篩片沖孔模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱處理工藝設(shè)計*

梁其文

(臨夏市農(nóng)機制造有限責任公司，甘肅 臨夏 731100)

1 模具總體結(jié)構(gòu)

篩片是粉碎機械的主要零件，不僅決定著粉碎物的粒度，還嚴重影響機器的效率，同時它又是一個易損件，需用量極大。上面的篩孔(常用篩孔孔徑在φ1.0～φ5.0之間)是在沖床上用沖孔模具沖制而成的。為此，筆者就此沖孔模具凸模的剛度、凸模與凹模孔的排列和熱處理工藝做了一些思考，解決了篩片沖孔模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱處理工藝設(shè)計，為篩片的規(guī)?；a(chǎn)提供可靠的技術(shù)保證。

筆者認為開空率較大的小孔模具，在總體結(jié)構(gòu)上選用導向模架，因為它導向精度高，上下部分對準性好，能保證均勻合理的沖裁間隙，安裝調(diào)試也非常方便。卸料裝置采用剛性卸料板，使其同時也具有導向板的功能(增加凸模剛度)。凸模選用階梯形，以增加剛度和穩(wěn)定性;凹模選用階梯形，其刃口強度高，修磨后尺寸不發(fā)生變化，且制造工藝簡單。在選料上，固定板、卸料(導向)板選用45#鋼，凸模、凹模選用Cr12鋼，以上模具構(gòu)件都應(yīng)經(jīng)過鍛造和預備熱處理。

2 凸模結(jié)構(gòu)

這種長徑比較大的小孔凸模選用什么樣的結(jié)構(gòu)呢?按先行的說法，除采用導板導向外，可采用加裝護套的方式，它對于開孔率小的多孔沖磨來說是可行的，但對開孔率大的多孔沖模未被就可行。若該模具采用這種結(jié)構(gòu)，由于孔距太小，在安裝時護套之見會發(fā)生干涉。以沖裁GB3943-1983《園孔和長孔篩片》Ⅰb20號篩片為例(以下均以Ⅰb20號篩片為例)，采用截面直徑?jīng)]有變化的φ2鋼絲結(jié)果到底會怎樣呢?根據(jù)《機械制造工藝學》第119頁所提供的穩(wěn)定行校核公式可知［1］:

式中:d為凸模直徑;P為沖裁力。

A3的剪切強度:τ=3 450(kg/cm2)

剪切面積:

1個孔的沖裁力:

即Lmax≤21(mm)

這個結(jié)論說明，若選用截面沒有變化的凸模，它的最大自由長度不能超過21 mm，否則，由于剛度不足而發(fā)生彎曲，失去穩(wěn)定性。從模具結(jié)構(gòu)看，由于卸料板、凹模高度和安全閉合間隙的限制，自由長度不可能小于21 mm，所以要施加平衡外力或改變凸模結(jié)構(gòu)，以解決剛度不足。

筆者曾認為，在不改變凸模結(jié)構(gòu)的前提下，讓卸料板兼有導向板的作用，可以約束凸模，提高穩(wěn)定性，增加剛度，但此方法從根本上難以解決穩(wěn)定性的問題，而且此方法要提高導向板的制造精度，同樣也對凸模的尺寸精度要求極高，因此，不采用此方法。那么只有從改變凸模的結(jié)構(gòu)上去著手，采用階梯形凸模。因為從穩(wěn)定性校核公式可知，直徑增加1倍，自由長度允許值增加4倍，從力學的角度看，采用階梯形凸?？尚?，但由于篩片孔距太小，會給多個階梯形凸模的排列帶來困難，這是下面要解決的問題。

3 凸模與凹?？椎呐帕?/h2>

從篩片篩孔的分布來看，凸模采用階梯性幾乎不太可能，篩片上篩孔的排列如圖1所示，相鄰兩孔間距為3.5 mm(Ⅰb20號篩片相鄰篩孔孔距有3.0和3.5兩種)。按傳統(tǒng)的做法，在模具上凸模和凹模孔的排列與篩片上篩孔的排列一致，圖2中黑點所示，可稱為相鄰孔三角形排列。如果采用了這樣的排列，由于凹模上孔與孔之間，固定板上凸模與凸模之間的中心距也是3.5(部頒標準，20號篩片兩相鄰孔之間的距離是3.5)，不能采用階梯形凸模。因為階梯模的形狀是從沖裁部分、導向卸料部分到固定部分軸頸依次變大，最小軸頸排列應(yīng)該是φ2、φ3、φ4。到凸模固定板時，φ4固定部分形不成園形，而成鋸齒形。再說凹模孔與孔之間由于距離太近，連接過渡材料少，強度低，熱處理時，因組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的雙重作用，會加速變速，嚴重時還有可能造成開裂，另外也減少了沖裁受力面積。

圖1 篩片上篩孔的排列

圖2 凸模和凹模孔的相鄰孔三角形排列

經(jīng)細致分析，發(fā)現(xiàn)可把凸模和凹?？着帕谐膳c篩片篩孔完全不一致的三角形，如圖3黑點所示，可稱為跨孔三角形排列。它的排列是邊長為6.06的等邊三角形，送進步距為3.5。這樣既可以把凸模做成階梯狀，也可以一次成形，與上面的方案相比，孔與孔之間的連接過渡部分的長度增加了2倍，可減小熱處理時的變形和開裂趨勢。非?？尚械姆桨?。凸模的直徑分布分別是φ2、φ4、φ6，φ2部分的工作長度定為12 mm，問題得到很好的解決。

圖3 凸模和凹?？椎目缈兹切闻帕?/p>

通過上面的分析和研究，可得這樣的結(jié)論，凸模采用階梯形，凸模和凹模孔的排列采用跨孔三角形排列，可滿足篩片沖孔模具的要求，而且非常理想。

4 熱處理工藝設(shè)計［2］

把凸凹模的材料選為Gr12(C:2.0%～2.3%，Gr:11.5%～13%)，淬火后有較高的耐磨性和硬度。由于含有教高的鉻，所以能降低馬氏體M開始轉(zhuǎn)變點Ms點，使材料具有一定的殘余奧氏體A(它是一個不穩(wěn)定相，在低溫和壓力的作用下，會慢慢地自發(fā)向馬氏體M轉(zhuǎn)變，故精密零件還需要冷處理，最大限度的減少殘余殘余奧氏體A。但他也有有利的一面，它的存在，使鋼件淬火后的體積和原始狀態(tài)接近，可減少組織應(yīng)力，生產(chǎn)中使用的無變形淬火或微變形淬火就是根據(jù)這個道理來的。)，屬微變形材料。更值得一提的是Gr還能大幅提高鋼的淬透性，降低臨界冷卻速度，很容易得到馬氏體組織。此外還能細化晶粒，提高材料的屈服強度，給熱處理提供了容易的工藝條件。經(jīng)過多次探討和實驗，決定采用正火-球化退火-分級加熱，三硝水溶液淬火-中溫回火的熱處理工藝。

Gr12屬過共析鋼，經(jīng)鍛打而成后，在它的組織中往往有網(wǎng)狀滲碳體Fe3C，由于它割裂了基體，致使鋼的性能變脆，在淬火時容易造成開裂。而正火是消除網(wǎng)狀滲碳體Fe3C的有效手段。此外正火還能細化晶粒，鍛打造成的熱應(yīng)力得到松馳或重新分布均勻，降低殘余應(yīng)力。

在高碳鋼的原始組織中，少量的滲碳體以網(wǎng)狀的形式存在外，大量的滲碳體以片狀的形式存在，會造成工件硬度高，切削加工困難。其比容與馬氏體M相比，差別很大，淬火時存在較大的組織應(yīng)力，容易造成工件變形。對工件進行球化退火，不僅使鍛打后的工件得到軟化，而且還使片狀滲碳體轉(zhuǎn)化為球狀滲碳體。把工件加熱到球化溫度后，經(jīng)保溫，滲碳體由片狀轉(zhuǎn)向球狀。而球狀滲碳體的比容大于片狀滲碳體，當然與馬氏體的比容差別相對片狀要小，不會造成過大的組織應(yīng)力，相應(yīng)地在淬火時也不會造成過大的變形。球化退火是高碳鋼沖裁模具制造中不可缺少的熱處理工序。Gr12的工藝是:加熱到860℃，保溫2～4 h，然后以每小時小于30℃的速度冷卻到600℃后，出爐空冷。

對模具進行淬火時，既要得到馬氏體組織，還要使工件變形最小，由于碳和合金元素會大大降低工件的導熱性，因此，高碳合金鋼的加熱要緩慢和分級。我們采用分級的方法，在550℃等溫1 h后，再加熱到淬火溫度980℃。淬火液采用三硝水溶液(NaNO325%+Ca(NO3)220%+KNO320%+H2O35%)，這是因為它在奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域(C曲線的鼻子處，650～550℃之間)，冷卻速度比油快，可達500℃/s以上(20號機油120℃/s)，接近水的冷卻速度(20℃水，775℃/s)，保證奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變(VC=400℃/s左右)，使工件能被淬硬。隨著溫度的下降，處于飽和溶液中的工件，表面會形成一層沉積鹽層，沉積鹽層導熱性差，因而此時的冷卻速度比水慢，接近油的冷卻速度，這種熱過程的自動調(diào)整性能，可使淬火零件的馬氏體轉(zhuǎn)變比較均勻，有利于減少組織應(yīng)力，可有效的防止工件過大的變形和開裂傾向。

回火采用中溫回火。是因為模具所受到的載荷為交變沖擊載荷，要求模具既要有高的硬度，而且還要有一定的韌性，即要有高的綜合機械性能，中溫回火可滿足這樣的要求。

5 結(jié)語

用以上方法公司制作了20號和40號篩片沖孔模具，由于長徑比的原因，凸模的使用壽命40號篩片模具大于20號篩片，凹模使用壽命基本一致，能滿足生產(chǎn)要求。

［1］ 東北農(nóng)學院.機械制造工藝學［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1981.

［2］ 機械工業(yè)部.熱處理工藝學［M］.北京:科學普及出版社，1984.