許春龍

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

沖壓加工是一種先進(jìn)的金屬壓力加工方法，墊圈是機(jī)械行業(yè)中常用的沖壓零件，主要用于機(jī)械設(shè)備中零部件之間螺紋的聯(lián)接，能增加被聯(lián)接件的支承面積，避免螺母擰緊時(shí)被聯(lián)接件表面的擦傷。實(shí)際使用中，墊圈的規(guī)格多種多樣，既有圓形墊圈，也有異形墊圈。墊圈零件往往尺寸較小、需求量較大，因此要求模具使用壽命高，并且對(duì)于凸、凹模的裝配精度和快速更換有一定要求。所以，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加以考慮，找到合理的解決策略。

1 沖裁工藝分析

圖1為異形墊圈沖壓件，材料為20鋼，厚度為2 mm，大批量生產(chǎn)。墊圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀對(duì)稱，精度要求不高(IT13級(jí))，屬于普通精度沖壓件。但在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

圖1 異形墊圈

(1) 產(chǎn)品為典型的一頭大一頭小的異形結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)排樣方式加以優(yōu)化，以提高材料利用率，降低成本[1]。

(2)Φ5 mm小孔的最小孔邊距只有5.5 mm左右，應(yīng)合理安排沖裁工序，以保證凹模強(qiáng)度，提高模具壽命。

(3)Φ5 mm的沖孔凸模接近小孔沖裁[2]，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮快換式凸模結(jié)構(gòu)，以便于凸模的維修和更換，提高生產(chǎn)效率。

2 模具總體方案確定

異形墊圈為沖孔落料沖裁件，由于該制件尺寸較小，且生產(chǎn)批量較大，宜采用多工序沖壓方案。而復(fù)合模具無法解決產(chǎn)品孔邊距較小對(duì)凸凹模壁厚的影響問題，且采用“一沖二”的直對(duì)排方式，復(fù)合模結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，模具裝配和維修都存在一定困難。綜合考慮后宜采用多工位連續(xù)模結(jié)構(gòu)，由于采用直對(duì)排排樣方式，一次沖裁兩個(gè)零件，所以，兩件的落料工位應(yīng)離開一定距離，以增強(qiáng)凹模強(qiáng)度，同時(shí)便于模具的加工和裝配。因此，最終確定采用“沖導(dǎo)正孔—沖孔—落料—空工位—落料—切斷”六工位級(jí)進(jìn)沖壓工藝方案。

異性墊圈零件尺寸較小，且沖壓生產(chǎn)批量較大，故采用夾持式自動(dòng)送料裝置進(jìn)行送料，并通過槽式浮頂裝置對(duì)帶料進(jìn)行導(dǎo)向定位，采用側(cè)刃控制送料步距，并通過導(dǎo)正銷進(jìn)行精定距。設(shè)置雙排導(dǎo)正銷孔，并在第一工位沖出導(dǎo)正銷孔，以后隔工位等距設(shè)置導(dǎo)正，以確保送料精度。由于墊圈料厚不大，模具卸料方式采用彈壓卸料裝置。

3 異形墊圈排樣設(shè)計(jì)

3.1 排樣方案

根據(jù)前述沖裁工藝分析，為滿足大批量生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的“一沖兩出”的直對(duì)排排樣方案，即沖裁一次產(chǎn)生兩個(gè)制件。

圖2 排樣設(shè)計(jì)

該零件共采用6個(gè)工位來完成沖壓，即：工位1，沖導(dǎo)正孔及側(cè)刃沖切；工位2，沖孔；工位3，落料；工位4，空工位；工位5，落料；工位6，切斷，最后將載體與帶料分離，完成墊圈沖裁。

3.2 排樣參數(shù)計(jì)算[3]

(1) 送料步距S計(jì)算公式為：

S=L+a0/cosα.

(1)

其中：L為沖件平行于送料方向最大尺寸，為44 mm；a0為工件間搭邊值，取4.3 mm；α為沖件外輪廓斜邊夾角。

由圖1、圖2可知：

α=arctan[(11-8)/21]=81.3°.

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，取整得送料步距S=49 mm。

(2) 條料寬度B計(jì)算公式為：

B=b+2a+D.

(2)

其中：b為側(cè)刃沖切寬度，取5 mm；a為側(cè)搭邊值，取2.5 mm；D為沖件垂直于送料方向最大尺寸，為40 mm。

將相關(guān)參數(shù)代入式(2)，計(jì)算得B=50 mm。

4 模具結(jié)構(gòu)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

4.1 承料板結(jié)構(gòu)

異形墊圈采用六工位的連續(xù)沖裁模結(jié)構(gòu)。由于采用夾持式自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，沖裁工位較多，為避免刃口不均勻磨損，保證沖裁質(zhì)量，同時(shí)起到帶料送進(jìn)中的承重作用，本文設(shè)計(jì)了一種可在一定程度上平衡沖頭對(duì)凹模所產(chǎn)生側(cè)向力的承料板裝置。該承料板整體為L(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，承料板上端面開有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽的寬度比帶料寬度大0.5 mm～1 mm；承料板上開有安裝螺釘?shù)某量祝员阌诔辛习迮c下模座的連接固定。所設(shè)計(jì)的承料板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 快換凸模

沖壓生產(chǎn)中模具零件會(huì)承受一定的沖擊和振動(dòng)，尤其是凸模、凹模刃口由于磨損因素，還會(huì)產(chǎn)生一定的變形甚至開裂等失效形式，因此，模具在使用壽命范圍內(nèi)要經(jīng)過大修和小修等維修維護(hù)。生產(chǎn)中凸模常用的結(jié)構(gòu)主要有階梯式和直通式兩種形式，但此類結(jié)構(gòu)凸模的維修更換不便，容易造成停工停產(chǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種快換凸模結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)為直通式，但不同于傳統(tǒng)的鉚接固定方式，而是通過在凸模的側(cè)面上開設(shè)矩形掛槽，凸模在固定板上裝配后，其矩形槽正好處于凸模固定板底部，通過墊片和螺釘即可將凸模固定在固定板上。凸模拆裝時(shí)，只需在開模狀態(tài)下松開螺釘，即可將凸模從固定板中拉出，實(shí)現(xiàn)凸模的快速拆卸。掛槽式轉(zhuǎn)換凸模結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.3 彈壓卸料機(jī)構(gòu)

沖壓生產(chǎn)中，為實(shí)現(xiàn)條料或帶料的卸料，并保證沖壓制件端面平整度，通常采用彈壓卸料裝置。本設(shè)計(jì)中的彈壓卸料裝置通過采用等高套筒，控制沖壓過程中各彈性元件的卸料行程一致，以便在卸料時(shí)提供均勻的彈性力，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)卸料，防止沖壓生產(chǎn)中的拉料、卡料等卸料不暢問題。該彈性卸料機(jī)構(gòu)不僅保證了沖壓生產(chǎn)的正常進(jìn)行，減小了沖壓事故的危害；同時(shí)對(duì)提高產(chǎn)品表面質(zhì)量具有重要的作用，尤其適合于產(chǎn)品形狀復(fù)雜、沖壓工序較多的精密沖壓場(chǎng)合。彈壓卸料裝置如圖5所示。

圖3 承料板 圖4 掛槽式快換凸模

1-螺塞;2-彈簧;3-墊塊;4-等高套筒;5-螺釘

4.4 模具結(jié)構(gòu)

異形墊圈沖裁模采用六工位的級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)，由于工位較多，因此，設(shè)計(jì)中各凹模采用鑲件形式，通過凹模固定板進(jìn)行固定，各沖裁凸模采用快換式結(jié)構(gòu)，既可保證凸模的裝配精度，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)凸模的快速換修。

異形墊圈級(jí)進(jìn)沖壓模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1-內(nèi)六角螺釘;2-等高套筒;3-墊塊;4-彈簧;5-螺塞;6,7,8,9,12-快換凸模;10-緊固螺釘;11-墊片;13-上模座;14-上墊板;15-切斷刀;16-凸模固定板;17-卸料背板;18-卸料板;19-凹模固定板;20-下墊板;21-下模板;22,24,25,26,27-凹模鑲件;23-浮升銷;28-承料板

為保證制件沖壓精度，采用了彈壓卸料裝置，模具裝配后，通過保證等高套筒的高度偏差來控制各彈性元件的卸料行程。沖壓過程中，當(dāng)卸料板18和凹模固定板19上的材料接觸后，上模繼續(xù)下行，在材料的反作用力下，彈簧4壓縮，在卸料板18的帶動(dòng)下，卸料背板17和螺塞5一起向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)等高套筒2和墊塊3一起上行，當(dāng)滑塊處于下止點(diǎn)時(shí)，墊塊3的下端面和凸模固定板16的上端面之間形成卸料回程空間，此時(shí)卸料背板17和墊片11之間要保持安全距離，以免發(fā)生干涉。沖壓結(jié)束后，上?；爻?，在彈簧4的作用下，墊塊3和等高套筒2向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)卸料背板17、卸料板18和螺塞5一起回程，當(dāng)墊塊3的下端面和凸模固定板16的上端面接觸后，卸料結(jié)束。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的異形墊圈連續(xù)沖壓模具結(jié)構(gòu)合理，可實(shí)現(xiàn)“一沖二”，生產(chǎn)效率較高，采用等高套筒彈性卸料方式可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)卸料，保證制件平整性?？ú凼娇鞊Q凸模裝置制造簡(jiǎn)單、安裝和更換方便，尤其適用于凸模形狀復(fù)雜、局部薄弱且需要經(jīng)常維修、更換的沖壓場(chǎng)合，具有很好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。