不銹鋼方形吊環(huán)模具設(shè)計

王修濤 劉國強 李 強 翟 茜

（山東省機械設(shè)計研究院，濟南 250031）

沖壓工藝是指模具在沖床或壓力機的沖擊作用下，經(jīng)過一個或者多個工序完成復(fù)雜形狀零件的加工。經(jīng)沖壓工藝加工完成的零件，不僅精度較高，還能保證零件尺寸的一致性和互換性。沖壓模具在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日用生活用品等各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。彎曲成形是沖壓工藝的一種方式，可將坯料彎曲成所需形狀。彎曲成形的材料有型材、管材、板材和棒材等[1-5]。

1 零件結(jié)構(gòu)與成形工藝分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)

不銹鋼方形吊環(huán)零件如圖1所示，由不銹鋼材料通過彎曲成形而成。材料型號為316L，產(chǎn)品屬于工業(yè)應(yīng)用范圍，可用來吊裝支撐工件。材料厚度尺寸有兩種規(guī)格，分別為4 mm和3 mm，零件寬度為35 mm。彎曲成形后，要求零件內(nèi)腔尺寸公差為0～0.2 mm，平面平整且變形小。材料疊加部分焊接固定，每年需求量約2萬件。

1.2 零件成形工藝分析及沖壓方案的確定

通過對零件的分析，零件材料選擇316L不銹鋼，高度為140 mm，寬度為35 mm，內(nèi)腔長度為450+0.2mm，寬度為150+0.2mm，公差為一般公差，料厚有4 mm和3 mm兩種規(guī)格。零件要求整體平整、變形小，產(chǎn)品年需求量約1萬件，生產(chǎn)批量較小。經(jīng)分析確定，該零件沖壓方案將零件分兩個工序加工，如圖2所示。第一個工序為壓U形彎。在加工兩種不同厚度的材料時，通過更換凹模的方式保證工件外形尺寸要求。第二個工序為成形方形腔。在加工兩種不同厚度的材料時，第二個工序通過更換鑲件的方式加工不同厚度的零件。成形方形腔工序中，通過改變型芯、上模和彈料板的形狀減小材料的回彈。為了提高生產(chǎn)效率，每個工序可同時加工3件零件。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點和模具加工工藝方案，零件利用兩套模具完成，分別為U形彎彎曲模具和方形腔彎曲模具。U形彎彎曲模具針對不同厚度的材料配備一組更換凹模。方形腔彎曲模具凹模上設(shè)有鑲塊，加工不同厚度的材料時需更換鑲塊。下面是對模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的詳細描述。

2.1 U形彎模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

U形彎模具結(jié)構(gòu)采用后側(cè)導(dǎo)向方式，如圖3所示。設(shè)計U形彎凸模、凹模方案時，根據(jù)零件內(nèi)腔尺寸，U形彎凸模工作端寬度為15 mm，長度為150 mm。為了增加凸模強度，凸模固定端尺寸加大為25 mm，同時增大與墊板的接觸面，工作端圓角半徑為0.5 mm。凸模的尺寸是保證零件內(nèi)腔尺寸。不同厚度的材料，內(nèi)腔尺寸一樣，所以凸模不用更換。凹模上面設(shè)置兩個定位，以保證板材加工過程中不出現(xiàn)偏斜。凹模尺寸是保證零件腔體外部尺寸，根據(jù)材料厚度尺寸的不同，更換相應(yīng)尺寸參數(shù)的凹模。材料厚度為4 mm時，使用凹模腔寬度為23 mm，如圖4（a）所示。材料厚度為3mm時，使用凹模腔寬度為21 mm，如圖4（b）所示。

圖1 產(chǎn)品零件圖

圖3 U形彎模具結(jié)構(gòu)

2.2 成形方形腔模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 成形方形腔上模設(shè)計

成形方形腔上模和上模板連接，如圖5所示。上模采用開口腔方式，參與成形零件方形腔上部，一側(cè)和零件形狀重合，另一側(cè)和下模配合，配合間隙為0.05 mm，保證上模和下模的相對位置不偏移。針對不同厚度材料的產(chǎn)品，上模尺寸不變。

圖4 U形彎模具凹模示意圖

圖5 成形方形腔模具結(jié)構(gòu)

2.2.2 成形方形腔下模設(shè)計

成形方形腔下模采用下模加鑲塊的組合方式，如圖6所示。下模板開設(shè)固定槽。下模固定在下模板固定槽內(nèi)，防止下模受力偏移。針對不同厚度材料，下模鑲塊需加工不同尺寸。通過更換鑲塊滿足方形腔外形尺寸。材料厚度為4 mm時，使用凹模腔寬度為53 mm，如圖6（a）所示。材料厚度為3 mm時，使用凹模腔寬度為51 mm，如圖6（b）所示。下模右側(cè)加擋塊，作用是加固下模，同時對加工零件起到支撐作用。型芯外形尺寸和零件方形腔尺寸一致，圓角尺寸為半徑0.5 mm，型芯長度尺寸大于下模長度尺寸70 mm，長出部分均勻置于凹模兩側(cè)，和限位板間隙為1 mm。限位板通過螺栓固定在下模上，工作過程中限制型芯寬度方向移動距離。

圖6 成形方形腔凹模結(jié)構(gòu)

2.2.3 成形方形腔彈料設(shè)計

彈料板置于下模腔內(nèi)，高度尺寸和成形下模腔高度差為工件方形腔寬度尺寸的一半（7.5 mm）。彈料板起到彈料的作用，同時參與成形。螺紋孔采用盲孔，避免成形時零件出現(xiàn)壓痕。為了減小對模具強度的影響，彈性元件設(shè)置在下模板下方，通過螺桿控制彈料板的運動。

2.2.4 減小零件彎曲回彈的設(shè)計

回彈是板材彎曲成形的常見現(xiàn)象。彎曲件回彈使其彎曲半徑發(fā)生變化，難以與構(gòu)件形狀要求相一致，會影響板材的彎曲質(zhì)量。為了解決彎曲回彈問題，主要是在模具加工方面采取相應(yīng)的措施，也可以改變模具模芯運動行程，通過過量彎曲使得回彈后的零件形狀達到零件的精度要求[6-7]。

針對不銹鋼方形吊環(huán)的尺寸公差要求，為避免材料回彈對產(chǎn)品的影響，在成形方形腔時，改進退料板和型芯的形狀結(jié)構(gòu)，采用改變模具模芯運動行程補償法克服回彈。退料板位于零件下面，在退料板和零件接觸面采用凸起圓弧的方法。圓弧高于退料板1 mm，如圖7（a）所示。型芯位于零件形腔內(nèi)部，上下面采用凹圓弧，圓弧低于型芯表面1.3 mm，如圖7（b）所示。

圖7 模芯結(jié)構(gòu)

3 模具工作過程

通過對零件的工藝分析可知，該零件共分兩個工序完成。第一個工序彎曲U形彎，一次可以將3個板材放入模具同時加工。凹模一側(cè)設(shè)有定位板，板材靠近定位板彎曲成形。針對不同厚度的板材，可以更換相應(yīng)的凹模。第二個工序成形方形腔，把型芯放入第一工序加工完的U形件中，3個工件同時放入，然后置入下模腔卸料板上。由于型芯長度方向大于下模長度，長出部分均勻位于下模兩側(cè)，寬度方向靠近限位板內(nèi)側(cè)。沖壓成形后，將零件和型芯同時取出。由于材料回彈，可以將型芯單獨取出。由于材料回彈，工件加工完成后會出現(xiàn)開口的形狀。焊接時需要通過夾具夾持工件焊接。焊機完成后得到的最終產(chǎn)品，如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品圖

針對不銹鋼材料的特性和零件的工藝分析，通過在模具結(jié)構(gòu)上更換組件和活動鑲塊的方法，可以實現(xiàn)兩種厚度尺寸的零件加工。模具結(jié)構(gòu)簡單，加工容易實現(xiàn)，減少了成本投入，可滿足產(chǎn)品的使用需求。此外，多件同時加工，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

本文主要從投入成本少、模具結(jié)構(gòu)合理、操作簡單以及實用性等方面考慮，采用所述模具結(jié)構(gòu)具有較好的實用價值。在使用過程中，模具結(jié)構(gòu)可以進一步改進，如增加退料裝置，提高生產(chǎn)效率。