宋崇杰， 張立佳， 曹安全， 靳靜娟

(武漢大學(xué)工程訓(xùn)練與創(chuàng)新實(shí)踐中心 武漢 430072)

一種雙面沖床模具組件的設(shè)計(jì)與研究

宋崇杰， 張立佳， 曹安全， 靳靜娟

(武漢大學(xué)工程訓(xùn)練與創(chuàng)新實(shí)踐中心 武漢 430072)

針對(duì)汽車懸掛系統(tǒng)管子端部的一對(duì)同軸半圓孔，沖孔加工時(shí)存在精度低、成本高等現(xiàn)象，研究一種基于一次定位裝夾，先左沖左半圓孔后右沖右半圓孔雙面沖孔加工的新工藝，設(shè)計(jì)制造新的加工設(shè)備。通過對(duì)該類零件的加工工藝特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種快換模具結(jié)構(gòu)，并闡述其工作原理。在對(duì)設(shè)備最薄弱的凸模元件進(jìn)行有限元分析和疲勞分析后，計(jì)算出變厚度凸模的最佳傾斜角度。為解決沖裁厚壁或高強(qiáng)度的工件半圓孔工時(shí)凸模強(qiáng)度不夠的問題，采用級(jí)進(jìn)模沖切的加工方法以降低對(duì)凸模的強(qiáng)度要求。研究表明，該裝置可靠性高，穩(wěn)定性好，能極大提高產(chǎn)品精度和生產(chǎn)效率。

沖壓模具； 雙面沖孔； 模具壽命

1 汽車懸掛系統(tǒng)管子工藝分析

汽車懸掛系統(tǒng)管子是汽車懸掛系統(tǒng)中的重要部件。管子端部?jī)蓚?cè)需沖同軸半圓孔，為了滿足汽車性能要求，該零件加工精度要求較高，必須保證加工孔較高的尺寸精度和位置精度，從而保證安裝軸件的精度。

過去使用兩套模具，分左右兩次沖裁：先將加工管子固定在左沖裁工位，沖裁管子上側(cè)面半圓孔；再將管子取出，固定在右沖裁工位，沖裁管子下側(cè)面半圓孔。通過模具的制造精度、機(jī)床的制造精度和模具在機(jī)床上的安裝精度來保證兩個(gè)半圓孔之間的同軸度。但由于管子毛坯是鈑金鍛件，精度較低，采用常規(guī)工藝，分兩次沖裁，不可能制造出高精度的零件，且二次裝夾后加工誤差更大，故兩個(gè)半圓孔加工很難達(dá)到較高的同軸度精度。另外這種工藝使用兩套模具，增加了制造成本，也增加了裝夾時(shí)間，加工工序多，操作人員多，已不能滿足新的生產(chǎn)需求[1]。

汽車懸掛系統(tǒng)管子端部為扁口狀，厚度為4.5 mm左右(不同車型尺寸會(huì)不同)，管子扁口端部?jī)蓚?cè)為同軸半圓孔，材料為Q345C，成品三維模型如圖1所示。

圖 1 汽車懸掛系統(tǒng)管子

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作過程

2.1模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車懸掛系統(tǒng)管子端部?jī)蓚?cè)沖同軸半圓孔，最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是保證凸模的強(qiáng)度和剛度。

雙面沖孔工藝及其沖孔模具裝置，屬于管材沖孔加工領(lǐng)域。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模具布局采用凸模懸伸結(jié)構(gòu)(凸模)，在油缸驅(qū)動(dòng)下作動(dòng)模、左右凹模(動(dòng)凹模)都采用鑲嵌結(jié)構(gòu)并水平對(duì)稱，定位裝夾后作定模(定凹模)，沖孔裝置能一次定位裝夾后完成該零件端部的兩面沖孔，保證兩半圓孔的同軸度，并且能方便調(diào)整凸凹模同軸，實(shí)現(xiàn)快速換模，同時(shí)也節(jié)省模具材料，降低了成本[2-5]。模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于管子在沖壓過程中所承受的載荷是沖擊載荷，所以在設(shè)計(jì)過程中保證它的定位夾緊可靠至關(guān)重要。通過凸模上的平臺(tái)(1點(diǎn)定位管子端部)和定凹模側(cè)平面(3點(diǎn)定位管子扁平面的右側(cè)面)和工件支撐元件(2點(diǎn)定位管子的下側(cè)面)定位，尾部托架和U型塊為輔助支撐。同時(shí)在動(dòng)凹模左側(cè)面增加一個(gè)具有自鎖角度的楔形塊夾緊裝置，動(dòng)凹模在凹模氣缸帶動(dòng)下沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，夾緊工件后，氣缸推動(dòng)楔形塊鎖緊并自鎖。此裝置操作方便，且定位穩(wěn)定牢靠。

1-動(dòng)凹模固定座；2-動(dòng)凹模調(diào)整墊片；3-動(dòng)凹模基座；4-動(dòng)凹模；5-凸模；6-定凹模；7-定凹模調(diào)整墊片；8-定凹?；?-定凹模固定座；10-定凹模豎直方向調(diào)節(jié)螺釘；11-動(dòng)凹模豎直方向調(diào)節(jié)螺釘；12-直線導(dǎo)軌副；13-動(dòng)凹模水平方向上調(diào)節(jié)螺釘；14-定凹模水平方向上調(diào)節(jié)螺釘圖 2 模具結(jié)構(gòu)

如圖2所示，動(dòng)凹模裝在動(dòng)凹?；?，動(dòng)凹?；惭b在動(dòng)凹模固定座上，動(dòng)凹模固定座安裝在沖床工作臺(tái)直線導(dǎo)軌上，動(dòng)凹?；c動(dòng)凹模之間設(shè)有豎直方向上的調(diào)節(jié)螺釘和水平方向上的調(diào)節(jié)螺釘；定凹模安裝在定凹?；?，基座安裝在定凹模固定座上，定凹模固定座固定在沖床工作臺(tái)上，定凹模基座與定凹模之間設(shè)有豎直方向上的調(diào)節(jié)螺釘和水平方向上的調(diào)節(jié)螺釘，定凹模基座底板上設(shè)有可調(diào)節(jié)的可鎖緊的工件定位螺釘。

安裝模具時(shí)，用紫銅片墊在凸模與定凹模之間，調(diào)節(jié)螺釘擰緊合模，保證凸凹模同心及其所需間隙，依次擰緊側(cè)面及下底面所有固定螺釘，使定凹模固定在定凹?；?。用同樣的方法，調(diào)整動(dòng)凹模與凸模的同心度和間隙，使其固定在定凹模基座上。

2.2模具工作過程

安裝工件時(shí)，凸模在液壓油缸活塞和光柵尺的控制下，移動(dòng)到中間基準(zhǔn)點(diǎn)零位，所有夾緊氣缸均松開退到原位，并發(fā)出零位準(zhǔn)備好信號(hào)，這時(shí)可以將所需加工的汽車懸掛系統(tǒng)管子放入加工安裝區(qū)，管子下側(cè)面兩點(diǎn)定位完成，完成粗定位。

工件自動(dòng)加工時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，位于管子尾端氣缸前伸推動(dòng)管子，管子端面靠近凸模止口定位面完成一點(diǎn)定位，隨后動(dòng)凹模在其驅(qū)動(dòng)氣缸帶動(dòng)下沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)并將管子定位夾緊在定凹模位置，隨后動(dòng)凹模斜面支撐氣缸活塞推動(dòng)楔形塊前進(jìn)到底，與動(dòng)凹模固定座上的斜面形成自鎖，使動(dòng)凹模鎖緊固定，最后管子上端輔助夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)一步夾緊，以保證夾緊剛度和強(qiáng)度，增強(qiáng)可靠性，工件定位裝夾完畢。

接到工件定位完成信號(hào)后，油缸啟動(dòng)前進(jìn)，凸模在油缸活塞的帶動(dòng)下，先向定凹模方向移動(dòng)，依設(shè)定位移數(shù)據(jù)完成定凹模一側(cè)半圓孔的沖孔，然后凸模在油缸活塞驅(qū)動(dòng)下反向移動(dòng)，完成動(dòng)凹模一側(cè)半圓孔的沖孔，最后凸模再反向移動(dòng)，回至中間零點(diǎn)位置停止，所有夾緊氣缸按設(shè)定順序依次后退回到原位，夾緊裝置松開。取出工件，完成一次加工。依上述步驟裝料，按下啟動(dòng)按鈕繼續(xù)加工[6-7]。

3 沖切模的疲勞強(qiáng)度分析

由于沖模在工作時(shí)受較大的沖擊載荷和交變載荷，工況條件較差，因此要選擇優(yōu)質(zhì)材料制造沖裁模具。為此選用通用Cr12MoV模具鋼。通用Cr12MoV模具鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高韌性和抗回火穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

疲勞破壞是由于重復(fù)加載引起的，沖切模具磨損的具體形式與模具結(jié)構(gòu)、模具材料、模具間隙、模具工作零部件和沖壓速度、坯料的表面粗糙度等諸多因素有關(guān)。沖切模每次沖裁時(shí)，受到左右兩次沖力，當(dāng)最大和最小的應(yīng)力水平恒定時(shí)稱為恒定振幅載荷。本文將針對(duì)沖切模這種受力形式進(jìn)行討論[8-10]。

3.1沖切模ANSYS workbench顯示動(dòng)力學(xué)分析

采用的模具類型為沖切模具，沖壓零件汽車懸掛系統(tǒng)管子的材料為Q245C，其中沖切模基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖 3 沖切模三維結(jié)構(gòu)

沖切工件時(shí)會(huì)在凸模側(cè)面產(chǎn)生沖擊力，在受到?jīng)_擊力的作用下，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。不同的凸模傾斜角α(α為凸模傾斜面與垂直面的夾角)會(huì)使凸模受到的沖擊力不同，同時(shí)在凸模工件上產(chǎn)生的應(yīng)力集中也會(huì)不同[11-12]。沖切模發(fā)生沖擊破壞的危險(xiǎn)部位見圖4。

圖 4 沖切模危險(xiǎn)部位

在ANSYS平臺(tái)仿真。由仿真結(jié)果可知，沖壓過程不同時(shí)刻，沖切模本體各部位等效應(yīng)力分布不均勻。其中最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在沖切模臺(tái)階拐角位置，該位置也是沖切模發(fā)生疲勞破壞的危險(xiǎn)部位。傾斜角越大，沖切模臺(tái)階拐角位置的應(yīng)力應(yīng)變?cè)叫。秶苍叫　?/p>

但是，沖切模半圓底部厚度固定不變，傾斜角α越大，則半圓頂部厚度越小，因此在沖切時(shí)難以保證足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致半圓頂部尖端受損。

當(dāng)傾斜角α>0°時(shí)，切穿管子是一個(gè)漸進(jìn)過程[13-15]。凸模彎矩值

(1)

式中：P為沖切力；S截為沖切截面積；α為傾斜角；x0為承受最大彎矩凸模位置距離。

根據(jù)式(1)找出不同α角度下凸模切穿管子的最大沖切力和凸模承受的彎矩(表1)。

表1 不同傾斜角沖切模數(shù)據(jù)值

由計(jì)算出的不同傾斜角沖切模彎矩值，和它對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，可以知道當(dāng)凸模角度為12°時(shí)，凸模產(chǎn)生的彎矩最小，安全系數(shù)最高。

利用ANSYS有限元平臺(tái)中 workbench組塊，采用顯示動(dòng)力學(xué)方法來分析檢驗(yàn)各不同角度的凸模沖擊工件的沖擊應(yīng)力現(xiàn)象。模型分析圖如圖5所示。

圖 5 沖切模顯示動(dòng)力學(xué)分析縱坐標(biāo)為P/N

根據(jù)走勢(shì)圖可以看出，當(dāng)凸模的角度在12°時(shí)，凸模沖擊工件過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象為最小值，分析結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相匹配。因此，凸模有一定的傾斜角會(huì)減小沖切力，減小凸模承受的彎矩，減小臺(tái)階拐角位置的應(yīng)力應(yīng)變。但傾斜角α不能太大，經(jīng)計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，在α為12°時(shí)可以很好地改善臺(tái)階拐角位置的應(yīng)力應(yīng)變，同時(shí)保證足夠的安全強(qiáng)度。

3.2沖切模的疲勞分析

疲勞仿真必須要有材料的S-N曲線，利用汽車懸掛系統(tǒng)管子材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，且材料的疲勞極限Sf，和材料極限強(qiáng)度Su已知，可模擬預(yù)估出一條近似的S-N曲線?？紤]到金屬材料的長(zhǎng)壽命疲勞，疲勞極限Sf對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)一般為N=107次，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得

S×106=Sf=kSu

其中k反映不同載荷作用形式[11-12]。本文疲勞分析的對(duì)象是節(jié)點(diǎn)，對(duì)該節(jié)點(diǎn)應(yīng)力大小進(jìn)行排序，選擇了最大等效應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)作疲勞分析對(duì)象。

通過ANSYS的有限元分析得到的是節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，應(yīng)力集中系數(shù)取1，沖切模材料Cr12MoV的S-N疲勞特性曲線如圖6所示。

圖 6 沖切模材料的S-N曲線

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該沖切模至少需要滿足100萬次的沖切次數(shù)。ANSYS疲勞分析結(jié)果顯示，在固定工況下100萬次循環(huán)加載的累積損傷系數(shù)D=0.6<1，100萬次循環(huán)加載內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞，沖切模的疲勞壽命約為166.7萬次，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 級(jí)進(jìn)沖切加工

針對(duì)加工厚壁或高強(qiáng)度材料的汽車懸掛系統(tǒng)管子時(shí)凸模強(qiáng)度不夠的情況，在沖切模的懸伸凸模半圓底部設(shè)置支撐臺(tái)階，減緩沖擊強(qiáng)度，改善應(yīng)力集中情況。

為了減緩一次加工時(shí)高強(qiáng)度的沖擊力，將沖切過程分為兩次加工：第一次加工后，根部留有余量；第二次模具跟進(jìn)，進(jìn)行第二次沖切。這樣會(huì)大大減少?zèng)_切模具所受沖擊力。級(jí)進(jìn)模沖切過程如圖7所示。

圖 7 級(jí)進(jìn)加工過程

利用ANSYS有限元平臺(tái)中 workbench組塊，采用顯示動(dòng)力學(xué)方法來檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，凸模級(jí)進(jìn)沖擊工件的沖擊應(yīng)力現(xiàn)象(圖8)。

圖 8 優(yōu)化后的凸模顯示動(dòng)力學(xué)分析

經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)化后的凸模在進(jìn)行沖擊工件作業(yè)時(shí)，能夠受到最小的沖擊應(yīng)力，產(chǎn)生最小的應(yīng)變，大大延長(zhǎng)了凸模的使用壽命。

5 結(jié)論

用有限元的方法對(duì)一種雙面沖床的模具的沖切模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析和疲勞破壞分析，基于有限元分析的結(jié)果，結(jié)合模具工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)有限元分析結(jié)果，修改方案有效地減小了沖切模結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中，并提高了沖切模結(jié)構(gòu)疲勞壽命[16]。凸模采用12°的傾斜角沖孔可以極大地降低沖裁力，減小負(fù)載，降低對(duì)凸模的強(qiáng)度要求。

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[責(zé)任編校：張眾]

DesignandResearchofMoldComponentsofDouble-FacedStampingMachines

SONG Chongjie，ZHANG Lijia，CAO Anquan，JIN Jingjuan

(SchoolofPowerandMechanicalEngin.,WuhanUniv.,Wuhan430072,China)

Aiming at the problems of low accuracy and high cost about the automotive suspension system that punching a pair of coaxial semicircle orifices on the end of pipes, a new process of the double-faced punching by punching semicircle orifices from left to right based on one-timed clamping was studied/developed and a new equipment was designed. A structure of the quickly exchanging mode was designed based on the analysis of process of the characteristics of tube parts, and of which the operating principle was expounded. The best angle of the variable thickness terrace die was calculated by FEA after the analysis of fatigue to the terrace die that is the weakest part of the whole equipment. In order to solve the problems that the strength of the terrace dies is insufficient when punching semicircle orifices on the thick wall or high-strength pieces, the method that using two processes to machines for reducing the requirements of strength of the terrace die has been proposed. It is proved that the device is highly reliable and stable, and the accuracy and efficiency of products have been significantly increased by using the device.

stamping die; double-faced stamping; die life

2017-06-06

宋崇杰(1964-)， 男， 湖北鄂州人，武漢大學(xué)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程智能裝備

1003-4684(2017)05-0112-05

TH12; TH161

A