某托架沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)

陳穎櫻

1 引言

沖壓工藝近年來(lái)有許多的新發(fā)展，精密沖壓件使用越來(lái)越廣泛的，由平板精沖件延伸到精密的彎曲，拉伸和三維精密成形等。另外，探究極限及成形性能，發(fā)展沖壓件成形難度的分析預(yù)告技術(shù)，都標(biāo)志著我國(guó)的沖壓成形技術(shù)已從以前的經(jīng)驗(yàn)階段，嘗試分析階段入手走上科學(xué)的沖壓指導(dǎo)階段。為了適應(yīng)零件的大批量生產(chǎn)并且保證其高質(zhì)量，各種自動(dòng)送料，卸料機(jī)構(gòu)被普遍使用在各種各樣模具或者設(shè)備上面。在生產(chǎn)大批量的中、小沖壓件方面，現(xiàn)已普泛使用高速壓力機(jī)，多工位級(jí)進(jìn)?；蚨喙の粔毫C(jī)。

隨著中國(guó)工業(yè)的發(fā)展，工藝的復(fù)雜化、沖壓制件類型，我們發(fā)現(xiàn)，以往的手工已逐步由自動(dòng)送料取代。因?yàn)槭謩?dòng)送料效率比較低，而且速度比較慢，特別是安全方面是要特別注意的。因此只有采取自動(dòng)送料裝置可以很好提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量。沖壓生產(chǎn)的自動(dòng)化主要的是包括沖裁料傳送、零件或者廢料從模具中排出凸模，凹模的更換，還得調(diào)整沖床當(dāng)機(jī)器遇到緊急情況時(shí)會(huì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，只有這些技術(shù)應(yīng)用到模具加工過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)，才是實(shí)現(xiàn)模具生產(chǎn)的自動(dòng)化。自動(dòng)送料機(jī)是關(guān)鍵的部分，沒(méi)有自動(dòng)送料機(jī)如何達(dá)成自動(dòng)送料裝置的工作原理是將材料按照步距一個(gè)一個(gè)傳送，然后送到指定地點(diǎn)完成在該位置的工作。例如：沖孔，彎曲等等。在級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)中，有多種送料裝置：輥式的、夾持式等。

2 工藝分析

2.1 零件介紹

2.1.1 托架零件

托架零件是一個(gè)尺寸較小的零件，見(jiàn)圖1所示。依據(jù)零件圖上標(biāo)注的尺寸大小，以及零件的精度要求，選用的是IT10級(jí)的精度，一般而言普通沖裁完全可以沖出來(lái)。零件材料Q235鋼，因?yàn)榫C合性能較好，，塑形性能較好，強(qiáng)度性能較好，而且含碳適中，用途很是普遍。并且零件形狀比較簡(jiǎn)單，翻孔多，彎曲部分形成較小，普通的彎曲難以實(shí)現(xiàn)。

圖1 托架零件

1mm厚度的材料零件，要求大量生產(chǎn)。從托架零件圖中分析其零件結(jié)構(gòu)，該零件展開(kāi)圖是一個(gè)類似于"T"字形零件，中間有兩個(gè)圓孔和一個(gè)翻孔，外加一個(gè)彎曲，由于帶有翻孔，排樣的時(shí)候要特別注意翻孔部分，防止卡死在模具里以及最后材料如何脫離模具，如圖2所示。

圖2 托架展開(kāi)圖

2.1.2 托架零件3D造型

托架零件通過(guò)UG進(jìn)行三維造型，如圖3所示。零件彎曲的部分具體視圖，如圖4所示。

圖3 托架三維圖

圖4 托架彎曲部分視圖

綜合考慮，要完成該零件的生產(chǎn)預(yù)計(jì)需通過(guò)多次沖裁、落料、彎曲和切邊等工序。為提高生產(chǎn)效率，本文將采用多工位級(jí)進(jìn)沖壓工藝生產(chǎn)零件。

2.2 工藝分析及工藝方案的確定

2.2.1 工藝分析

沖裁工藝性：零件原料為Q235鋼，力學(xué)性能良好，厚度1mm材料屬于薄膜材料。沖壓部分包括孔部分和外部剩余材料，沖壓性能好，尺寸精度低。

彎曲的工藝性：彎曲半徑、孔邊距等會(huì)影響彎曲件的工藝性。零件彎曲的部分左右一致，確保彎曲板的物料平衡，防止偏移量的產(chǎn)生。同時(shí)Q235材料的力學(xué)性能較好，彎曲工藝性好。

翻孔的工藝性：影響翻孔件的主要原因有翻孔的角度，半徑，徑向力等必須先預(yù)沖孔，同樣材料性能要良好。

綜合考慮，該零件主要可以分為四個(gè)工藝:(1)沖孔；(2)翻孔；(3)落料；(4)彎曲。各個(gè)工藝其實(shí)還是有點(diǎn)難度，第一個(gè)沖孔工藝主要是沖一些圓孔，例如：零件上的兩個(gè)孔，導(dǎo)正銷孔，翻孔用的預(yù)沖孔和八個(gè)沖裁孔；第二個(gè)翻孔那個(gè)工藝中對(duì)于材料的要求較低，此外零件對(duì)落料工藝的要求比較低料孔容易與鑲塊相干涉；最后一個(gè)彎曲工藝,因?yàn)槭菍?duì)稱的要考慮他的回彈，是否容易卡住所以需要設(shè)計(jì)推桿

2.2.2 工藝方案的確定

上述過(guò)程的全面分析，制定以下方案：

方案一：采用單工序模；

方案二：復(fù)合模；

方案三：采用級(jí)進(jìn)模。

表1 各類模具結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)比較

該零件形狀簡(jiǎn)單，但需通過(guò)多次沖裁、彎曲、翻孔等工序才能完成，并且還要求大批量生產(chǎn)，所以不能采用單工序模；復(fù)合模雖然生產(chǎn)效率高，但帶有彎曲，并且彎曲半徑較小需整形等，所以不用復(fù)合模；級(jí)進(jìn)模可減少模具和設(shè)備的數(shù)量，自動(dòng)送料，生產(chǎn)效率高，更好的安全性和材料的厚度小，在大批量生產(chǎn)中效果很好，所以它可以用在級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)。

2.3 壓力中心的確定

壓力中心是指沖壓力合力的作用點(diǎn)。為了能使沖模能安全的加工沖裁，沖模的壓力中心應(yīng)該和模柄中心重合，以及和壓力機(jī)的滑塊中心線相重合，這樣很好的減少導(dǎo)向零件的損耗，提高模具和壓力機(jī)的使用壽命，避免壓力機(jī)導(dǎo)軌的磨損及壓力機(jī)的精度。

x0=(L1x1+L2x2+L3x3+…+Lnxn)/(L1+L2+L3+…Ln)

(2.6)

y0=(L1x1+L2x2+L3x3+…+Lnxn)/(L1+L2+L3+…Ln)

(2.7)

式中

x、y——坐標(biāo)數(shù)值，

L——工件的輪廓。

因此可以計(jì)算出：

x0=175mm；

y0=101mm

對(duì)模具中心 (175mm,101mm),通過(guò)沖壓力的平衡我們可知：在排樣時(shí)沖壓加工的壓力中心應(yīng)與模具中心盡可能一致，當(dāng)然最好在同一點(diǎn)上。但實(shí)際情況中是不完全吻合，往往有一點(diǎn)點(diǎn)偏差。

因此，沖模壓力中心滿足設(shè)計(jì)要求。

3 排樣圖的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)時(shí)，排樣圖的設(shè)計(jì)是級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要依據(jù)。在某方面說(shuō)派楊圖設(shè)計(jì)的好壞直接影響著整體的設(shè)計(jì)，假如排樣圖的設(shè)計(jì)是錯(cuò)誤的的，零件將無(wú)法加工出來(lái)甚至損壞機(jī)器。排樣圖一旦確定，也就確定了被沖制零件各部分在模具中的沖裁順序、模具有多少個(gè)工位、零件的排樣方式、模具的步距的大小、載體形式的設(shè)計(jì)形式等一系列問(wèn)題。

3.1 零件毛坯排樣

(1)由于零件的翻孔和彎曲，故排出這樣對(duì)稱的排樣方案如圖5所示：

圖5 零件排樣圖

從托架形狀可以看出，此零件一邊只需要一次彎曲，并且需要對(duì)稱排，所以考慮級(jí)進(jìn)成形，但是這樣排樣方式材料利用率不是很高，并且由于工件的彎曲和翻孔不方便自動(dòng)送料機(jī)送料，所以考慮翻孔的一邊朝上，因?yàn)榇朔N方式適用于工位較少有彎曲有翻孔的零件，同時(shí)對(duì)稱排可以同時(shí)出兩個(gè)零件，因此排樣方式可以采用。

(2)考慮零件的側(cè)排方式，如圖6所示。

圖6 零件排樣圖

該排樣雖然可以得到很高的材料利用率，由零件形狀可以看出，此零件則變?yōu)榱嗽趥?cè)邊彎曲的零件，考慮到我們需要級(jí)進(jìn)模成形，但是此排樣相對(duì)上面的對(duì)稱排利用率還是低同樣生產(chǎn)兩件零件不僅耗時(shí)而且耗材料。

通過(guò)上述兩種排樣的比較，發(fā)現(xiàn)第一種排樣更具有優(yōu)勢(shì)，并且設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單。

3.2 工位排樣

多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是多工位級(jí)進(jìn)模的工序排樣設(shè)計(jì)，它是決定級(jí)進(jìn)模優(yōu)劣的主要因素之一。根據(jù)以上的分析零件的要求和工藝特點(diǎn),設(shè)計(jì)多工位級(jí)進(jìn)模工序排樣方案。如圖7所示：

圖7 工位二維排樣圖

其具體工位設(shè)定如下：

工位1 沖孔翻孔預(yù)沖孔沖導(dǎo)正孔

工位2 翻孔

工位3 沖異形孔

工位4 沖方形孔

工位5 切邊

工位6 切邊2

工位7 彎曲

工位8 切斷

圖8 工位三維排樣圖

3.3 排樣相關(guān)參數(shù)的確定

3.3.1 步距

步距是沖壓過(guò)程種條料每沖裁一次，條料在模具上向前送進(jìn)的距離，其值舊市排樣是沿進(jìn)給方向的兩個(gè)相鄰的空白之間的最小距離值。

S=L+a

(3.1)

式中

S——沖裁的步距；

L——沿著條料送進(jìn)方向，毛坯的最大外形尺寸；

a——沿著送進(jìn)方向的搭邊值；

由于此排樣的特殊性，零件的材料得到有效的利用，L并不是零件的最大值，為計(jì)算方便，理想的整數(shù)，這一步是確定為：L= 22mm，a= 4mm，得到：S=L+a= 26mm，其中：S取整，S=26mm。

3.3.2 條料寬度

條料寬度指根據(jù)排樣的結(jié)果確定的毛坯所需條料的寬度方向的最小尺寸。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]公式，條料寬度可按下式計(jì)算：

B=D+2b+δ

(3.2)

式中

B——條料寬度的理論值

D——垂直于送料方向毛坯的最大輪廓尺寸，它隨毛坯排樣的方位變化

b——側(cè)搭邊值

δ——條料與板料之間的間隙

該零件條料寬度的確定：

B=27.5 + 2×4.65 + 3.2=40mm

3.3.3 定距方式

級(jí)進(jìn)模的定距方式有好多種，例如：側(cè)刃定距、定位釘定距、導(dǎo)正釘定距和送料機(jī)構(gòu)定距等四種，適用于不同的場(chǎng)合，同樣它們也可以單獨(dú)使用，它們也可以互相配合著使用,當(dāng)然相互配合使用會(huì)更好。根據(jù)前面我們對(duì)該工件的成型工藝分析，由于工序較少，故此在本模具中采用自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)和導(dǎo)正銷作精定距，可以滿足在高速?zèng)_床上連續(xù)自動(dòng)作業(yè)。

3.3.4 材料利用率

材料的利用率是指沖裁件的實(shí)際面積與所用板料面積的百分比，它是評(píng)價(jià)是否合理利用材料的重要指標(biāo)之一。

材料的利用率根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]公式可知

η=A/(BS)×100%

(3.3)

式中

η——材料的利用率

A——產(chǎn)品的外形面積

B——條料的寬度

S——沖裁的步距

該零件材料利用率為：η=43.4%

4 模具總體結(jié)構(gòu)

托架級(jí)進(jìn)模具裝配圖如圖所示：

1-下模座 2-螺釘 3-銷釘 4-墊板 5-凹模固定板 6-承料板7-導(dǎo)料板 8-螺釘 9-卸料板 10-卸料板背12-凸模固定板13-墊板、14-上模座 15、16、17、18、20、21、22、25、-凸模19-導(dǎo)正銷 23-模柄24-止轉(zhuǎn)銷 25-螺釘27、31、32、33、34、35、36、37、38、47、46-凹模鑲塊 28-浮頂器 29-彈簧 30-螺塞39-導(dǎo)套 40-小導(dǎo)柱41-彎曲凸模 42-卸料螺釘 43-彈簧44-銷釘45-螺釘46-導(dǎo)柱47-彈簧

圖9 模具總裝圖

4.1 模具結(jié)構(gòu)

該模具是一套九工位的級(jí)進(jìn)模(圖9)，閉合高度為231mm，模具長(zhǎng)400mm，寬125mm，步距26mm。模具通過(guò)自動(dòng)送料裝置定位，導(dǎo)正銷精定位，利用18個(gè)浮頂器完成送料，完成沖孔、翻孔、彎曲、落料等一系列工序。模具采用剛性滾動(dòng)四導(dǎo)柱鋼板模架，模板內(nèi)裝四個(gè)小導(dǎo)柱作為內(nèi)導(dǎo)向。凸模固定板12用于安裝所有彎曲凸模、沖孔落料凸模；凹模固定板4用于安裝所有彎曲凹模鑲塊、沖孔落料凹模鑲塊等；卸料板9與凸模固定板12之間用小導(dǎo)柱進(jìn)行導(dǎo)向；模具采用彈性卸料提供卸料力。

4.2 模具工作過(guò)程

該設(shè)計(jì)的是一個(gè)沖裁翻孔彎曲多工位級(jí)進(jìn)模，模具的工作原理闡述如下：合模時(shí)，條料從左到右送進(jìn)后借助導(dǎo)料板進(jìn)首次定位,在第一個(gè)工位進(jìn)行沖孔，沖出兩遍導(dǎo)正孔。第二個(gè)工位進(jìn)行沖裁圓孔和翻孔預(yù)沖孔。第三個(gè)工位為翻孔，從第四工位開(kāi)始主要是外形余料的沖切，如一些異形槽，異形孔，這一些部分對(duì)凸凹模的尺寸要求都比較嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)定位的要求也比較高，可以依靠?jī)蛇叾ㄎ讳N來(lái)定位。第八個(gè)工位是彎曲，彎曲是90°的彎曲角，但由于彎曲容易卡住，所以我設(shè)計(jì)了一個(gè)推桿，保證彎曲和送料的順利進(jìn)行。最后一工位沖裁將產(chǎn)品頂出落料。之后在彈簧力的作用下使零件分離，特別是兩次斜楔機(jī)構(gòu)彎曲，為了方便斜楔機(jī)構(gòu)和凸凹模的安裝，在前后都留有空工位。隨著上模的下行，凹模板抵住卸料板，這時(shí)卸料板起來(lái)壓料作用，凸模逐漸進(jìn)入凹模，同時(shí)，沖裁、彎曲等各工序同時(shí)完成，模具閉合時(shí)沖裁工位上板料分離，由下模座上的孔直接落下。開(kāi)模時(shí)，模具的下模移動(dòng)，保持原位，彈性卸料板在彈簧力的作用下，順利返回。同時(shí)，卸料板將卡住的工件從凸模往下推出。彈性卸料板上升浮動(dòng)至工件成形的最大高度12mm，卸料螺釘將局限其不斷的上行。下模座中抬料部分的彈簧在上模上行過(guò)成形最大高度時(shí)彈簧都恢復(fù)其預(yù)壓縮的高度，抬料釘處于最高位置，成形部位所有都頂出。而上模繼續(xù)向上頂時(shí)，開(kāi)模行程終了。

4.3 卸料機(jī)構(gòu)

在工件平直度較高，厚度為1mm較薄，卸料力小，彈簧脫模卸模比剛性更方便，可以看見(jiàn)條料在模具中的送進(jìn)動(dòng)態(tài)，且彈性卸料板對(duì)工件施加的是柔性力，工件表面不會(huì)損傷，所以使用彈性卸載。該模具的設(shè)計(jì)中卸料方式采用的是彈性卸料。卸料板與彈性卸料板各加工形孔應(yīng)當(dāng)與凹模形孔同心。這個(gè)要求應(yīng)該從模具設(shè)計(jì)和工藝保證。另外，卸料板的各形孔與對(duì)應(yīng)凸模的配合間隙比對(duì)應(yīng)凸模與固定板的間隙小，從而引導(dǎo)和保護(hù)沖床，但差距較小，導(dǎo)向效果越高，模具的壽命相對(duì)較高，但相應(yīng)的制造難度較大。現(xiàn)在模具的加工技術(shù)發(fā)展的也很快，可以用線切割加工其實(shí)就完全可以達(dá)到我們所要求的。

圖10 卸料板

5 結(jié)論

某托架沖壓模具設(shè)計(jì)及改進(jìn)包含有整形、沖孔、落料、彎曲等工位的級(jí)進(jìn)模。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，沖裁部分應(yīng)盡量遵循由小向大，由中間到兩邊的沖裁順序；托架的外形比較復(fù)雜，而且零件小而薄，經(jīng)過(guò)多次沖裁，將復(fù)雜的外形劃分成相對(duì)比較簡(jiǎn)單的形狀，這樣關(guān)鍵解決了凸模設(shè)計(jì)的強(qiáng)度問(wèn)題，也提高的模具的互換性。