不銹鋼板簧的級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)

胡志華

（成都工業(yè)學(xué)院/四川省高校模具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都611730）

1 制件及工藝性分析

設(shè)計(jì)沖制如圖1所示的某數(shù)碼復(fù)印機(jī)上的不銹鋼板簧級(jí)進(jìn)模。零件材料為SUS-CSP-1/2H，料厚0.3 mm，未注圓角半徑為R1，月產(chǎn)量30萬件。

零件為一帶孔彎曲件，其基本沖壓工序主要包括沖孔、彎曲及落料。零件上的直徑3 mm孔和寬度3 mm槽的公差等級(jí)為IT9，彎曲后卷圓的邊緣到直徑3 mm孔中心的距離為IT11，其余為IT14，符合一般級(jí)進(jìn)模沖壓的精度要求。該零件屬于中小尺寸沖件，復(fù)雜程度中等，最小孔徑為3 mm，尺寸精度要求不是很高，因此可采用普通沖裁工藝沖切外形和內(nèi)孔。制件有兩個(gè)彎曲部位，一個(gè)是單角彎曲，采用一次成形；另一個(gè)為卷圓彎曲，分為兩次彎曲，一次預(yù)彎，另外一次可考慮采用斜楔加滑塊進(jìn)行卷圓。由以上分析可知，該沖件主要沖壓工序工藝性良好。

圖1 不銹鋼板簧

2 沖壓工藝方案及排樣

由于該沖件尺寸小且屬于大批量生產(chǎn)，故采用級(jí)進(jìn)模沖壓加工，初步考慮直對(duì)排和斜排兩種方式（圖 2）。

直對(duì)排方案的材料利用率較高，但因?yàn)樯婕暗皆诎寄Ｖ虚g位置彎曲卷圓，需用斜楔結(jié)構(gòu)成形，同時(shí)還要考慮彎曲成形后的托料高度及讓位，因此，模具相對(duì)較復(fù)雜，制造成本增加，且彎曲線與材料軋制方向平行，材料的相對(duì)彎曲半徑會(huì)減小，不利于彎曲成形。

斜排方案雖然材料利用率會(huì)降低，但模具結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，且彎曲線方向與材料軋制方向始終有一定角度，有利于彎曲成形?？紤]到模具的復(fù)雜程度，宜選用斜排方案。初算材料利用率為31.27%，且制件的外形需考慮分段沖切（圖2b）。

圖2 坯料初步排樣方案

零件屬于典型的有一側(cè)彎曲成形，優(yōu)先考慮在不變形的一側(cè)設(shè)置單側(cè)載體，其寬度為4 mm，并在載體上沖直徑3 mm的導(dǎo)正工藝孔作間接導(dǎo)正。產(chǎn)品零件精度要求不高，故條料送進(jìn)采用ⅡC型側(cè)刃作粗定位零件，控制送料步距。送料兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)料板，起到寬度方向的導(dǎo)料作用。工序件在彎曲工序后形成一定的空間高度，彎曲部分面積較大，條料又是用的單側(cè)載體，材料厚度為0.3 mm，故需采用托料塊將條料托起至送進(jìn)線高度，以便繼續(xù)送進(jìn)。

綜合以上分析，可確定零件的沖制采用11個(gè)工位級(jí)進(jìn)模，工序排樣見圖3。通過計(jì)算取條料寬度68 mm，步距30 mm，步距精度δ為±0.015 mm。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本模具采用正裝式連續(xù)結(jié)構(gòu)。零件屬大批量生產(chǎn)，為了確保其質(zhì)量及穩(wěn)定性，選用外導(dǎo)向模架，以及卸料板的小導(dǎo)柱導(dǎo)套進(jìn)行精密導(dǎo)向。為了便于送料，選用四角導(dǎo)柱模架。該零件沖壓工序含有沖槽、沖孔，故應(yīng)有卸料裝置。又由于零件沖壓還有彎曲工序，且材料厚度較小，所以選用彈壓卸料板。

圖3所示的工序排樣圖中，凹模工作區(qū)尺寸在100 mm×300 mm左右，加上螺釘、銷釘和斜楔、滑塊所占據(jù)的位置，取為200 mm×400 mm。其他模板的尺寸取為與凹模板平面尺寸一致。

零件沖壓的最大行程工位是9的彎曲工序，其實(shí)際彎曲行程是15 mm。模具開啟狀態(tài)下，凸模下表面至凹模表面的最小距離取為17 mm。經(jīng)過分析設(shè)計(jì)，各模板相關(guān)尺寸取值為：凹模板厚30 mm、卸料板厚44 mm、凸模固定板厚30 mm、凸模墊板厚12 mm、凹模墊板厚10 mm、凸模高度（沖孔凸模）92 mm、模具工作區(qū)開啟高度大于158 mm、模具工作區(qū)閉合高度約141 mm。

圖3 工序排樣圖

3.2 工作零件設(shè)計(jì)

該零件既有沖孔又有落料。沖孔時(shí)，選凸模為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)件，按配制加工方法加工，只需計(jì)算沖孔凸模尺寸及制造公差，凹模的刃口尺寸由凸模的實(shí)際刃口尺寸按間隙要求配制即可。落料時(shí)，選凹模為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)件，按配制加工方法加工，只需計(jì)算落料凹模的刃口尺寸按間隙要求配制即可。

因?yàn)橹萍衔礃?biāo)注彎曲圓角半徑，查閱資料得最小相對(duì)彎曲半徑rmin/t，取其彎曲半徑為1 mm。奧氏體不銹鋼彎曲回彈值與低碳鋼相當(dāng)，而在U形彎曲時(shí)，回彈值隨凸、凹模間隙增大對(duì)回彈的影響比20鋼要小得多。相對(duì)彎曲半徑為3.3，屬于小半徑彎曲（大變形程度）。彎曲半徑的變化一般很小，可不予考慮，而僅考慮彎曲角度的回彈變化?？蛇\(yùn)用查表法查取回彈角的經(jīng)驗(yàn)修正數(shù)值為3°。

彎曲工位及彎曲凸模、凹模工作部分形狀設(shè)計(jì)見圖4。預(yù)彎端部圓弧取80°，為保證成形，將凹模的圓弧中心向內(nèi)側(cè)偏移，使其局部成形。鉸鏈卷圓后會(huì)有回彈現(xiàn)象，回彈值與相對(duì)彎曲半徑有關(guān)，并隨之增大，卷圓成形的凹模尺寸應(yīng)比鉸鏈外徑減小0.2～0.5 mm，所以卷圓部分的凹模半徑取5 mm。

由于采用正裝式結(jié)構(gòu)，凸模一律用固定板安裝于上模，斜楔用螺釘和銷釘固定在固定板上。沖裁凹模直接加工在凹模板上，預(yù)彎凹模和單角彎曲凹模采用鑲?cè)胧浇Y(jié)構(gòu)，用螺釘緊固于下模座上，以凹模上的相應(yīng)孔進(jìn)行定位。卷圓用斜楔和滑塊成形，卷圓部分用硬質(zhì)合金鑲件，用螺釘緊固在滑塊上，滑塊在圓柱銷和斜楔的作用下在凹模的槽內(nèi)進(jìn)行卷圓工作，并在彈簧的作用下自動(dòng)復(fù)位（圖5）。

圖4 彎曲成形步驟

圖5 卷圓部分模具結(jié)構(gòu)

3.3 其他零部件設(shè)計(jì)

3.3.1 卸料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中已確定采用彈壓卸料，卸料板為整體式，壓料力、卸料力都是由卸料板上安裝的均勻分布的彈簧受壓而產(chǎn)生的。由于卸料板與各凸模的配合間隙很小，安裝卸料板較麻煩，在不必要的情況下，盡可能不把卸料板從凸模上卸下來。考慮到刃模時(shí)既不需把卸料板從凸模上取下，又要使卸料板低于凸模刃口端面以刃模凸模，常采用組裝形式，彈簧用螺釘限位，刃模時(shí)只需旋出螺塞，彈簧即可取出，不受彈簧作用的卸料板隨之可向上模座方向移動(dòng)，露出凸模刃口端面，即可重磨刃口，同時(shí)更換彈簧也十分方便。本模具采用內(nèi)螺紋式卸料螺釘，彈簧壓力通過卸料螺釘傳至卸料板（圖6）。

圖6 卸料螺釘?shù)陌惭b

3.3.2 定位零件設(shè)計(jì)

在工序排樣中確定了側(cè)刃定距方式，為確保生產(chǎn)中側(cè)刃的剛度和條料送進(jìn)的方便，選用ⅡC型側(cè)刃。 規(guī)格為ⅡC30×10×95 GB2865.1-81.T10A。 導(dǎo)料板的寬度減小值等于側(cè)刃切去的條料寬度。條料的精定位由導(dǎo)正銷保證，共布置了5個(gè)導(dǎo)正銷。導(dǎo)正銷采用普通的彈頭型，固定在凸模固定板上，最后一個(gè)固定在落料凸模上。

由于該模具有較長(zhǎng)的彎曲凸模，且條料較薄，導(dǎo)正銷要比凸模先行導(dǎo)入材料才能起到導(dǎo)正的作用。如果導(dǎo)入部分大到1.5～2 t時(shí)，當(dāng)上模上升，條料的輕微竄動(dòng)都有可能卡住導(dǎo)正銷，有時(shí)會(huì)和導(dǎo)正銷一起上升，將條料拉變形，這種情況會(huì)使條料不能正常送進(jìn)。因此，考慮在導(dǎo)正銷的附近安裝小彈頂器，保證送料順利進(jìn)行（圖7）。

圖7 導(dǎo)正銷設(shè)計(jì)

3.3.3 頂料及出件

根據(jù)工序和條料載體情況，選用托料塊，其托料高度為26 mm。由工序排樣圖可知，模具最后工位通過切斷載體實(shí)現(xiàn)零件與條料的分離。沖件在送料過程中，由條料端頭頂出后，從凹模左側(cè)落下，需從模具左側(cè)收集制件，也可用模外可動(dòng)氣嘴吹離制件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，固定方便靈活，應(yīng)用廣泛。利用壓縮空氣清理模面的制件或廢料時(shí)，應(yīng)正確設(shè)計(jì)氣嘴位置、方向和所用氣壓的大小，同時(shí)要注意不要損傷制件（用軟質(zhì)袋承接制件），其具體情況根據(jù)生產(chǎn)時(shí)的具體條件進(jìn)行確定。

3.3.4 檢測(cè)裝置

在級(jí)進(jìn)沖壓中，材料的自動(dòng)送料裝置有時(shí)會(huì)因環(huán)境的微小變化而使送進(jìn)步距失準(zhǔn)，若不及時(shí)排除，就會(huì)損壞制件或造成凸模折斷。為了防止級(jí)進(jìn)模連續(xù)沖壓加工出現(xiàn)的送料步距失誤，在多工位級(jí)進(jìn)模內(nèi)裝入檢測(cè)凸模。當(dāng)檢測(cè)凸模發(fā)現(xiàn)誤送時(shí)，檢測(cè)凸模的動(dòng)作將推動(dòng)頂桿使其與微動(dòng)開關(guān)接觸，從而通過控制電路達(dá)到使沖床急速停止的目的。圖8是該模具所使用的導(dǎo)正孔檢測(cè)的形式。

圖8 誤送檢測(cè)

3.3.5 零件選材

不銹鋼的抗拉強(qiáng)度比一般鋼板大，沖壓力大，增大了對(duì)凸、凹模側(cè)壁部分的磨損，使模具壽命大大降低。沖壓不銹鋼零件時(shí)，凸、凹模材料一般多選用高鉻工具鋼，如Cr12、Cr12MoV等，以增加模具零件的抗磨損能力。該模具的凸模和凹模選用Cr12MoV，卸料板選用T10A，成形鑲塊選用硬質(zhì)合金。模具裝配簡(jiǎn)圖見圖9。

4 結(jié)語

該模具是一副經(jīng)濟(jì)適用型模具。凹模采用鑲拼式，便于刃磨、維修、更換及節(jié)約貴重材料。鑲塊下面設(shè)計(jì)了調(diào)整墊片，方便調(diào)整，同時(shí)也節(jié)約了貴重材料。卸料螺釘采用內(nèi)螺紋組合式，便于刃磨凸模工作部分。彎曲工序的成形方法較特殊，運(yùn)用了斜楔滑塊機(jī)構(gòu)完成側(cè)面的卷圓，機(jī)構(gòu)考慮較周到，動(dòng)作穩(wěn)定可靠。不足的是，沖裁工序較分散，前面幾步的沖孔可適當(dāng)合并，這樣能使模具更加緊湊；彎曲成形部分的回彈預(yù)測(cè)與實(shí)際生產(chǎn)有所出入，應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)膹澢Ｕの弧?/p>

圖9 模具裝配圖

[1] 《沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組.沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 成虹.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) [M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 段來根.多工位級(jí)進(jìn)模與沖壓自動(dòng)化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.