滾針軸承沖壓外圈連續(xù)拉伸級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)

齊秉鈞，張?zhí)煳?/p>

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040）

1 引言

級(jí)進(jìn)模是沖壓模具中一種先進(jìn)高效的沖壓模具，對(duì)于生產(chǎn)批量大且材料較薄的中小尺寸沖壓件非常適用。可一次完成沖裁、彎曲、成形、拉伸等多工序。具有加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、操作安全、節(jié)省勞動(dòng)力、工作效率高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

滾針軸承沖壓外圈屬于材料較薄的小尺寸沖壓件，所以非常適合采用多工位級(jí)進(jìn)模進(jìn)行沖壓生產(chǎn)。由于滾針軸承外圈的沖制屬于圓筒拉伸范疇，所以對(duì)滾針軸承外圈設(shè)計(jì)了相應(yīng)的多工位拉伸級(jí)進(jìn)模。

2 拉伸工藝計(jì)算

2.1 毛坯直徑計(jì)算

以HK0810型滾針軸承沖壓外圈為例（見(jiàn)圖1），

推出D0=φ24.01mm取φ24.1mm，D=D0+δ=φ25.5≈φ26mm

式中 δ——修邊余量，查表得δ=1.4mm根據(jù)工件尺寸計(jì)算毛坯直徑D0[1]，其中d2=（12+11）/2=11.5，H=10.6-0.25=10.35，r=1。

由公式：

圖1 滾針軸承沖壓外圈

2.2 排樣設(shè)計(jì)

為了精確導(dǎo)向，選擇有兩圈工藝切口的連續(xù)拉伸[2]。帶料寬度公式如下：

式中n和b2由表查得，n=1.5mm，b2=1.5mm。計(jì)算得到帶料寬度B=32mm。

可確定工藝切口凸模的直徑分別為φ26mm和（26+2n）=φ29mm。

根據(jù)公式計(jì)算出步距，得出步距A=D+3n=30.5≈31mm。確定拉伸的次數(shù)為3次。圖2為工序排樣方案的示意圖，其包含工藝切口Ⅰ，工藝切口Ⅱ，一次拉伸，二次拉伸，三次拉伸，壓底，打字，沖孔和切邊，共9個(gè)工位。

3 步距與步距精度和定位方式

3.1 步距與步距精度

由于排樣設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算出步距為31mm，步距精度按照如下公式得出。

式中 Δ——多工位級(jí)進(jìn)模步距的對(duì)稱(chēng)偏差值

β——制件沿條料送料方向的最大輪廓尺寸，在精度提高2～4級(jí)后的實(shí)際公差值

n——多工位級(jí)進(jìn)模的工位數(shù)（包含空工位）

K——因數(shù)，可通過(guò)查表得出K為0.95mm

制件展開(kāi)后，沿送料方的最大輪廓尺寸為毛坯尺寸D0=φ24mm，則尺寸φ24mm的14級(jí)，提高4級(jí)后為10級(jí)，其公差值為β=0.084mm，共有工位數(shù)為n=13個(gè)，得到多工位級(jí)進(jìn)模步距的對(duì)稱(chēng)偏差值Δ=±0.017mm。

3.2 條料定距定位

由于上述計(jì)算得出的步距精度為±0.017mm，所以為了保證送料精度，選用導(dǎo)正銷(xiāo)進(jìn)行導(dǎo)正，不需側(cè)壓裝置。因?yàn)闅鈩?dòng)送料裝置的送料步距精度較高、穩(wěn)定可靠、一致性好，所以選擇氣動(dòng)送料裝置，自動(dòng)送料定距。

4 凸凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 凸凹模設(shè)計(jì)原則

根據(jù)凸凹模的設(shè)計(jì)原則規(guī)定[3]，凸凹模必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和硬度；凸凹模結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單可靠、制造、測(cè)量和安裝方便；便于調(diào)整、維修和保養(yǎng)；要考慮刃磨后的凸凹模相對(duì)位置對(duì)其他工位上凸凹模相對(duì)位置的影響；要考慮排件的及時(shí)、暢通和放置浮料；凸凹模要有統(tǒng)一的基準(zhǔn)。

凸模選擇插入式結(jié)構(gòu)，用螺釘固定，由于制件的形狀為圓形，所以無(wú)需設(shè)計(jì)凸模的防轉(zhuǎn)裝置。

4.2 凸凹模設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出首次拉伸力，二次拉伸力，凸凹模的間隙和凸凹模的尺寸和相應(yīng)的加工精度。并根據(jù)應(yīng)力校驗(yàn)公式進(jìn)行凸模的壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的校驗(yàn)。

4.2.1 凸模設(shè)計(jì)

圖2 工序排樣圖方案示意圖

以凸模為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，沖裁孔件的直徑取8級(jí)精度△=0.013mm，計(jì)算出工藝切口Ⅱ的凸模和凹模的尺寸；再計(jì)算出一次拉伸、二次拉伸和末次拉伸的凸模和凹模的尺寸；以凸模為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，沖裁孔件尺寸取7級(jí)公差等級(jí)計(jì)算出；由于切邊屬于落料，所以其以凹模為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，計(jì)算出沖裁件的尺寸。

凸模長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中 L——凸模的長(zhǎng)度

H1——凸模固定板厚度

H2——凸模進(jìn)入凹模的深度

H3——卸料板厚度

t——制件材料厚度

Y——凸模固定板與卸料板之間的安全距離，取Y=15～20

圖3為工藝切口Ⅱ的凸模的結(jié)構(gòu)。

圖3 工藝切口Ⅱ的凸模結(jié)構(gòu)

4.2.2 凹模設(shè)計(jì)

凹模設(shè)計(jì)選用鑲套式結(jié)構(gòu)，即在一塊凹模固定板上嵌入多個(gè)圓柱形的整體凹模鑲件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，凹模均是整體式鑲套，且均為圓形鑲件，所使用的凹模為直通式無(wú)肩普通圓形凹模鑲件，其中切邊凹模帶有落料錐度。

一次拉伸、二次拉伸、壓底、打字和沖孔的凹模均為直刃口，厚度H均為有效刃口高度，且刃壁無(wú)斜度的形式。切邊凹模為直刃口，刃口有斜度，具有一定高度h的形式。

切邊凹模與墊圈結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.2.3 凹模配套結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

凹模的配套結(jié)構(gòu)包括：凹模墊板、凹模座、凹模固定螺釘和定位銷(xiāo)。凹模固定板尺寸為450×97×22mm，螺釘最小的沉頭孔深度取10mm，圓柱銷(xiāo)的最小配合長(zhǎng)度取30mm。螺釘與銷(xiāo)釘均為4對(duì)。

圖4 切邊凹模與墊圈結(jié)構(gòu)

4.2.4 凸凹模加工精度與互換性

凸模尺寸公差為同軸度0.0015mm[4]，圓度0.0015mm，表面粗糙度值D：Ra0.8μm、d：Ra0.4μm，步距誤差為±（0.002～0.01）mm?；Q鑲件的常用公差：尺寸公差為0.002mm，平行度為0.001/40，直線(xiàn)度為0.001/40，表面粗糙度值為Ra0.4μm，裝配后步距差為±（0.002～0.01）mm。

4.3 凸凹模的強(qiáng)度校驗(yàn)

壓應(yīng)力校驗(yàn)公式：

式中 P——最大沖裁力P=Ltτ

L——沖裁的周長(zhǎng)

t——制件材料厚度

τ——被沖材料抗剪強(qiáng)度，查得20#鋼的抗剪強(qiáng)度為280～400MPa

F——凸模刃口斷面面積

[σ壓]——許用壓應(yīng)力

凸模的強(qiáng)度可用最小直徑公式（6）進(jìn)行校驗(yàn)

為保證凸模的抗壓穩(wěn)定和安全使用，在高速多工位級(jí)進(jìn)模中，凸模固定板一般應(yīng)淬火處理，硬度可控制在40～48HRC，并在凸模的固定端增加墊板。

彎曲應(yīng)力校驗(yàn)：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，凸模有導(dǎo)向裝置。采用的是彈性卸料板導(dǎo)向，所以凸模的受力情況是近似于一端固定，另一端鉸支梁的壓桿，這時(shí)凸模不發(fā)生失穩(wěn)彎曲的最大長(zhǎng)度為L(zhǎng)max，由歐拉公式經(jīng)運(yùn)算得到，凸模尺寸應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

式中 Lmax——允許的凸模最大自由長(zhǎng)度，20+23/2=31.5

d——凸模的最小直徑

P——沖裁力

由于凹模墊板上的孔的尺寸，均比凹模固定板的凹?？椎男。粫?huì)使凹模在工作時(shí)受到彎曲，所以凹模不需進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，所有凸模和凹模均滿(mǎn)足以上強(qiáng)度要求。

5 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 結(jié)構(gòu)件及有關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]

5.1.1 模架與卸料裝置

模架：模架由上模座、下模座、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等裝置組成，構(gòu)成一體。選擇滾珠模架，四導(dǎo)柱鋼板模架和滾動(dòng)導(dǎo)向裝置，其中模架用導(dǎo)柱和模架用鋼球?qū)拙x擇裝卸型，選擇高剛性鋁合金鋼球襯套。

卸料裝置：選擇彈壓卸料裝置，其中卸料導(dǎo)柱選擇帶肩型小導(dǎo)柱，卸料導(dǎo)套選擇鋼珠襯套一體型導(dǎo)套，卸料螺釘采用外螺紋式卸料螺釘。

彈性元件：根據(jù)圓鋼絲圓柱螺旋壓縮彈簧的選用原則，預(yù)壓縮量為彈簧自由長(zhǎng)度的20%，對(duì)應(yīng)的彈壓力≥卸料力，工作狀態(tài)下，撓度不能超過(guò)自由長(zhǎng)度的70%，來(lái)選擇彈性元件。

5.1.2 導(dǎo)料與托料裝置

導(dǎo)料裝置：多工位級(jí)進(jìn)模包含平面加工和立體加工，不僅工位數(shù)多，而且?guī)Я系墓ぷ鲄^(qū)間長(zhǎng)，導(dǎo)料裝置可保證帶料的送料步距正確且沿著正確的方向順利地沿直線(xiàn)運(yùn)行。因此，采用滾動(dòng)導(dǎo)向的導(dǎo)料裝置，可以有效減小自動(dòng)送料過(guò)程中因沖壓速度高，造成的導(dǎo)料板對(duì)帶料的摩擦。

托料裝置：可托起帶料高出凹模平面一定高度，可以保證各工位連續(xù)、正確、穩(wěn)定地工作。因此，選用托料桿保證拉伸成形部分完全被頂出凹模平面一定高度。

5.1.3 頂出裝置

頂出裝置：頂出裝置的功能是對(duì)料或件起頂出作用，其作用是負(fù)責(zé)將成形部分從模具的工作形孔中頂出，保證帶料能按照送料方向連續(xù)送進(jìn)以一次拉伸為例，其頂出裝置由螺塞、頂出銷(xiāo)用彈簧、一次拉伸頂料桿和成形卸料塊組成。圖5為一次拉伸的頂出裝置示意圖。

圖5 一次拉伸的頂出裝置示意圖

5.1.4 其它機(jī)構(gòu)

限位裝置：選用兩組圓柱狀限位柱，安裝在上下模座的對(duì)角線(xiàn)位置，起位置限定的作用。

微調(diào)裝置：從二次拉伸到打字工序，凸模均是等高的，所以為了便于調(diào)整，使用微調(diào)等高多凸模的方式。

安全檢測(cè)保護(hù)裝置：自動(dòng)送料的多工位級(jí)進(jìn)模，沖速很高，在沖壓過(guò)程中難免發(fā)生材料誤送、送進(jìn)不到位、疊片、材料起拱、材料的厚度或?qū)挾扔姓`差、制件為頂出或?yàn)橄侣涞裙收?，將?dǎo)致模具不能正常工作甚至損壞。因此，增設(shè)了的安全檢測(cè)裝置，固定于上模座，防止送料失誤。

5.2 整體結(jié)構(gòu)

綜上設(shè)計(jì)結(jié)果，得到最終的沖壓外圈連續(xù)拉伸級(jí)進(jìn)模的整體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

滾針軸承沖壓外圈連續(xù)拉伸級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)過(guò)程包含：拉伸工藝計(jì)算、步距精度和定位方式的確定、凸凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)及有關(guān)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中拉伸工藝計(jì)算用于確定工序排樣；步距精度的計(jì)算用于確定是否應(yīng)用導(dǎo)正銷(xiāo)；工序排樣確定后進(jìn)而設(shè)計(jì)凸凹模的結(jié)構(gòu)尺寸；進(jìn)行強(qiáng)度和應(yīng)力校驗(yàn)；最后設(shè)計(jì)連續(xù)拉伸級(jí)進(jìn)模的其他結(jié)構(gòu)，包括模架、導(dǎo)向裝置、卸料裝置、彈性元件、導(dǎo)料與托料裝置、頂出裝置、限位裝置、微調(diào)裝置、安全檢測(cè)保護(hù)裝置等。最后確定了滾針軸承沖壓外圈連續(xù)拉伸級(jí)進(jìn)模的整體結(jié)構(gòu)。

圖6 級(jí)進(jìn)模整體裝配圖