圓柱銷沖扁方孔模具設(shè)計改進

王 明

（南京登煜機械設(shè)備制造有限公司，江蘇南京211800）

1 設(shè)計背景

棒料圓柱面上開方孔的方法有很多種，比如線切割、電火花，但效率都不高成本卻很高，不適合大批量的生產(chǎn)?，F(xiàn)實生產(chǎn)中都是用壓力機配合沖孔模具進行大批量生產(chǎn)，在自由鍛上完成沖孔。對于小型的鍛件，沖頭是靠手工用鉗子夾到工件上沖孔，當加工大型鍛件的大孔的時候沖頭較大，靠手工夾鉗固定沖頭不安全,隱患多，工人的勞動強度大，生產(chǎn)效率低而且孔的加工精度也很難保證。摩擦壓力機出現(xiàn)以后，配合相應的模具，克服了鍛錘的不足之處，生產(chǎn)效率明顯提高。然而，隨著科技的進步，冶煉技術(shù)的提高，新型沖床的出現(xiàn)，高效率的機械為主的加工方式極大地沖擊了傳統(tǒng)手工為主的生產(chǎn)方式。無論從生產(chǎn)效率還是從安全因素考慮，隨時的改進勢在必行，一刻不能停滯［1］。

2 傳統(tǒng)壓力機模具設(shè)計

2.1 摩擦壓力機特點

摩擦壓力機是一種采用摩擦驅(qū)動方式的螺旋壓力機，又稱雙盤摩擦壓力機，依靠飛輪與摩擦片的接觸傳動，借助螺桿與螺母的相對運動完成工作，把摩擦盤的圓周運動轉(zhuǎn)化為螺旋的上下直線運動。摩擦壓力機的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉，應用十分廣泛，可用于各行各業(yè)，廣泛應用于耐火磚、機械制造、汽車沖壓等行業(yè)，可完成模鍛、鐓鍛、彎曲、校正、精壓等工作。但也存在著能耗大、易損失、效率低、勞動強度大、安全系數(shù)低等缺點。

2.2 模具動作原理

根據(jù)摩擦壓力機的這些特點設(shè)計出模具，如圖1所示。

當上模升到極限位置時，打開卡模1，裝入胚料，使之與卡模1上的可調(diào)限位裝置頂靠，圓銷料軸向定位，閉合卡模1。沖頭開始向下運動，導向板5開始導向，使卡模1夾緊圓銷料，然后沖孔，沖裁結(jié)束沖頭回程完成一次沖裁。導向板向下移動，接觸到卡模時，如果卡模的左右卡子沒有擺正就會出現(xiàn)導向板與卡?？ㄋ赖默F(xiàn)象，另外卡模與導向板的兩側(cè)磨損不一致的時候就會出現(xiàn)棒料夾持不緊造成偏心，影響沖裁效果和質(zhì)量，速度不快時，生產(chǎn)比較穩(wěn)定。當模具安裝在速度比較快的開式可傾壓力機上時，弊端就會出現(xiàn)。

2.3 開式可傾壓力機特點

圖1 模具

開式可傾壓力機是應用曲柄連桿機構(gòu)進行工作的，由電動機通過皮帶輪帶動曲柄軸旋轉(zhuǎn)，曲柄軸連著飛輪，曲柄軸旋轉(zhuǎn)帶動滑塊做上下直線運動，同時飛輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性以增加沖裁壓力。開式可傾壓力機除了有結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，精度高，性能可靠，便于操作，維護費用低的優(yōu)點外，就是沖裁速度快，圖1中模具安裝在開式可傾壓力機上后，生產(chǎn)效率并沒有提高，反而出現(xiàn)了種種弊端。

2.4 原因分析

圖1中模具是依靠導向板接觸卡模，通過卡模閉合夾緊圓柱棒料，上沖頭下行完成動作。卡模的定位是依靠卡模固定銷，卡模圍繞卡模固定銷旋轉(zhuǎn)的。壓力機速度比較慢的時候，可以人為地去保證卡模的垂直度，或者在基本垂直的時候?qū)虬逵凶詣佣ㄎ坏墓δ?，從而讓閉合的卡模順利地進入導向板。當沖裁速度加快時，如果卡模夾持不正，卡模的動作來不及配合導向板的定位功能，很容易出現(xiàn)導向板與卡?？ㄋ赖默F(xiàn)象，損壞模具，也有可能對沖床造成損傷，而且這個時候再依靠人為操作危險系數(shù)太大。

3 模具設(shè)計改進

3.1 設(shè)計前分析

現(xiàn)場使用的產(chǎn)品毛坯件是直徑?30的圓柱形棒料，材質(zhì)為45#鋼，沖方孔的沖頭尺寸為18.5 mm×6.5 mm。通過公式計算，得出沖穿此棒料所產(chǎn)生的剪切力遠大于沖頭所選用的碳素工具鋼的抗剪切強度，沖頭很易斷裂，隨著棒料直徑的增加，沖裁難度更大，一次沖裁成型較困難。把棒料旋轉(zhuǎn)180°沖裁又很難保證雙向沖裁位置的一致性，所以考慮采用熱沖，現(xiàn)場配備一臺高頻感應加熱設(shè)備成為加工工藝的必要條件［2］。

高頻感應加熱即電感應加熱，用電磁感應加熱金屬的方式，在很短的時間內(nèi)把金屬加熱到奧氏體狀態(tài)。對棒料來說，在要沖裁的位置把棒料加熱到900 ℃左右進行沖裁。

另外，為了最大程度節(jié)約勞動力，車間在有能力配備氣源的前提條件下用氣缸配合換向氣閥，代替人工操作模具打開與關(guān)閉的動作。綜合上述條件設(shè)計出模具方案如圖2所示。

圖1 模具結(jié)構(gòu)

3.2 模具動作原理

圖2 所示的模具結(jié)構(gòu)是根據(jù)現(xiàn)場的操作習慣設(shè)計的，氣缸、操作手柄等的位置都可以根據(jù)實際的狀況和習慣進行調(diào)整。

沖頭3采用高速鋼制作，止擋4采用碳素工具鋼，芯模7 采用熱作模具鋼制作。止擋種在上模板上。芯模7 可以在加工不同的棒料時選擇不同的芯模內(nèi)徑，或者在芯模損壞時不需要更換整個下模座的情況下直接更換芯模即可，不影響生產(chǎn)。下模座2固定在下模板上，下模座1 設(shè)計成可沿下模板左右移動，氣缸5固定在下模座上。一般右手夾持棒料沖裁，可以用左手操作氣缸控制手柄10，氣缸控制手柄10 安裝在模具左邊［3］。

以200 t沖床為例，安裝調(diào)整好模具后，首先在高頻設(shè)備上加熱好棒料，棒料的溫度大約控制在900 ℃左右，撥動氣缸控制手柄10打開模具，把加熱好的棒料放入模腔位置，撥動氣缸控制開關(guān)10，關(guān)閉模腔。當沖頭向下運動時，止擋先進入到下模座1，止擋完全抵住下模座1 時沖頭3 開始進入下模腔沖裁方孔。刀具沖裁時，會產(chǎn)生橫向的張力，造成棒料側(cè)面出現(xiàn)鼓脹。棒料的沖孔只是毛坯的粗加工，沖好孔的棒料冷卻后還要進行機加工，如果側(cè)面鼓脹得多，機加工時刀具受力不均勻會出現(xiàn)跳刀的現(xiàn)象，車刀容易斷裂。橫向的張力對下模座1也有橫向沖擊力，會讓下模座1 發(fā)生橫向的移動，造成模具的間隙瞬間增大。間隙增大后模具夾持力不夠，棒料不對心，影響沖裁效果。止擋吸收橫向沖擊力，提高加工精度，保護模具。沖裁完成后，沖頭由沖床的機械運動自動回程，在回轉(zhuǎn)力的作用下退出棒料復位到初始狀態(tài)。沖頭復位后，撥動氣缸控制手柄10 ，氣缸動作打開模具，用夾鉗夾走已沖裁好的棒料，一次沖裁過程結(jié)束。

3.3 改進后的模具優(yōu)點與缺點

在有氣源的車間，充分利用氣缸進行輔助，不但生產(chǎn)效率大大提高，而且很大程度上能減少工人的勞動強度，降低勞動成本。比如上面的方孔模，如果沒有氣缸的輔助，設(shè)計成螺紋螺桿結(jié)構(gòu)來夾緊，勢必須增加一個操作夾緊的工人，勞動成本增加，效率不一定能提高。如果沖裁的人員既要沖裁又要操作螺紋螺桿夾緊，不但效率低下，而且安全性很難保證，一次失誤造成的危害也很大。

為了適應不同規(guī)格的棒料，除了芯?？梢愿鼡Q以外，在模具后方可以設(shè)置可調(diào)節(jié)的定位機構(gòu)，這樣在需要加工不同直徑和不同位置的方孔時都可以進行調(diào)整，適應性更強，實現(xiàn)了一模多用，極大地提高了模具的通用性。

在模具的使用性能和生產(chǎn)效率提高的同時，有些缺點也是不可避免的。首先，模具本身的制作成本增加；其次，模具需要氣源，沒有氣源的車間要增加氣泵、蓄能器，也是一種成本的增加。另外，棒料的加熱溫度要達到溫度范圍內(nèi)，否則沖頭也很難沖穿或者沖裁后難以脫離棒料。再次，沖頭在高溫下工作，工作環(huán)境惡劣，其材質(zhì)也決定了它的使用壽命。本文采用的是碳素刃具鋼，也可以考慮用高速鋼或者硬質(zhì)合金鋼，可以根據(jù)實際的需求特點，綜合考慮，選擇適當材質(zhì)的沖頭。

3.4 其他改進設(shè)計

很多模具的設(shè)計都是根據(jù)現(xiàn)場的具體情況進行優(yōu)選設(shè)計的，在不具備氣源的車間，也可用彈簧來實現(xiàn)。模具中配合彈簧是司空見慣的，很多模具都是用彈簧或者是橡皮來實現(xiàn)脫模，特別是在復合模設(shè)計的時候用得更多。用彈簧夾緊和緩沖設(shè)計模具如圖3所示。

3.4.1 動作原理

壓力機動作前，模具處于打開狀態(tài)，將棒料放到模腔內(nèi)，完全抵住模具后面的限位柱，上模1 開始動作，往下壓的時候先接觸到壓料板彈簧4，使脫料板10 壓住產(chǎn)品。上模再往下沖，在棒料上面沖出方孔。完成后上?；赝?，導向脫料釘8把托料板10推下來，頂料彈簧6把脫料板頂起，取出產(chǎn)品，完成一次沖裁動作。

3.4.2 優(yōu)缺點

這種模具設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，制作成本低，易維護，操作方便，利用彈簧的模具結(jié)構(gòu)相對簡單，不需要氣源，一個人也可以操作，并且也可以考慮增加芯模來增加模具的使用廣泛性。彈簧依靠彈性變形力動作，彈力的大小直接會影響脫料板的夾緊力，所以彈簧彈力要大。彈簧多次使用以后出現(xiàn)疲勞，彈力下降，也會影響夾緊力和緩沖力，但就其使用性綜合來說也不失為一個很好的沖孔方案。

4 結(jié)語

要實現(xiàn)這種操作的模具形式很多，設(shè)計者可以根據(jù)現(xiàn)場具體的情況進行設(shè)計。本文根據(jù)目前的使用情況介紹了模具的兩種改造方法，在操作的便捷性和操作人員數(shù)量上做了很大程度的改進，雖然模具的制作成本有所增加，但其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也是很顯著的。

圖3 用彈簧夾緊和緩沖設(shè)計模具

用模具在圓柱棒料上沖方孔是一種很好的加工方法，實際生產(chǎn)過程中取得的價值效益很大。模具在日常生活中被廣泛應用，給生產(chǎn)生活帶來了很大的便捷。隨著科技的進步，自動化程度的普及，用電腦芯片控制機械手臂，再輔助于不同的傳感器、電氣元件，對棒料下料、加熱、沖裁一體化操作亦不是難事，模具的拓展前景較廣闊。