墊圈套裁沖壓成形分析與模具結構設計

許春龍

(蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

墊圈是一種常用的沖壓產品，是機械設備中用于零部件間螺紋聯接的常用零件，能增加被聯接件的支承面積，減少接觸處的壓強，避免擰緊螺母時擦傷被聯接件的表面。實際生產應用中，墊圈的規(guī)格較多，且使用需求量較大，由于沖壓加工的原材料費用占產品生產成本的60%～70%[1]，提高材料利用率和沖壓生產效率是降低產品成本的有效措施。因此，高效低成本的加工就成為墊圈生產制造的關鍵。沖壓生產中提高材料利用率主要通過改善產品結構和設計合理的排樣方式；提高沖壓生產效率除了改善沖壓設備性能外，更可行的措施是采用“一模多沖”的套裁方式，而套裁沖壓一般為復合模具結構，其中成形零件能否實現快速更換是模具設計的關鍵。為此，本文為某客戶設計了一種可實現成形零件快速更換的墊圈套裁沖壓模具。

1 墊圈沖裁工藝分析

圖1為墊圈系列規(guī)格。墊圈材料為Q235，厚度為2 mm，年產量為100萬件。該墊圈為典型的沖孔落料沖裁件，結構簡單，尺寸適中。圖1所示的墊圈系列規(guī)格中的內、外形尺寸接近，為提高材料利用率和沖壓生產效率，可采用“一模多沖”的套裁沖壓方式。因為墊圈的使用是為了滿足螺紋連接的需求，孔的結構和尺寸屬于配合尺寸，因此，通過和客戶溝通后將墊圈系列規(guī)格中的墊圈1、墊圈2和墊圈3的外徑尺寸進行變更，使其分別與墊圈2、墊圈3和墊圈4的內孔尺寸一致，從而在滿足產品裝配使用需求的前提下實現墊圈套裁沖壓。改進后的墊圈系列規(guī)格如圖2所示。

圖1 墊圈系列規(guī)格

圖2 改進后墊圈系列規(guī)格

2 墊圈套裁排樣設計

通過對墊圈的沖裁工藝性分析，該制件的基本沖壓工序只有沖孔和落料。由于生產批量較大，可考慮采用復合?；蜻B續(xù)模，同時該墊圈系列規(guī)格尺寸接近，通過對墊圈結構工藝改進后，復合?？蓪崿F其套裁沖壓，從而大大提高沖壓生產效率。

2.1 沖裁排樣方案

由于墊圈形狀簡單規(guī)則，為提高原材料利用率，降低墊圈沖壓生產成本，采用直排的排樣方式，以簡化模具結構。

2.2 排樣參數計算

沖裁排樣的主要參數有搭邊、料寬B和步距S。其中，搭邊通常采用經驗數據，可根據沖壓技術手冊確定，料寬和步距可根據沖裁件的尺寸和搭邊值計算得出。

(1)搭邊的確定。根據文獻[2]，墊圈沖裁時，其側搭邊a=2 mm，工件間搭邊a1=1.5 mm。

(2)料寬的確定。料寬B的計算公式[3]為：

B=D1+D+2a=(D+a1)sin60°+D+2a.

(1)

其中：D1為相鄰兩個沖裁件對稱中心之間的距離；D為墊圈4的外徑。

將數值代入式(1)計算得：B=98.6 mm。

(3)步距的確定。沖裁排樣時，送料步距的計算公式為：

S=D+a1.

(2)

將數值代入式(2)計算得:S=51.5 mm。

墊圈套裁沖裁排樣設計如圖3所示。

圖3 墊圈套裁沖裁排樣

3 墊圈復合模結構設計

通過對墊圈系列規(guī)格尺寸調整后，使得墊圈系列規(guī)格尺寸中孔和外形尺寸一致，從而實現一沖四的套裁沖壓，可大大提高材料利用率和沖壓生產效率。

墊圈套裁復合模結構如圖4所示。由于墊圈系列規(guī)格的沖壓生產方式為一沖四，故該復合模結構中共有6個成形零件，分別為沖Ф11孔的沖孔凸模、實現Ф50工序的落料凹模以及4個凸凹模零件，因此模具結構比較復雜。如何實現在同一工位上完成多個凸模、凹模以及凸凹模的安裝，并確保裝配精度，以實現正常沖壓生產，保證沖裁質量，是復合模具制造的一個難點。同時，沖壓生產中成形零件刃口和材料的反復接觸易造成刃口磨損[4]，如何實現成形零件的快速更換，也是該模具的設計重點和難點。

1-上墊板；2-快換凸凹模；3，10-凸凹模固定板；4-墊片；5，19-緊固螺釘；6-落料凹模；7-頂件塊；8-卸料板；9，16，20-凸凹模；11-下墊板；12-下模座；13-卸料螺釘；14-沖孔凸模；15-橫銷；17-槽型掛鉤；18-推件塊；21-模柄；22-打桿；23-連接推桿；24-推板

為解決成形零件的快速更換問題，本設計中采用了掛槽式快換凸凹模結構，如圖5所示?？鞊Q凸凹模2采用直通式形式，凸凹模的側面上開設矩形掛槽，其在固定板3上裝配后，矩形槽正好處于固定板底面，通過墊片4和螺釘5即可將凸凹模固定在固定板上[5]。

圖5 掛槽式快換凸凹模

同時，凸凹模固定板3和落料凹模6側面通過若干個(一般根據模具大小采用4個～8個)槽型掛鉤17連接，并通過螺釘19緊固。當凸凹模需要維修更換時，只需松開緊固螺釘，從側面拆下槽型掛鉤，將落料凹模和推件塊18拆卸；同時從快換凸凹模2槽型底面拆除墊片4和緊固螺釘5，即可將快換凸凹模2拆卸并進行維修更換，從而實現凸凹模的快速更換。

4 墊圈套裁沖壓工作原理

由于模架形式為中間導柱模架，故沖壓送料采用縱向送進方式。鋼板規(guī)格選定后，根據下料尺寸由剪板機將鋼板裁剪成條料。沖壓時，條料由導料銷和擋料銷進行定位，首先由卸料板8、頂件塊7和落料凹模6將條料壓緊，從而防止凸緣部分材料的翹曲而影響產品平整度。合模后，在沖孔凸模14、落料凹模6和凸凹模2、9、16、20的刃口作用下，完成一沖四的墊圈套裁沖壓。開模后，條料由彈性卸料裝置卸下，沖孔廢料和制件分別由推件裝置和頂件裝置排出模具型腔，以便下一個沖壓過程的正常進行。

5 結束語

本文設計的墊圈套裁復合沖壓模具，結構新穎，生產可靠。通過改善墊圈結構工藝，可實現一沖四的套裁沖壓，沖壓生產效率較高；排樣采用直對排方式，可大大提高材料利用率，降低墊圈沖壓生產成本。為實現成形零件的快速更換，設計了槽式快換凸凹模裝置，該快換式凸凹模裝置結構簡單、原理可行，拆裝方便，尤其適用于成形零件形狀復雜、局部薄弱、需要經常維修、更換的沖壓場合，具有很好的應用前景和實際意義。