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?？梢淮瓮瓿蓻_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。凹模固定板尺寸為450×97×22mm，螺釘最小的沉頭孔深度取10mm，圓柱銷的最小配合長(zhǎng)度取30mm。螺釘與銷釘均為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。互換鑲件的常用公差：尺寸公差為0.002mm，平行度為0.001/40，直線度為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?，不會(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；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