自力型触指是高压开关最核心的部件。高压开关的接通和断开要依靠触头/触指来实现，关键部件的寿命决定高压开关的寿命，进而决定着高压输变电网的安全运行。W形截面自力型触指是一种厚板冲压成形零件，零件结构复杂，具有两侧弯曲、中部压筋、尾端冲孔及端部压弯特征。成形模具相对复杂，在保证触指各成形部位精度的前提下，减少成形工序，降低模具费用，提高生产效率是此类零件的关键成形技术。本文在对W形截面自力型触指成形工艺分析的基础上确立了合理的工艺方案，通过有限元数值模拟对主要成形工序进行分析，设计模具工装并成形合格零件。
1 W形截面自力型触指成形工艺分析
图1为W形截面自力型触指示意图。零件属细长件，宽度为16.8mm，料厚3.18mm，从横截面上B-B可以看出横向截面有两个弯曲，中间压筋，并且弯曲半径较小，相对厚度较大，板料在弯曲、压筋时会伴随局部材料剧烈流动，容易引起开裂；R20mm的压弯成形由于弯曲半径较大，成形相对容易。
图1 W形截面自力型触指
根据零件外形结构特点，可确定以下几种成形工艺方案：方案1：弯曲、压筋复合+压弯+冲孔：方案2：弯曲、压筋、冲孔复合+压弯；方案3：弯曲、压筋复合+压弯、冲孔复合；方案4：弯曲+压筋+压弯+冲孔复合。
从成形零件角度考虑，以上四种方案均可行，方案4为单工序模具，生产效率低，虽然模具结构简单，但需要四套模具，模具费用高；方案1与方案4相比，少了1道工序，但与方案2、3相比，成形工序仍然较多，生产效率低；方案2中，弯曲、压筋、冲孔在一套模具上复合成形所需成形压力较大，对设备要求较高，不利于中小型企业生产；而方案3采用弯曲、压筋复合，压弯、冲孔复合两套模具，不但生产效率显著提高，而且可实现小型设备加工，适于中小企业产业化生产。
综合以上分析，W形截面自力型触指零件的成形工艺为弯曲、压筋复合+压弯、冲孔复合，此方案中弯曲、压筋复合成形时W形截面区域金属发生剧烈变形，易在剧烈变形区发生破坏；同时，由于坯料变形，制件厚度变薄，造成制件某些区域未与模具充分接触，制件精度较差，严重时影响成品自力型触指的使用性能。为了进一步确定成形参数及成形设备，采用Deform-3D软件对弯曲压筋复合成形工序进行数值模拟分析。压弯、冲孔复合成形时，弯曲变形金属变形相对平缓，而冲孔属于局部冲裁，该工序研究的重点是复合成形如何实现，即如何设计压弯、冲孔复合成形模具。
2 弯曲、压筋成形有限元数值分析
2.1 创建几何模型
在SolidWorks软件中创建自力型触指弯曲、压筋复合成形模具和制件坯料模型，完成装配，保存成“.STL”格式文件，导入到Deform-3D软件。
2.2 网格划分
W形截面自力型触指截面形状比较复杂，坯料相对变形较大，为使计算结果较好的与实际情况吻合，在计算时间许可下，使网格尽可能小。本模型设置坯料网格数为60000个。
2.3 材料参数设置
本文所研究的W形截面自力型触指所用材料为Cu-Cr合金，由于Deform软件材料数据库不包含Cu-Cr合金，需导人合金性能参数。实际生产中自力型触指选用的是经固溶+冷变形+时效后的Cu-Cr合金带材加工而成，本文制备了相同处理条件后的拉伸试样，在SHIMADZU(岛津)AG-1250KN精密万能试验机上测试材料应力应变曲线，经过编辑导入到Deform软件中。如图2所示。
图2 材料性能参数
自力型触指W形截面部位变形较剧烈，容易形成破坏。为了研究自力型触指成形时应力、应变及破坏情况，在自力型触指上选择5个点，进行点跟踪分析。图3所示为跟踪点的位置。
图3 跟踪点位置
2.4 模拟结果分析
(1)应力、应变分析。图4所示为自力型触指成形过程中跟踪点的应力变化曲线。从图上可以看出，在成形过程中处于圆角部位的点P2、3和P4主要受到拉应力的作用，且P2受到的拉应力最大。P1部位在成形开始时就与模具接触，在成形过程中一直受到上模的压力作用，因此该点处的应力主要表现为压应力，且在变形不同阶段呈现出不规律的上下波动趋势。P5部位在成形初始阶段不与模具接触，产生变形较小应力几乎为0；在成形中期阶段固定端平面发生弯曲变形，该点由于受到内力作用产生拉应力，在不同成形阶段拉应力值呈现出上下波动趋势。自力型触指成形终了阶段由于受到模具的压力作用，P1、2、4和5均表现为压应力状态；而P3处应力值大于0，说明该处未与模具接触，没有受到模具的压力作用。
图4 跟踪点的应力变化曲线
图5所示为自力型触指成形过程中跟踪点的应变变化曲线。从图中可以看出，各点应变均随着变形程度的增加而不断升高；在成形终了时，位于W截面部位的P1、2和P3的应变高于靠近固定端的P4和P5的应变，说明W截面部位的变形较为剧烈；同时处于W截面圆角部位的P2和P3的应变高于P1应变，说明W截面区域圆角部位是变形最剧烈的部位。
图5 跟踪点的应变变化曲线
(2)上、下模具与零件接触情况分析。自力型触指的接触面是平面，触头的接触面是圆柱面，触指与触头之间的接触是线接触。当自力型触指加工精度较低时，接触平面就难以保证，原来的接触平面就可能形成曲面，这时触指与触头之间的接触变为点接触或不接触（如图6所示），严重影响自力型触指的通流能力。因此，冲压成形时，应保证自力型触指具有较高的尺寸精度，以满足其使用工况要求。
图6 加工精度较低的自力型触指与触头装配示意图
本文通过分析自力型触指成形零件与模具的接触情况，当零件与模具充分接触时，就可以保证自力型触指的接触平面精度：当零件与模具接触不充分时，就可能形成接触曲面。图7(a)为模具正、反面分别与上、下模具接触情况。从图可以看出，模具圆角半径为2.32mm时W形截面区域的过渡圆角处，零件与模具未充分接触，其他区域充分接触。因此，需要对成形模具进行参数修正。图7(b)为圆角半径2.7mm时触指零件与模具接触情况。从图可以看出，当圆角半径为2.7mm时，零件正、反面均与模具充分接触，零件尺寸精度得到保证。
图7 零件与模具之间的接触点分析
3 成形模具设计
根据自力型触指成形工艺，需设计2套成形模具，即弯曲、压筋复合模和压弯、冲孔复合模。弯曲、压筋复合模所需模具行程较短，模具采用板式结构，不设计卸料装置，零件成形后，可使用手动工具将其取出。为了提高零件质量，设计了导柱导套。弯曲压筋复合模模具结构如图8所示。
图8 弯曲压筋复合模
压弯、冲孔复合模采用正装式设计，凸凹模在上模，弯曲凹模和冲孔凸模在下模。工作时上模下行，凸凹模与组合凹模进行压弯，接近弯曲终了时，冲孔凸模与凸凹模内孔进行冲孔，冲孔废料卡在凸凹模模孔内，卡在弯曲凹模中的零件由顶件装置从凹模中顶出：卡在凸凹模中的冲孔废料由推件装置推出。每冲裁一次，冲孔废料被推下一次。
凸凹模模孔内不积存废料，胀力小，不易破裂。可以看出，正装式复合模工作时，板料是在压紧的状态下分离，因此冲出的零件平直度较高。压弯、冲孔复合模模具结构及制件如图9所示。
图9 弯曲冲孔复合模及制件
4 结论
本文对自力型触指进行工艺分析及有限元数值模拟，重点模拟分析了零件在弯曲压筋成形工序中坯料的应力应变特点，上下模与坯料的接触情况，为改进模具结构，提高制件精度和提高模具寿命提供依据；设计了两套成形模具，最终成形出合格制件。
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本文标题：W形截面自力型触指成形模拟及模具设计
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