航空內(nèi)環(huán)缺口墊片多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)

鄭 暉，古 棟，張巖松，史澤明

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

需三道以上的工序才能完成零件的沖壓時(shí)，將這些工序按一定的步距排列在條料上，將條料按步距做間歇移動(dòng)，在一臺(tái)壓力機(jī)內(nèi)，用一套模具完成這些工序的沖模稱為多工位級(jí)進(jìn)模[1]。級(jí)進(jìn)模能完成沖裁(包括復(fù)雜零件的沖裁)、彎曲、成形等各種沖壓工序，亦可根據(jù)需要完成攻絲、裝配(如電機(jī)沖片的疊裝)等工序。使用多工位級(jí)進(jìn)模沖制零件時(shí)沖壓材料利用率不高，模具制造、維護(hù)復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)，成本高，需有精密加工設(shè)備和相當(dāng)水平的設(shè)計(jì)、工藝、制造工人，所使用的沖床和沖壓材料也需要有較好的質(zhì)量。但級(jí)進(jìn)模在模具的一次沖壓的過(guò)程中，可完成多個(gè)工位的沖壓[1-3],故其效率較高，適合于零件的大批量生產(chǎn)。被加工的零件產(chǎn)量和批量如果足夠大，采用級(jí)進(jìn)模可以以較低的單件成本維持穩(wěn)定而持久的生產(chǎn)。當(dāng)零件形狀復(fù)雜、凸?；虬寄Ｐ颓浑y以加工或其結(jié)構(gòu)難以滿足強(qiáng)度要求而需要該工序分解時(shí)，也常采用多工位級(jí)進(jìn)模。相比于單工序模、復(fù)合模，級(jí)進(jìn)模具有效率高、精度高、模具壽命長(zhǎng)、制件成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以減少人工的使用，使企業(yè)便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[1,4],是目前大批量零件生產(chǎn)的首選工裝。

近兩年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的模具技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，主要表現(xiàn)為：模具集成制造單元與技術(shù)的普及、商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向模具及其產(chǎn)業(yè)鏈延伸、3D打印在模具制造中的廣泛應(yīng)用、模具的智能化、輕量化新材料與大型塑料模具的出現(xiàn)與優(yōu)化、大型級(jí)進(jìn)沖模技術(shù)的成熟及模具標(biāo)準(zhǔn)件精細(xì)化等。多工位級(jí)進(jìn)模技術(shù)的發(fā)展主要為了適應(yīng)模具產(chǎn)品交貨期短、精度高、質(zhì)量好、價(jià)格低的要求。在設(shè)計(jì)方面，近年來(lái)許多模具企業(yè)加大用于技術(shù)進(jìn)步的投資力度，廣泛使用CATIA、UG、PROE等國(guó)際通用軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，個(gè)別企業(yè)引入MOLDFLOW等CAE軟件，并成功應(yīng)用于多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)中[5-6]。本文采用CATIA軟件對(duì)航空內(nèi)環(huán)缺口墊片進(jìn)行工藝分析與模具設(shè)計(jì)。

1 零件的工藝分析與工藝方案的確定

1.1 工藝性分析

該制件采用2 mm厚08F的鋼材沖壓成形，制件的二維圖和三維圖如圖1、圖2所示，批量為500萬(wàn)件。由圖1可知,該零件為圓形落料件上布置異性孔，外形簡(jiǎn)單對(duì)稱，整個(gè)外形光滑、圓整、無(wú)尖角;孔與孔之間、孔與零件邊緣之間最小距離c滿足c>1.5t要求(其中料厚t為2.0 mm,可得出c=57-(40+5)=12 mm>1.5t=3 mm)。制件上尺寸最小的槽寬為b=5 mm，由沖壓手冊(cè)[7]可知，對(duì)于低碳鋼、黃銅等材料，應(yīng)使狹槽寬度b≥1.5t=3 mm，滿足要求，故而工藝性好。對(duì)于沖壓件材料一般要求的力學(xué)性能是強(qiáng)度低，塑性高，表面質(zhì)量和厚度公差符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]。本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品材料是08號(hào)鋼，其強(qiáng)度、硬度和塑性指標(biāo)適中，用沖裁的加工方法是完全可以實(shí)現(xiàn)的。另外產(chǎn)品對(duì)于表面質(zhì)量等沒(méi)有嚴(yán)格要求，所以盡量采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)板材,其沖裁出的產(chǎn)品的表面質(zhì)量就可以保證。經(jīng)上述分析，零件的工藝性良好，符合冷沖壓加工要求。

圖1 航空內(nèi)環(huán)缺口墊片零件圖

圖2 三維航空內(nèi)環(huán)缺口墊片圖

由于零件數(shù)量為500萬(wàn)件，屬于大批量生產(chǎn)，級(jí)進(jìn)模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但制件精度高、效率高，單件產(chǎn)品的成本較低，適合大批量生產(chǎn)，因此從制件精度、成本、效率等方面綜合考慮，采用級(jí)進(jìn)模進(jìn)行生產(chǎn)。

1.2 制件材料分析

制件材料08F的特性包括：強(qiáng)度低、塑性好、韌性好，易于深沖、拉延、彎曲和焊接。08F的力學(xué)性能見(jiàn)表1所示。

表1 08F力學(xué)性能

2 排樣設(shè)計(jì)

由制件的工藝分析可知，該制件選擇級(jí)進(jìn)模的方式?jīng)_壓成形，在設(shè)計(jì)排樣圖時(shí)應(yīng)該考慮載體、搭邊、導(dǎo)正銷的位置，材料利用率等問(wèn)題[6]，根據(jù)本制件的成形工藝，設(shè)計(jì)級(jí)進(jìn)模排樣方案如圖3所示。

圖3 排樣圖

采用直排有廢料排樣，剛性和穩(wěn)定性相對(duì)較好，沖裁件質(zhì)量完全由沖模保證，精度高且搭邊保護(hù)模具。載體位于條料的兩側(cè)，以保證條料有足夠的強(qiáng)度與剛性能平穩(wěn)地運(yùn)送零件，提高加工精度。級(jí)進(jìn)模共有5個(gè)工位，第一工位沖導(dǎo)正釘孔和側(cè)刃，側(cè)刃用于條料沿送料方向的粗定位。第二工位沖4個(gè)腰圓孔，導(dǎo)正釘在第二工位開(kāi)始進(jìn)入導(dǎo)正釘孔進(jìn)行精定位。第三工位沖圓孔，得到航空內(nèi)環(huán)缺口墊片的內(nèi)部異性孔。第四工位通過(guò)落料得到制件的外形尺寸，導(dǎo)正釘在第四工位進(jìn)入導(dǎo)正釘孔進(jìn)行精定位保證內(nèi)孔與外形的相對(duì)位置精度；在排樣中巧妙將異形孔轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的腰圓孔和圓孔的沖切，既提高了工藝性，又能保護(hù)凸模，提高凸模壽命。第五工位切斷雙側(cè)載體，以免載體過(guò)長(zhǎng)卷入模具而損傷模具。

3 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

級(jí)進(jìn)模的總體設(shè)計(jì)包括6部分零件的設(shè)計(jì)，即工作零件、定位零件、壓料卸料零件、導(dǎo)向零件、固定零件以及緊固件。工作零件指凸模組與凹模，其完成沖壓加工的主要工作，得到制件。定位零件保證條料在送進(jìn)與沖切過(guò)程中的定位精度，從而保證制件精度，多工位級(jí)進(jìn)模中，定位零件通常由導(dǎo)料板、側(cè)刃與導(dǎo)正銷組成。壓料卸料零件通常由卸料板、卸料螺釘與卸料彈簧組成，在沖切前壓料，沖切完成后卸料。導(dǎo)向零件由導(dǎo)柱、導(dǎo)套構(gòu)成，提高導(dǎo)向精度，從而提高制件質(zhì)量。固定零件主要是板類零件的設(shè)計(jì)，包括模柄、上模座、墊板、凸模固定板以及下模座。緊固件常用螺釘和銷釘。在構(gòu)成模具裝配體的眾多零件中，工作零件、定位零件與壓料卸料較重要，其直接與板料接觸，直接影響沖壓精度和沖壓件的質(zhì)量；其他相關(guān)裝置起到保證模具順利工作的作用。

上模部分見(jiàn)圖4、圖5和圖6，圖4中可以看到固定零件如模柄、上模座、墊板以及凸模固定板。導(dǎo)正銷設(shè)置兩個(gè)，分別在第二工位和第四工位，用于精定位。壓入式模柄垂直度好，精度較高。上模部分采用墊板分散沖壓力。圖5為凸模組，屬于工作零件。其中圓形凸模采用臺(tái)階式固定，異形凸模設(shè)計(jì)成直通式穿銷固定。圖6為壓料卸料系統(tǒng)，包括彈性卸料板、卸料彈簧與卸料螺釘。卸料板用于壓料卸料，同時(shí)躲避導(dǎo)料板，設(shè)計(jì)成T形，考慮卸料板尺寸以及卸料力大小，選用4根卸料螺釘與卸料彈簧。

圖4 上模固定部分

圖5 凸模組

圖6 壓料卸料系統(tǒng)

工作零件部分：凸模組采用凸模固定板固定，異形凸模采用穿銷式，圓形凸模采用臺(tái)階式。凹模采用整體式凹模，沖裁廢料采用漏料孔漏下，工件落料后入集料盒。凹模板見(jiàn)圖7所示。由于本套模具中均為沖孔落料工序，因此沖壓力相對(duì)較大，為了減少?zèng)_壓力，采用階梯凸模形式，即凸模之間存在一定的高度差，差距為1.5t(t為料厚)，為避免多孔沖裁時(shí)小直徑凸模受材料流動(dòng)擠壓力的作用而傾斜或折斷，小直徑凸模通常做短，在本套模具的設(shè)計(jì)中，沖孔凸模1與切廢料凸模長(zhǎng)度小于其他凸模，凸模組如圖5所示。

導(dǎo)向系統(tǒng)：如圖8所示。上模座與下模座之間設(shè)置4對(duì)導(dǎo)柱、導(dǎo)套。下模部分見(jiàn)圖7所示，選擇標(biāo)準(zhǔn)四導(dǎo)柱模架，四角導(dǎo)柱對(duì)稱分布，受力平衡，滑動(dòng)平穩(wěn)，能承受級(jí)進(jìn)模高速?zèng)_壓次數(shù)。四角導(dǎo)柱模架具備導(dǎo)向平穩(wěn)、導(dǎo)向準(zhǔn)確可靠、剛性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 下模部分

圖8 導(dǎo)向系統(tǒng)

定位系統(tǒng)：級(jí)進(jìn)模由于工位數(shù)量多，條料送進(jìn)過(guò)程中，定位顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)采用導(dǎo)料板控制條料送進(jìn)過(guò)程的左右位置，導(dǎo)料板見(jiàn)圖7所示，采用側(cè)刃和擋塊進(jìn)行前進(jìn)方向的粗定位，側(cè)刃與擋塊見(jiàn)圖7所示，采用導(dǎo)正銷進(jìn)行精定位，導(dǎo)正銷見(jiàn)圖4所示，三者相互配合定位精度達(dá)到±0.02 mm。

模具總裝配體如圖9所示，工程圖如圖10所示。

圖9 三維裝配體

1.上模座；2.鋼球保持圈；3.滾動(dòng)導(dǎo)向?qū)е?.滾動(dòng)導(dǎo)向?qū)祝?.內(nèi)六角圓柱頭螺釘；6.矩形墊板；7.矩形凸模固定板；8.圓柱銷9.凸模(異)；10.B型導(dǎo)正銷；11.圓柱頭直桿圓凸模；12.圓柱頭直桿圓凸模；13.壓入式模柄；14.圓柱銷；15.側(cè)刃；16.圓柱銷；17.圓柱頭直桿圓凸模；18.圓柱銷;19.圓柱頭卸料螺釘；20.矩形圓柱彈簧；21.卸料板；22.圓柱螺旋壓縮彈簧；23.下模座；24.凹模板；25.導(dǎo)料板；26.圓柱銷;27.開(kāi)槽圓柱頭螺釘;28.A型側(cè)刃擋塊;29.A型側(cè)刃擋塊;30.圓柱銷;31.導(dǎo)料板

4 結(jié)論

本文對(duì)航空內(nèi)環(huán)缺口墊片進(jìn)行了工藝性分析，對(duì)制件進(jìn)行了排樣設(shè)計(jì)，確定了合理的工藝方案，并對(duì)級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)過(guò)程中的六大類零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，為模具設(shè)計(jì)與制造提供了科學(xué)的分析。本文以傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CATIA的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了航空內(nèi)環(huán)缺口墊片的多工位級(jí)進(jìn)模。從工作零件的設(shè)計(jì)、定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、壓料卸料零件的設(shè)計(jì)、導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及浮頂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面凸顯多工位級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

本模具擬采用100 t高速?zèng)_床，高速?zèng)_床每分鐘沖程數(shù)為300次，采用高速?zèng)_床需要3個(gè)月即可完成。采用級(jí)進(jìn)模單工序模具、復(fù)合模與生產(chǎn)情況對(duì)比如表2所示。由于零件形狀不規(guī)則，采用單工序模具和復(fù)合模時(shí)凸模、凹模的結(jié)構(gòu)工藝性差，沖壓過(guò)程中形狀突變會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中甚至裂紋，導(dǎo)致修模難度大、時(shí)間長(zhǎng)。單工序模具需要2套模具，生產(chǎn)效率減半。綜合分析可知，采用級(jí)進(jìn)模適合進(jìn)行批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、工期短、一致性高，凸模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，模具維修量小。該模具結(jié)構(gòu)合理，符合生產(chǎn)要求。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模具大大提高了設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

表2 級(jí)進(jìn)模與單工序模、復(fù)合模生產(chǎn)情況對(duì)比