成形開始時(shí)就與模具接觸，在成形過程中一直受到上模的壓力作用，因此該點(diǎn)處的應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且在變形不同階段呈現(xiàn)出不規(guī)律的上下波動(dòng)趨勢。P5部位在成形初始階段不與模具接觸，產(chǎn)生變形較小應(yīng)力幾乎為0；在成形中期階段固定端平面發(fā)生彎曲變形，該點(diǎn)由于受到內(nèi)力作用產(chǎn)生拉應(yīng)力，在不同成形階段拉應(yīng)力值呈現(xiàn)出上下波動(dòng)趨勢。自力型觸指成形終了階段由于受到模具的壓力作用，P1、2、4和5均表現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)；而P3處應(yīng)力值大于0，說明該處未與模具接觸，沒有受到模具的壓力作用。

圖4 跟蹤點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線

    圖5所示為自力型觸指成形過程中跟蹤點(diǎn)的應(yīng)變變化曲線。從圖中可以看出，各點(diǎn)應(yīng)變均隨著變形程度的增加而不斷升高；在成形終了時(shí)，位于W截面部位的P1、2和P3的應(yīng)變高于靠近固定端的P4和P5的應(yīng)變，說明W截面部位的變形較為劇烈；同時(shí)處于W截面圓角部位的P2和P3的應(yīng)變高于P1應(yīng)變，說明W截面區(qū)域圓角部位是變形最劇烈的部位。

圖5 跟蹤點(diǎn)的應(yīng)變變化曲線

    (2)上、下模具與零件接觸情況分析。自力型觸指的接觸面是平面，觸頭的接觸面是圓柱面，觸指與觸頭之間的接觸是線接觸。當(dāng)自力型觸指加工精度較低時(shí)，接觸平面就難以保證，原來的接觸平面就可能形成曲面，這時(shí)觸指與觸頭之間的接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸或不接觸（如圖6所示），嚴(yán)重影響自力型觸指的通流能力。因此，沖壓成形時(shí)，應(yīng)保證自力型觸指具有較高的尺寸精度，以滿足其使用工況要求。

圖6 加工精度較低的自力型觸指與觸頭裝配示意圖

    本文通過分析自力型觸指成形零件與模具的接觸情況，當(dāng)零件與模具充分接觸時(shí)，就可以保證自力型觸指的接觸平面精度：當(dāng)零件與模具接觸不充分時(shí)，就可能形成接觸曲面。圖7(a)為模具正、反面分別與上、下模具接觸情況。從圖可以看出，模具圓角半徑為2.32mm時(shí)W形截面區(qū)域的過渡圓角處，零件與模具未充分接觸，其他區(qū)域充分接觸。因此，需要對成形模具進(jìn)行參數(shù)修正。圖7(b)為圓角半徑2.7mm時(shí)觸指零件與模具接觸情況。從圖可以看出，當(dāng)圓角半徑為2.7mm時(shí)，零件正、反面均與模具充分接觸，零件尺寸精度得到保證。

圖7 零件與模具之間的接觸點(diǎn)分析

3 成形模具設(shè)計(jì)

    根據(jù)自力型觸指成形工藝，需設(shè)計(jì)2套成形模具，即彎曲、壓筋復(fù)合模和壓彎、沖孔復(fù)合模。彎曲、壓筋復(fù)合模所需模具行程較短，模具采用板式結(jié)構(gòu)，不設(shè)計(jì)卸料裝置，零件成形后，可使用手動(dòng)工具將其取出。為了提高零件質(zhì)量，設(shè)計(jì)了導(dǎo)柱導(dǎo)套。彎曲壓筋復(fù)合模模具結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 彎曲壓筋復(fù)合模

    壓彎、沖孔復(fù)合模采用正裝式設(shè)計(jì)，凸凹模在上模，彎曲凹模和沖孔凸模在下模。工作時(shí)上模下行，凸凹模與組合凹模進(jìn)行壓彎，接近彎曲終了時(shí)，沖孔凸模與凸凹模內(nèi)孔進(jìn)行沖孔，沖孔廢料卡在凸凹模模孔內(nèi)，卡在彎曲凹模中的零件由頂件裝置從凹模中頂出：卡在凸凹模中的沖孔廢料由推件裝置推出。每沖裁一次，沖孔廢料被推下一次。

    凸凹模�？變�(nèi)不積存廢料，脹力小，不易破裂。可以看出，正裝式復(fù)合模工作時(shí)，板料是在壓緊的狀態(tài)下分離，因此沖出的零件平直度較高。壓彎、沖孔復(fù)合模模具結(jié)構(gòu)及制件如圖9所示。

圖9 彎曲沖孔復(fù)合模及制件

4 結(jié)論

    本文對自力型觸指進(jìn)行工藝分析及有限元數(shù)值模擬，重點(diǎn)模擬分析了零件在彎曲壓筋成形工序中坯料的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)，上下模與坯料的接觸情況，為改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，提高制件精度和提高模具壽命提供依據(jù)；設(shè)計(jì)了兩套成形模具，最終成形出合格制件。

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