套類制件冷鐓成形工藝與模具設計

張 威，朱紋昊，周露洋，陳志強

（中車眉山車輛有限公司，四川眉山 620010）

1 套環(huán)制件介紹

圖1所示套環(huán)常與鉚釘配合使用，其設計有法蘭和圓點結(jié)構(gòu)，有著安裝簡單方便、后期維護方便、抗震性能強、疲勞性能優(yōu)異等特點。安裝時可通過法蘭上的圓點結(jié)構(gòu)判斷鉚接是否成功，后期可通過專門的破切工具對套環(huán)進行破壞以達到鉚釘重復利用的目的。

圖1 套環(huán)實物圖

2 套環(huán)成形工藝

2.1 工藝成形設計

原材料尺寸的選?。褐萍鞒叽缫罁?jù)冷鐓金屬塑性變形流動規(guī)律中的體積不變定律，分段計算制件的體積（管部體積+法蘭體積）并加上廢料體積（廢料為圓片，根據(jù)經(jīng)驗廢料厚度取3mm，直徑為成形件內(nèi)徑），通過成形工序反推各工位坯料尺寸并參照現(xiàn)有原材料尺寸，確定該制件原材料線材直徑選取為?17.5mm，同時計算出切料長度L。

計算取近似值得L=17mm（計算出的切料長度為參考尺寸，在實際調(diào)試中會有較小范圍的變動）。

為了避免套環(huán)成形過程中出現(xiàn)小裂紋的現(xiàn)象以及減輕加工硬化的情況，通過盡可能減小每個成形步驟的變形量以達到減小單工位冷鐓力、提高模具壽命的目的。同時，結(jié)合設備結(jié)構(gòu)的差異性，例如成形設備的夾鉗是否可以翻轉(zhuǎn)、是否同時具備設備結(jié)構(gòu)受力與螺紋管受力、是否具備受力保護及監(jiān)控系統(tǒng)等。本文所設計工藝為無翻轉(zhuǎn)夾鉗機構(gòu)，同時設計為設備結(jié)構(gòu)受力工藝。具體套環(huán)成形工序過程圖如圖2所示。

圖2 成形工位圖

其中，⑤、⑥工位分別為分離廢料和成形導向齒，坯料進行⑤、⑥工位成形時，成形件關(guān)鍵尺寸不在發(fā)生變化。進而，當④工位成形法蘭時，將④工位所得成形件的相關(guān)尺寸設計為制件所需尺寸。為保證各工序間坯料的順利流轉(zhuǎn)，設計坯料間的過模間隙一般為0.03～0.05mm，具體情況視制件尺寸精度需求而定。

2.2 工位載荷計算

根據(jù)成形工序圖可簡單判斷，抽孔工位與成形法蘭工位坯料變形量較大，對成形工藝的影響相比其他工序較高，故主要針對這兩個工序進行數(shù)據(jù)分析，確保工藝、模具設計的可行性。

（1）③工位拉伸力。

拉伸深度：所需成形件管部高度即為拉伸深度。

由于該設備夾鉗無法翻轉(zhuǎn)，拉伸采用正擠壓的變形工藝，即凸模運動方向與金屬材料流動方向一致，計算公式為：

（2）④工位冷鐓力。

冷鐓力的大小，取決于變形金屬的機械性能、變形程度、變形體的形狀、摩擦條件等一系列因素。在計算冷鐓力時，要將所有因素考慮進去是十分困難的。由于近似理論計算缺乏變形條件對變形力影響的定量分析依據(jù)所以常用經(jīng)驗公式計算，現(xiàn)引用較為精準的古布金單位冷鐓力經(jīng)驗公式：

式中γ——受力形態(tài)和體積特性系數(shù)

Zφ——應力狀態(tài)下的不均勻系數(shù)

σs'——冷鐓硬化后的實際變形抗力，需根據(jù)變形程度凱爾波拉圖確定

d——冷鐓后頭部最大外徑

h——冷鐓后頭部高度

f——摩擦系數(shù)

F——冷鐓后頭部投影最大面積根據(jù)冷鐓變形核心計算公式：

將變形程度45.803%和含碳量0.08%帶入變形程度凱爾波拉圖中得σs'=52（kgf/mm2）

（3）①、②工位整形力。

①、②工位為整形，目的為將切下的料兩端鐓平，消除切料造成的斜度和毛刺，并在凹模一側(cè)端面鐓出（1.5～3）×45°倒角（改善整形凹模頂桿的受力情況，延長模具壽命的目的，并且可以防止管部偏心問題出現(xiàn)）。設計①工位所得成形件線徑?17.9mm，②工位所得成形件線徑?18.2mm，計算得知：

冷鐓力的計算與④工位冷鐓力計算方法相同，帶入數(shù)值計算得到①、②工位冷鐓力分別為194,958.3N和205,289.5N。

（4）⑤工位沖孔力。

式中d——制件孔徑

H——廢料厚度

τ——材料的抗剪強度

故P沖孔=π×12.18×3×360=41,325.7657N

（5）切料力。

切料力根據(jù)公式P切料=Fτ（N）（F為截面積）

綜合上述得知：切料力、①、②、③、④、⑤工位所需力、6個工位頂料力總和約為1,600kN，需設備鐓鍛力大于2,000kN方可正常生產(chǎn)（取富余量為20%），從而保證所設計的成形工藝可用。

3 成形模設計

3.1 工位整體設計

根據(jù)所設計6個工位得到的成形件尺寸以及形狀，依次設計各個工位模具結(jié)構(gòu)。同時將主要分析與制件成形過程強相關(guān)的模具組件（凹模主模、沖棒、頂桿）的形狀與尺寸。

圖3所示模具裝配圖左側(cè)均為凸模、右側(cè)均為凹模，凹模不運動，凸模整體做往復運動。

圖3 4工位模具裝配圖

現(xiàn)將所有工位凹模主模設計為鑲塊結(jié)構(gòu)。這種組合凹模具有以下優(yōu)點：①由于組合凹模各層的配合均有一定的過盈量，所以裝配后，內(nèi)層產(chǎn)生切向壓應力。因為預加的切向壓應力與冷擠壓時所引起的切向拉應力方向相反，所以預應力對擠壓時產(chǎn)生的工作應力起了抵消作用，降低了凹模內(nèi)層的切向拉應力，達到了增大凹模強度的目的；②組合凹模僅內(nèi)層模芯使用鎢鋼，外套可使用較普通的合金鋼制造，節(jié)約鎢鋼，降低成本；③由于組合凹模各層的工作要求不同，可分別采用相應的熱處理工藝，提高熱處理質(zhì)量；④當凹模磨損后，僅需調(diào)換模芯，模套可重復使用數(shù)次，降低模具成本。所有工位凸凹模外殼尺寸需根據(jù)設備所能提供的模腔深度與設備運行死點距離決定。

3.2 單件模具的設計與選用

圖4 ①、②工位主模

（2）各工位頂桿尺寸結(jié)構(gòu)選用方法相同，如圖5所示。

圖5 ①、②工位頂桿

D2尺寸根據(jù)D1尺寸能否承受住鐓鍛力確定。還需注意各個工位頂桿、沖棒頭部角度的匹配，這有利于金屬塑性變形時的流動與管部同心度的保證。

設計拉伸工位（③工位）頂桿時，需著重注意定徑帶直徑（D1）和高度（H），不合適的D1和H會加大拉伸頂桿磨損程度，大幅降低模具壽命。定徑帶的尺寸需根據(jù)坯料直徑和拉伸內(nèi)孔直徑確定。

（3）沖棒尺寸結(jié)構(gòu)類似，選用方法如圖6所示。

圖6 ③、④工位沖棒

D1依據(jù)主模相關(guān)尺寸確定，為防止沖棒撞擊鑲塊，D1比對應工位主模相關(guān)尺寸小0.1mm。頭部結(jié)構(gòu)設計方便與廢料的脫出，D3處尺寸要比制件尺寸大0.3mm。

沖棒與頂桿工作部分表面粗糙度要求高，不能有加工絲縷，頂端設置圓角，以便于穿過成形件。

考慮到推管與頂出針有用于頂料的作用，且頂料力大小主要決定于工件輪廓形狀、工件與模腔接觸間隙大小、潤滑條件及?？状植诙鹊纫蛩亍ＵＩa(chǎn)時，一般頂料力不大，當工件在凹模中與模腔發(fā)生“粘滯”現(xiàn)象時，由于工件與模腔的摩擦力增大，這時頂料力將增大，這需要頂料機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，同時需要模具有良好的光潔度。

4 總結(jié)

通過對成形工藝各工序坯料冷鐓力的計算，增加了工藝設計的合理性與實踐的成功率。該副模具已經(jīng)調(diào)試并大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)期間制件無外觀缺陷、尺寸符合技術(shù)要求、模具壽命普遍達到80萬件以上，可證明成形工藝、模具設計合理。