金龍建，金龍周，王 樸

(1. 松渤電器(上海)有限公司，上海 201323；2. 臨海市歐中汽車模具股份有限公司，浙江 臨海 317005；3. 上海工程技術(shù)大學(xué) 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200437)

0 引言

圖1為螺母板零件，材料為HX340LAD高強(qiáng)度鍍鋅板，板厚為2.5 mm，是某汽車上的緊固連接件。該制件舊工藝是將螺母與沖壓件焊接在一起，所需工序多，焊接成本較高，表面粗糙，滿足不了大批量生產(chǎn)的需要。如有虛焊，將導(dǎo)致螺母與沖壓件在受力過程中松動(dòng)、脫落，從而影響制件的質(zhì)量。為滿足大批量的生產(chǎn)需求，本設(shè)計(jì)將焊接工藝改成拉深、鐓擠一體成型工藝，并用多工位級(jí)進(jìn)模來沖壓，使沖壓出的制件外觀靈巧，而且拉深成型的強(qiáng)度大于焊接件的強(qiáng)度。

(a) 主視圖

(b) 立體圖

(c) 俯視圖

1 工藝分析

從圖1可以看出，制件內(nèi)孔直徑為8.2 mm，沖壓后攻M10螺紋用，為確保螺紋的緊固強(qiáng)度，拉深部分設(shè)計(jì)成壁厚不均勻，即底部壁厚為3.4 mm，拉深件帶有7.2°的錐度(拉深R角與錐度連接處壁厚為3.88 mm)，但制件料厚為2.5 mm，完成拉深壁厚大于板料的厚度，需經(jīng)過多次鐓擠成型工藝才能達(dá)成，因此拉深、鐓擠成型是該制件的成型難點(diǎn)。

在多工位級(jí)進(jìn)模上完成該制件的沖壓成型，需經(jīng)過預(yù)切工藝切口→多次拉深→多次鐓擠→沖底孔→外形修邊→翻邊→彎曲→落料(制件與載體分離)等沖壓工藝。

2 毛坯計(jì)算

該制件比較特殊，有拉深、鐓擠、翻邊及彎曲工藝，那么計(jì)算其毛坯要分3個(gè)步驟(先后順序不能對(duì)調(diào))，即彎曲展開計(jì)算→翻邊毛坯計(jì)算→拉深毛坯計(jì)算。具體計(jì)算方法如下：

1) 彎曲展開計(jì)算。從圖1可以看出，該制件彎曲R角不規(guī)則，類似此形狀可以先按照彎曲工藝計(jì)算其展開尺寸[1]，再參照經(jīng)驗(yàn)值或試沖進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算后的展開圖如圖2所示。

圖2 彎曲展開示意

2) 翻邊毛坯計(jì)算。翻邊展開尺寸可按相關(guān)資料的公式計(jì)算[2]，或直接用相關(guān)的軟件展開即可，計(jì)算后的展開圖如圖3所示。

圖3 彎曲、翻邊展開示意

3) 拉深毛坯計(jì)算[3]。計(jì)算拉深毛坯尺寸前要先將凸緣處加上修邊余量，底部按拉深工藝作工藝補(bǔ)充，經(jīng)過加上修邊余量及優(yōu)化后，如圖4所示(凸緣部分修邊余量見圖示的陰影部分)。因該制件拉深壁厚不均勻，因此拉深毛坯按體積計(jì)算誤差較小，從資料查得、計(jì)算及優(yōu)化后的毛坯外形及相關(guān)尺寸如圖5所示。

圖4 計(jì)算拉深毛坯工藝示意

圖5 制件毛坯示意

3 拉深工藝計(jì)算

3.1 拉深系數(shù)、各次拉深直徑及凸、凹模圓角半徑計(jì)算

拉深系數(shù)、各次拉深直徑及凸、凹模圓角半徑是拉深工藝中的重要參數(shù)[4]，因此計(jì)算時(shí)要反復(fù)推敲及驗(yàn)證才可進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。經(jīng)分析，該制件采用有工藝切口形式的連續(xù)拉深較為合理。以拉深用鋼板作為計(jì)算拉深系數(shù)的依據(jù)，首次拉深就要留出凸緣，那么拉深系數(shù)可按帶凸緣筒形拉深件計(jì)算。從相關(guān)資料查得[5]，首次拉深系數(shù)m1=0.56～0.60，以后各次拉深系數(shù)m2，m3， …，mn都為0.75～0.80。當(dāng)該制件板料強(qiáng)度較高，因此拉深系數(shù)略取大些，經(jīng)過計(jì)算及結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值調(diào)整后的拉深系數(shù)、拉深直徑及凸、凹模圓角半徑如表1所示。從表1第8次拉深直徑可以看出，該工序的拉深直徑與制件的直徑相差較大(該工序的拉深直徑為半成品工序)，制件的直徑要根據(jù)后面工序采用鐓擠及整形工藝來達(dá)到尺寸要求。

表1 拉深系數(shù)、拉深直徑及凸、凹模圓角半徑參數(shù)

3.2 拉深高度計(jì)算

如厚料拉深高度按薄料或理論計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致拉深后各工序底部變薄的情況較為嚴(yán)重，甚至開裂及斷裂，通常各工序的拉深高度等于制件的高度，使每次拉深時(shí)多余的材料返回到凸緣處。該制件材料較厚，因此可以圖4中的拉深高度為基準(zhǔn)，即各工序的拉深高度等于或高于圖4中的高度(拉深高度H=13.0 mm，不含料厚)。

4 排樣設(shè)計(jì)

4.1 載體設(shè)計(jì)

對(duì)于制件板料厚度大于2.0 mm以上的拉深件，大多采用工藝伸縮帶來連接制件與載體[5]。通過在拉深過程中坯料和伸縮帶的變形，使毛坯能順利地流入到拉深凹模內(nèi)(有利于材料塑性變形)，而拉深后載體仍保持原來的狀態(tài)，不變形、不扭曲，便于送料，又能減少拉深的阻力，從而獲得較高的產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)制件拉深、翻邊及彎曲的成型特點(diǎn)，該制件采用一出二排列方式，其伸縮帶設(shè)計(jì)如圖6所示。結(jié)合實(shí)際，求得帶料寬度210.0 mm；步距82.5 mm。并在帶料兩側(cè)，兩個(gè)工位之間的余料處設(shè)有2個(gè)直徑為6.0 mm的導(dǎo)正銷孔。

圖6 伸縮帶一出二對(duì)排排列方式示意

4.2 排樣設(shè)計(jì)

排樣設(shè)計(jì)是多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)，在確保能沖壓出合格制件的前提下，盡可能簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，降低制造成本，提高材料利用率，保證帶料傳遞的穩(wěn)定性等[6]都是在排樣時(shí)要考慮的。該制件沖壓工藝比較復(fù)雜，有拉深、鐓擠、翻邊及彎曲等工序[7]。排樣如圖7所示，共分為26個(gè)工位，具體工位安排如下： 工位①?zèng)_導(dǎo)正銷孔、預(yù)切中部外形廢料；工位②、 ③預(yù)切外形廢料；工位④空工位；工位⑤首次拉深；工位⑥空工位；工位⑦二次拉深；工位⑧三次拉深；工位⑨四次拉深；工位⑩五次拉深；工位六次拉深；工位七次拉深；工位八次拉深；工位第1次鐓擠；工位沖底孔；工位第2次鐓擠；工位第3次鐓擠、沖中部導(dǎo)正銷孔；工位第4次鐓擠；工位、精切外形廢料；工位空工位；工位翻邊；工位空工位；工位彎曲；工位空工位；工位制件與載體分離。

①?zèng)_導(dǎo)正銷孔、預(yù)切中部外形廢料；②、③預(yù)切外形廢料；④空工位；⑤首次拉深；⑥空工位；⑦二次拉深；⑧三次拉深；⑨四次拉深；⑩五次拉深；六次拉深；七次拉深； 八次拉深；第1次鐓擠；沖底孔；第2次鐓擠；第3次鐓擠、沖中部導(dǎo)正銷孔；第4次鐓擠；、精切外形廢料；空工位；翻邊；空工位；彎曲；空工位； 制件與載體分離圖7 排樣示意

5 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 模具總體設(shè)計(jì)

螺母板多工位級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)如圖8所示，該模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)巧妙。最大外形長(zhǎng)為2 300 mm，寬為750 mm，閉合高度為470 mm。為防止模板變形，方便維修及拆裝等，此模具為多組模板組合成一副較大的多工位級(jí)進(jìn)模。上模部分(上墊板、凸模固定板、卸料板墊板及卸料板)由7組模板組合而成；下模部分(固定板、下墊板)由5組模板組合而成。

5.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1) 為確保上、下模在沖壓時(shí)能很好地對(duì)準(zhǔn)定位。該模具在模座及各組模板上均設(shè)計(jì)了導(dǎo)柱、導(dǎo)套對(duì)準(zhǔn)定位，即上、下模座設(shè)計(jì)4套?63 mm的鋼球?qū)е?、?dǎo)套；每組模板各設(shè)計(jì)4套?20 mm的小導(dǎo)柱、小導(dǎo)套。

2) 卸料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。該模具第一、二、五、六、七組卸料板在沖壓時(shí)起壓料作用，當(dāng)沖壓完成，在模具回程時(shí)起卸料作用；而第三、四組卸料板起卸料及部分凸緣整形作用。其動(dòng)作是： 當(dāng)上模下行時(shí)，利用下模設(shè)置的反推桿(圖中未畫出)先將卸料板頂起，支撐住，上模繼續(xù)下行，凸模逐漸露出卸料板，對(duì)各工序進(jìn)行拉深及鐓擠工作；模具閉合時(shí)，卸料板將各工序件的凸緣處整平，模具回程，卸料板將包在各凸模上的工序件卸下。

3) 導(dǎo)正銷孔設(shè)計(jì)[9]。該模具的導(dǎo)正銷孔分別在工位①和工位上沖切出，工位②～依靠?jī)蛇呡d體上的導(dǎo)正銷孔精確定位。從排樣圖或模具結(jié)構(gòu)圖中可以看出，在工位將兩邊載體及外形廢料沖切后，工位～在沖壓過程中只能依靠中間的導(dǎo)正銷孔精確定位。在工位②沖切出時(shí)，經(jīng)過多次拉深及鐓擠，由于坯料的不規(guī)則變形，會(huì)導(dǎo)致此導(dǎo)正銷孔變形或移位等，那么后續(xù)成型及沖裁帶料起不到精確定位作用。

5) 為提高拉深凸、凹模的耐磨性能，延長(zhǎng)模具使用壽命，該模具拉深凹模采用一勝百V4E(VANADIS 4 EXTRA)制作，熱處理硬度61～63HRC；拉深凸模采用SKH51制造，熱處理硬度60～62HRC。

1-彈簧；2-螺釘；3-下墊板；4-下模固定板；5-鐓擠前工序件(稱坯件)；6-鐓擠凸模；7-整凸緣凸模；8-螺釘;9-上模座；10-上墊板；11-凸模固定板；12-卸料板墊板；13-卸料板；14-鐓擠后工序件；15-鐓擠凹模；16-等高套筒；17-墊圈；18-下模座；19-螺塞圖9 第1次鐓擠結(jié)構(gòu)示意

7) 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)。從圖8可以看出，該模具的后端設(shè)置有檢測(cè)裝置組件[11]41。其工作原理是： 當(dāng)帶料即將送料結(jié)束時(shí)，帶料末端的制件將檢測(cè)裝置的T形圓柱銷從左往右推，使T形圓柱銷的尾部感應(yīng)到感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)感應(yīng)開關(guān)接收到信號(hào)時(shí)，壓力機(jī)連續(xù)工作。反之，如感應(yīng)開關(guān)未接收到信號(hào)，證明帶料沒有送料到位，此時(shí)壓力機(jī)即自動(dòng)停止工作，對(duì)模具起到了很好的保護(hù)作用。

6 模具生產(chǎn)驗(yàn)證

在壓力為3 000 kN的閉式壓力機(jī)上進(jìn)行試沖，模具及制件實(shí)物如圖10所示。經(jīng)過大批量生產(chǎn)驗(yàn)證，沖壓平均速度可達(dá)到40 件/min。試驗(yàn)結(jié)果表明： 該制件采用一出二連續(xù)拉深、鐓擠、翻邊及彎曲工藝的多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)，合理可行，滿足了大批量生產(chǎn)的需求。

(a) 模具實(shí)物

(b) 制件實(shí)物

7 結(jié)論

1) 該螺母板模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用8次拉深、4次鐓擠、翻邊及彎曲等26個(gè)工位組合成一副較大的多工位級(jí)進(jìn)模，前后沖壓工藝安排合理有序，即先預(yù)切工藝切口，方便后續(xù)拉深，拉深結(jié)束后再進(jìn)行鐓擠，接下來進(jìn)行翻邊及彎曲等成型工作，全部成型結(jié)束后分離制件與載體。

2) 為防止模板變形，方便維修、調(diào)試及拆裝，此模具由多組模板組合成，因此對(duì)設(shè)計(jì)、制造的要求較高。

3) 從制件圖中可以看出，該制件壁厚不均勻，筒體最小的壁厚也大于板料的厚度，而且?guī)в?.2°的錐度，因此該模具采用先拉深后鐓擠的成型工藝，很好地解決了筒壁增厚的難題。

4) 該模具結(jié)構(gòu)新穎、合理、可靠，沖壓出的制件質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高。經(jīng)過多年的生產(chǎn)驗(yàn)證得知，采用一出二排列的多工位級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)是合理可行的，滿足了大批量生產(chǎn)的需求。既能夠獲得較高的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，又能夠減小設(shè)備投資，降低產(chǎn)品成本，有效地提高了經(jīng)濟(jì)效益。