基于數(shù)值模擬的封蓋沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)

丁華天，杜佳東，裘劍峰，王 蕾

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

1 引言

圖1 所示為某封蓋零件，材料08 鋼,料厚2mm，要求制造精度為IT14 級(jí)。此零件為帶凸緣的錐筒形件，需要采用拉深成形，經(jīng)過分析得到的加工過程為：落料、一次拉深、二次拉深、反向拉深、切邊五道工序。對(duì)五道工序進(jìn)行可行性分析，將落料、首次拉深復(fù)合成第一套模具，將二次拉深、反向拉深、切邊復(fù)合成第二套模具。本零件用于密封，因此有一定的粗糙度和精度要求，模具的成形難點(diǎn)在于第二套模具工件的定位問題，反向切邊質(zhì)量的保證等。

2 成形工藝與仿真分析

2.1 成形工藝分析

通過對(duì)產(chǎn)品零件的形狀、尺寸與材料性質(zhì)分析，可知該零件適合沖裁和拉深。沖裁該零件包括落料、拉深、反拉深三個(gè)基本的工序，且是大批量生產(chǎn)，符合復(fù)合沖壓模批量越大效率提高越明顯的特點(diǎn)。相對(duì)于單工序模來說，復(fù)合模具有生產(chǎn)效率高，沖壓件精度高的特點(diǎn)；相對(duì)于級(jí)進(jìn)模來說，又具有體積相對(duì)緊湊，定位精度高，定位方便的特點(diǎn)。符合當(dāng)前模具發(fā)展趨勢(shì)。整個(gè)工藝采用復(fù)合模，使用兩套模具，在第一套模具上進(jìn)行落料和拉深，成形后如圖2 所示；在第二套模具上進(jìn)行反拉深，模具相對(duì)較復(fù)雜，但能更好地保證精度，提高生產(chǎn)效率，成形后如圖3 所示。

2.2 仿真分析

本次設(shè)計(jì)利用模擬軟件對(duì)拉深過程進(jìn)行仿真分析，研究其拉深過程中的等效應(yīng)力、應(yīng)變及破壞情況，初步擬定落料、拉深、沖孔及切邊等工序，并為生產(chǎn)出的零件實(shí)現(xiàn)表面平整無拉裂、起皺提供理論依據(jù)。

由圖4 可知，零件第一次成形拉深過程中凸模圓角破壞最嚴(yán)重，是極易發(fā)生拉裂的部位。這與拉深理論相符，表明仿真結(jié)果符合實(shí)際。該零件破壞最大處為2.3＜49.9，說明該模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，符合設(shè)計(jì)要求；由圖5 第二次成形過程云圖同樣可知模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，符合要求。

由圖6 可知，零件第一次成形拉深過程中等效應(yīng)變發(fā)生在筒壁和凸模圓角部分。原因在于筒壁部分是由材料塑性流動(dòng)轉(zhuǎn)移而成，而凸模圓角部分承受著徑向和切向拉應(yīng)力的作用，因此變薄現(xiàn)象比筒壁部分嚴(yán)重得多。圖示處也是筒壁和凸模圓角部分等效應(yīng)變最大，最大值1.55＜10.6，說明模具符合設(shè)計(jì)要求；由圖7 第二次成形仿真云圖中，同樣可知模具設(shè)計(jì)符合要求。

由圖8 可知，零件等效應(yīng)力最大處在凸模圓角部分。該部分承受徑向和切向拉應(yīng)力作用，同時(shí)在厚度方向因受凸模壓力和彎曲作用而受到壓應(yīng)力作用。仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，再據(jù)圖中所示最大應(yīng)力606MPa＜615MPa，不會(huì)產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，說明模具符合設(shè)計(jì)要求；由圖9 同樣可知模具設(shè)計(jì)符合要求。

3 模具設(shè)計(jì)

3.1 模具結(jié)構(gòu)

3.1.1 第一套模具

（1）模架及導(dǎo)向

模具結(jié)構(gòu)如圖10 所示，該零件筒形件要求較高，為保證零件精度要求，采用復(fù)合模。為方便加工及降低成本，采用標(biāo)準(zhǔn)模架，模具采用后側(cè)導(dǎo)柱滑動(dòng)導(dǎo)向模架，包括后導(dǎo)向滑動(dòng)導(dǎo)向組件（主導(dǎo)柱22、導(dǎo)套21）、上模座17、模柄14、下模座4。上模部分由上模座17、上墊板19、凸凹模固定板11、卸料板24 等組成，其中上模座、上墊板、上模固定板通過標(biāo)準(zhǔn)緊固件和定位銷聯(lián)為一體。為保證模具制造精度和裝配精度，卸料板采用4 根卸料螺釘，另外，主導(dǎo)套與上模座采用厭氧膠粘接固定，以適當(dāng)降低導(dǎo)套孔的加工精度，避免內(nèi)孔處導(dǎo)向組件重復(fù)定位，保證模具的整體裝配精度。下模部分由下模座4、落料凹模8、下墊板6 、拉深凸模27、拉伸凸模固定板7 等組成并通過標(biāo)準(zhǔn)緊固件和定位銷聯(lián)為一體。

（2）定位和導(dǎo)料

該復(fù)合模具為卷料供料生產(chǎn)，板料在模具中必須有正確的位置，才能保證沖裁出外形完整的合格零件，正確的位置是依靠定位零件來保證的。前端用固定擋料銷保證條料的步距。送料粗定距依靠送料機(jī)送料精度，精確定位由模內(nèi)的擋料銷完成，由于采用復(fù)合模，因此只需保證送料步距精度即可，其定位累積誤差可控制在0.02mm 以內(nèi)。此道工序不采用側(cè)壓裝置，由兩個(gè)導(dǎo)料銷保證條料的正確送進(jìn)。

（3）壓料與卸料

模具壓料與卸料彈力由推件塊23、壓邊圈25及卸料板24 組成，三個(gè)部件都能起卸料作用，其中推件塊和壓邊圈既起推件作用又起壓邊作用。通過調(diào)節(jié)下端的止付螺母1 的位置可以調(diào)節(jié)壓料彈簧的預(yù)壓力，從而實(shí)現(xiàn)壓料力的平衡調(diào)節(jié)。另外，利用分別安裝在上下模座上的限位柱來控制閉模間隙，其既能為防止工作時(shí)因壓力過大而導(dǎo)致料帶嚴(yán)重壓薄，又可避免初始送料時(shí)模具尾端無料帶而引起的模具不平衡，從而保護(hù)模具。

3.1.2 第二套模具

（1）模架及導(dǎo)向

模具結(jié)構(gòu)如圖11 所示，同第一套模具一樣采用復(fù)合模，采用后側(cè)導(dǎo)柱滑動(dòng)導(dǎo)向模架，包括后導(dǎo)向滑動(dòng)導(dǎo)向組件（導(dǎo)柱 12、導(dǎo)套 11）、上模座 8、模柄 9、下模座3。上模部分主要有上模座8、拉伸凹模6 并通過標(biāo)準(zhǔn)緊固件和定位銷聯(lián)為一體。主導(dǎo)套與上模座同樣采用厭氧膠粘接固定。下模部分由下模座4、拉伸凸模5 等組成并通過標(biāo)準(zhǔn)緊固件和定位銷聯(lián)為一體。

（2）定位和頂料

該復(fù)合模具為單個(gè)進(jìn)行生產(chǎn)，定位基本由拉伸凸模完成。模具閉合沖裁一次完成后由頂桿13 將成形的工件從拉伸凸模頂出，頂出機(jī)構(gòu)主要由聚酯塊2、托板16、頂桿13 等組成。通過調(diào)節(jié)下端的止付螺母1的位置可以調(diào)節(jié)壓料彈簧的預(yù)壓力，從而實(shí)現(xiàn)壓料力的平衡調(diào)節(jié)。另外，利用分別安裝在上下模座上的限位柱來控制閉模間隙，其既能為防止工作時(shí)因壓力過大而導(dǎo)致料帶嚴(yán)重壓薄，又可避免初始送料時(shí)模具尾端無料帶而引起的模具不平衡，從而保護(hù)模具。

3.2 模具設(shè)計(jì)解決的主要問題

（1）拉裂。由于拉深件有一定錐度，凸模接觸面積小，壓力集中，容易引起局部變薄，出現(xiàn)拉裂的情況，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大壓邊力。

（2）起皺。工件壁較薄，且拉深凸緣部分寬大，極易引起起皺，故采用壓邊圈防止起皺。

（3）第二次拉深的定位。經(jīng)第一次拉深，零件已有了一定的形狀，因此在進(jìn)行第二次拉深時(shí)，使壓邊圈與毛胚的內(nèi)形完全吻合。沖壓時(shí)，將毛胚套在壓邊圈上進(jìn)行定位，同時(shí)為了防止壓邊圈將毛胚壓得過緊，采用了限位螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)，使壓邊圈和拉深凹模之間保持一定的距離，壓邊力不致隨著行程的加大而加大。

4 結(jié)束語

通過合理安排零件成形工序，設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的輔助成形機(jī)構(gòu)和模具結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)的零件質(zhì)量良好，可為此類零件的復(fù)合模設(shè)計(jì)提供參考。

[1]王 蕾．雙向旋轉(zhuǎn)技術(shù)在接插件端子級(jí)進(jìn)模中的應(yīng)用[J]．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（4）.

[2]劉 云，王 蕾．旋切機(jī)構(gòu)在級(jí)進(jìn)模具中的應(yīng)用[J]．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（6）．

[3]李靈潔，王 蕾．折彎校正一體化機(jī)構(gòu)在級(jí)進(jìn)模具計(jì)中的應(yīng)用[J]．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（3）：101-103．

[4]朱家誠.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[5]萬戰(zhàn)勝.沖壓工藝及模具設(shè)計(jì).北京：中國鐵道出版社，1995.

[6]陳旭明，肖小亭．高速?zèng)_壓及模具技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

[7]李志奎．連接器接觸端子級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)[J]．模具工業(yè)，2007，33（10）：11-14．