控制器底板復(fù)合模設(shè)計(jì)

北方信息控制集團(tuán) （江蘇南京 211153） 蒲 真 李 強(qiáng)

我公司生產(chǎn)中遇到一種沖壓件，零件板厚2mm，材質(zhì)為無(wú)花鍍鋅板，表面處理要求切口浸防銹清漆，批量生產(chǎn)，如圖1所示。零件尺寸較大，精度要求高。在試制初期采用數(shù)控沖床加工。加工出來(lái)的零件存在兩個(gè)問(wèn)題：一是數(shù)控沖床是步?jīng)_式?jīng)_裁，沖裁過(guò)程中應(yīng)力釋放造成加工出來(lái)的零件有些變形。二是步?jīng)_出來(lái)的零件有接刀痕，鉗工對(duì)接刀痕修挫，銼刀對(duì)切口破壞的部分很容易生銹。隨著產(chǎn)品批量的增加，上述兩個(gè)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，因此工藝人員最終決定采用復(fù)合模落料沖孔成形。

1.零件工藝分析

零件結(jié)構(gòu)外形較規(guī)矩，X方向尺寸420mm，Y方向尺寸300mm。考慮到?jīng)_裁壓力和模具結(jié)構(gòu)布置，零件決定分兩道工序成形：工序1倒裝式復(fù)合模一次沖孔、落料復(fù)合成形。工序2正裝式復(fù)合模沖裁4－φ5.4mm，中間方孔成形。

2.模具設(shè)計(jì)

（1）倒裝式復(fù)合模 常規(guī)復(fù)合落料模采用兩個(gè)導(dǎo)柱的結(jié)構(gòu)形式，這副模具所要沖裁的零件尺寸太大，為保證上下模具對(duì)準(zhǔn)精度和模具強(qiáng)度，模具采用四方導(dǎo)柱形式。模具采用倒裝結(jié)構(gòu)，落料凹模在上模，凸凹模在下模，出料時(shí)用頂桿和打板將工件從安裝在上模的落料凹模內(nèi)推出并落在模具工作面上，模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 零件

圖2 倒裝式復(fù)合模模具結(jié)構(gòu)

上模組合通過(guò)銷(xiāo)和螺釘聯(lián)接，各凸模通過(guò)臺(tái)階連接被固定在固定板22內(nèi)，各凸模與固定板過(guò)渡配合，固定板上“山字形”固定孔難加工，與“山形”凸模配制；卸料器24通過(guò)臺(tái)階被封閉在凹模23上，與凹模間隙配合，間隙值為0.3～0.4mm；卸料器24與各凸模間隙配合，間隙值為0.3～0.4mm。下模組合通過(guò)銷(xiāo)和螺釘聯(lián)接緊固，卸料螺釘30穿過(guò)下模板29、橡膠板27與卸料器24上的螺紋孔聯(lián)接。卸料器24與凸凹模25間隙配合，間隙值為0.24～0.3mm。在不受壓狀態(tài)時(shí)，卸料器24和凸凹模25在同一平面。定位銷(xiāo)2安裝在卸料板26上，X方向兩個(gè)，Y方向一個(gè)。工作時(shí)毛坯板放置在卸料板26上，以定位銷(xiāo)2為定位基準(zhǔn)，毛坯板6個(gè)自由度均被限制。

開(kāi)動(dòng)壓力機(jī)，滑塊帶動(dòng)上模沿著導(dǎo)柱下行，壓住毛坯，在橡膠板27受力壓縮的反彈力作用下，卸料器24和凹模23把毛坯板緊緊壓??；上模繼續(xù)下行，凸凹模25開(kāi)始沖裁，零件外形和內(nèi)形被一次沖裁成形，零件劃入凹模23的型腔內(nèi)，將沖模打桿13與機(jī)床頂料桿一同頂起?；瑝K帶動(dòng)上模到下死點(diǎn)處開(kāi)始上行，當(dāng)滑塊回升到上死點(diǎn)時(shí)，機(jī)床的頂料桿與機(jī)床檔頭螺釘接觸，機(jī)床頂料桿推動(dòng)打桿13，打桿再推動(dòng)卸料器24將零件從凹模23孔中卸下。毛坯余料留在卸料板上，沖裁廢料從凸凹模臺(tái)階孔下漏出。

由于模具采用倒裝結(jié)構(gòu)，廢料從模下直接排到壓力機(jī)下方，工件在模上自動(dòng)撥件出模，能不間斷沖壓，整個(gè)沖裁過(guò)程操作方便、安全，生產(chǎn)效率高。

關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)。凸模、凸凹模、凹模等零件均采用Cr12鋼，熱處理后硬度凸模60～64HRC、凸凹模58～62HRC、凹模60～64HRC。5mm圓凸模、 3mm圓凸模和長(zhǎng)腰孔3×40mm較單薄，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成階梯式，可改善凸模強(qiáng)度，在沖裁力作用下不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，模具長(zhǎng)度統(tǒng)一設(shè)計(jì)成65mm，刃口長(zhǎng)度統(tǒng)一設(shè)計(jì)成12mm。凸凹模刃口間隙根據(jù)材料厚度、材質(zhì)在沖壓技術(shù)實(shí)用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)的機(jī)械制造行業(yè)用沖裁模初始雙面間隙表中選取，雙面間隙取0.20～0.22mm。

凹模23和凸凹模25上的凹?？兹坎捎门_(tái)階式，便于廢料漏出和刃磨。凹模刃壁厚度取17mm,凸凹模刃壁厚度取8mm。

導(dǎo)柱導(dǎo)套等零件采用T8A，熱處理硬度56～60HRC。上下模板材料Q235，為保證上下模對(duì)中度，上模板19導(dǎo)套安裝孔與下模板29導(dǎo)柱安裝孔配制。定位銷(xiāo)2、卸料螺釘30、沖模打桿13均采用45鋼，熱處理后硬度40～45HRC。

（2）正裝式復(fù)合模 模具結(jié)構(gòu)采用正裝方式（見(jiàn)圖3）。模架選用后側(cè)式模架，兩個(gè)導(dǎo)柱布置在模具后部，模具面對(duì)著操作者呈敞開(kāi)式，便于操作者自由拿取工件。模柄采用壓入式模柄，上模組合通過(guò)銷(xiāo)和螺釘將模柄3、上模板6、墊板7、固定板9、橡膠板10組合在一起，凸模通過(guò)臺(tái)階被固定在固定板內(nèi)。卸料螺釘5穿過(guò)上模板6、墊板7、固定板9、橡膠板10，螺釘?shù)念^部螺紋與卸料板13螺紋孔聯(lián)接在一起。下模上X方向有兩個(gè)定位銷(xiāo)，Y方向有一個(gè)定位銷(xiāo)。工件以三個(gè)定位銷(xiāo)作定位基準(zhǔn)，工作時(shí)上模下行，卸料板13與工件接觸，上模繼續(xù)下行，沖頭開(kāi)始沖裁。在上模下行的同時(shí)，由于橡膠板的反壓縮力，工件被牢固壓住，不但沖裁彎矩?zé)o法使材料變形，而且卸料板13能對(duì)工件起到校平作用。廢料從臺(tái)階孔漏下。沖裁完成后，模具上行，橡膠板的壓縮力得到釋放驅(qū)動(dòng)卸料器反彈，零件從凸模上卸下來(lái)，整個(gè)沖裁過(guò)程結(jié)束。

關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)。凸模11與凹模15配制，配制雙面間隙0.18～0.22mm。其他零件設(shè)計(jì)與倒裝式模具上的對(duì)應(yīng)零件類(lèi)似。

圖3 正裝式復(fù)合模結(jié)構(gòu)

3.沖裁力計(jì)算及壓力機(jī)選用

（1）倒裝式復(fù)合模 沖裁力計(jì)算如下。

式中，P總為沖壓力，P卸為卸料力，P推為推料力，P落為落料沖裁力，P孔為沖孔沖裁力。

式中，L1為沖裁外輪廓的長(zhǎng)度尺寸之和，t為材料厚度，τ為抗剪強(qiáng)度。

式中，L2為沖裁內(nèi)輪廓的長(zhǎng)度尺寸之和，t為材料厚度，τ為抗剪強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算L1=1440mm，L2=738.7mm，P落=1.3×1440×2×350=1310.4kN，P孔=1.3×738.7×2×350=672.217kN。

K卸和K推取值參照附表。n=刃壁厚度/料厚=17/2=8.5，P卸=0.05×1310.4=65.52kN，P推=8.5×0.055×672.217=314.262kN。

倒裝式復(fù)合模所選壓力機(jī)噸位不能低于P總值。建議選用2500kN以上沖壓機(jī)。

系數(shù)K卸、K推、K頂?shù)臄?shù)值

（2）正裝式復(fù)合模 沖裁力計(jì)算如下。

式中，P總為沖壓力，P卸為卸料力，P推為推料力，P孔為沖孔沖裁力。

式中，L為沖裁輪廓長(zhǎng)度，t為材料厚度，τ為抗剪強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算L=660.4mm，P孔=1.3×660.4×2×350=600.964kN。

式中，n=刃壁厚度/料厚=12/2=6，P卸=0.05×600.964=30.0482kN，P推=6×0.055×600.964=198.31812kN，P總=829.33kN。建議選用1000kN以上沖壓機(jī)。

（3）模具強(qiáng)度校核 在倒裝式復(fù)合模中φ3mm圓沖頭為細(xì)長(zhǎng)沖頭（見(jiàn)圖4），要需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。凸模強(qiáng)度按下式核算：

式中 t——板材厚度(mm)；

d——凸模直徑（mm）；

τ——板材的抗剪強(qiáng)度(MPa)；

σk——凸模刃口接觸應(yīng)力 (MPa)；

[σ]——凸模材料許用壓應(yīng)力，常用合金模具鋼取1800～2200MPa。

把數(shù)據(jù)代入公式

σk=2×350/(1-0.5×2/3)=1050MPa≤[σ]

圖4 φ3mm凸模

彎曲應(yīng)力校核。模具結(jié)構(gòu)為卸料板導(dǎo)向凸模，最大允許長(zhǎng)度Lmax按下式計(jì)算：

式中 d——模具刃口直徑，在φ3mm凸模中d為3mm；

E——凸模材料彈性模數(shù)，取E=2.1×105MPa。

把數(shù)據(jù)帶入公式，得Lmax=3.14/8×[210000×63/（2×350）]1/2≈99mm，最大允許長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于φ3mm凸模設(shè)計(jì)長(zhǎng)度65mm。

4.工作中問(wèn)題解決

整套模具在公司使用多年，每年沖裁次數(shù)在10 000次以上。模具使用過(guò)程中狀況基本良好，但是倒裝式模具中的φ3mm圓凸模損壞的頻率較高。每次沖頭損壞，整副模具都要拆下來(lái)重新安裝調(diào)試，給工作帶來(lái)了很大麻煩，也影響生產(chǎn)效率。模具設(shè)計(jì)師分析認(rèn)為φ3mm圓凸模斷裂的原因主要有：凸模設(shè)計(jì)要求硬度為60～64HRC，由于凸模直徑尺寸太小，模具整體顯得偏脆。由于Cr12材料在高溫?zé)崽幚泶慊鹎闆r下，表面容易脫碳，再加上硬度較高，脆性增大，容易折斷。

對(duì)應(yīng)的解決方案：第一步把小凸模材料改為Cr12MoV，模具材料中含有Mo、V金屬元素，具有更高的淬透性、韌性，淬火變形小，能承受較大沖擊載荷。第二步是在凸模熱處理過(guò)程中采用防氧化保護(hù)措施，并把硬度調(diào)整到57～59HRC，改進(jìn)后的φ3mm圓凸模的使用壽命得到極大提高，很少再出現(xiàn)斷裂、損壞的情況。

5.結(jié)語(yǔ)

模具已投入生產(chǎn)多年，工作穩(wěn)定正常，操作方便、安全，加工出來(lái)的零件能滿(mǎn)足圖樣要求。相對(duì)以前的數(shù)控沖床加工工藝，現(xiàn)行的復(fù)合模具成形工藝極大地提高了生產(chǎn)效率，工人的操作難度和勞動(dòng)強(qiáng)度也大幅降低。