低矮工件落料拉深擠切邊復(fù)合模具

王宏偉，肖峰，賈金偉，張金，王飛橋

(北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司，西安 710025)

1 低矮工件加工工藝

對(duì)低矮類型的工件(指相對(duì)高度h/d＜0.3的薄壁無凸緣工件或在下道工序不方便作夾持定位的工件)一般都是采取先落料、拉深，然后再做一次切邊的方法來滿足高度尺寸要求。例如:對(duì)于拉深后工件形狀為寬凸緣的，用模具對(duì)工件做環(huán)形切邊(或稱為擠口)的方法來切除修邊余量;對(duì)于拉深后為無凸緣的工件，則用水平切邊或?qū)I(yè)的切口設(shè)備來切除口部修邊余量。此方法對(duì)在下道工序能有效夾持定位且高度尺寸精度不高的工件是可行的，但對(duì)高度低，公差小的低矮類型工件來說卻顯得較為困難。如圖1所示的工件就屬于這種類型。對(duì)這些特殊的低矮工件，如果先拉深成形(按有凸緣或無凸緣)然后再切除預(yù)留的修邊余量，皆因工藝方法限制和定位困難等因素的影響，工件的高度很難達(dá)到技術(shù)要求，即使用跳步模具，效果也不一定好。為此借鑒典型復(fù)合模具的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了適用于低矮工件的落料、拉深、擠切邊復(fù)合模具。

圖1 工件Fig.1 Workpiece

2 擠切邊原理

用落料、拉深、擠切邊復(fù)合模沖制低矮類型的工件，其變形過程從剪切落料開始，接著進(jìn)行拉深和擠切分離。當(dāng)拉深切邊凸模進(jìn)入凹?？跁r(shí)，由于受到徑向拉力和切向壓力的作用，片狀坯料被拉深成寬凸緣的過渡坯件。當(dāng)寬凸緣形坯件的高度達(dá)到工藝要求時(shí)，拉深凸模的鋒利刃開始觸及寬凸緣坯件。在凸凹模的口部，因凸模和凹模之間擠切間隙較小，使金屬的流動(dòng)在進(jìn)入凹模口時(shí)受到強(qiáng)烈阻礙，在切向壓力、徑向拉力、剪切力的合力作用下，作為工藝過渡的寬凸緣坯件被分離為2部分。工件實(shí)體被推入凸凹模腔內(nèi)，廢料邊則套在拉深凸模上，至此落料、拉深和擠切分離過程結(jié)束。工件和廢料邊在壓力機(jī)滑塊回程時(shí)，分別用打料桿和壓邊圈將其推出模具外，用壓縮空氣吹到收集器具中，最后用篩子進(jìn)行分選。落料拉深擠切模工作原理如圖2所示。

圖2 落料、拉深、擠切邊模工作原理Fig.2 The blanking，drawing，extrusion trimming die principle diagram

此模具適用于沖制內(nèi)、外徑尺寸及高度尺寸全部由模具尺寸保證的薄壁低矮類型工件。

3 模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 確定拉深毛坯尺寸D0值

拉深毛坯尺寸D0值依照工件擠切分離前的寬凸緣坯件尺寸計(jì)算得出，其中，寬凸緣部分是作為修邊余量存在的。為滿足擠切分離工藝要求，修邊余量應(yīng)按材料厚度的1.5～3倍確定。確定D0值后，還需要對(duì)照寬凸緣的極限拉深系數(shù)進(jìn)行復(fù)核。

D0值關(guān)系到工件在初始成形時(shí)，能否順利地被拉深成形為寬凸緣坯件，以及工件與廢料邊之間能否順利地?cái)D切分離。D0值大則修邊余量多，這不僅浪費(fèi)材料，還可能在拉深過程引起底部R處斷裂;D0值小，則拉深后留作廢料邊的余量小，當(dāng)余量過小時(shí)工件的斷面可能出現(xiàn)撕裂狀的飛邊。

3.2 確定擠切間隙C2值

擠切間隙C2值可按圖3中材料的變形尺寸t2的7%～10%確定(t2值可通過電腦精確作圖測(cè)量得出)，也可依據(jù)t2值查閱《沖壓手冊(cè)》、《沖裁間隙執(zhí)導(dǎo)性技術(shù)文件》推薦的間隙值[1]。

圖3 普通沖裁與擠切分離的區(qū)別Fig.3 The difference between common blanking and extrusion shear

擠切分離的變形過程完全不同于普通沖裁變形，最明顯的區(qū)別是在凹模的口部形狀上，如圖3所示。普通沖裁的凹?？谑侵苯卿J棱，而擠切分離的凹?？趧t是R形狀的圓弧面。普通沖裁時(shí)材料與工件的分離是被垂直切斷的，材料的厚度t1沒有明顯的改變;在擠切分離時(shí)，材料在沖裁方向的厚度，因凹模口部形狀的影響變成t2。因?yàn)閠2＞t1，所以擠切間隙C2值應(yīng)該比普通的沖裁間隙C1值大。

因擠切變形特點(diǎn)的影響，擠切分離后的工件，斷面會(huì)有輕度毛刺，屬正常情況。只要擠切間隙C2值合理，這種輕度的擠切毛刺完全可以用滾光研磨的工藝手段消除(注意C2值不能過大，否則毛刺嚴(yán)重，不容易處理)。

3.3 模具關(guān)鍵件工作尺寸的設(shè)計(jì)

模具關(guān)鍵件工作尺寸的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 模具關(guān)鍵件工作尺寸Fig.4 The working sizes of key mould parts

1)拉深切邊凸模的設(shè)計(jì)。在拉深切邊凸模的頭部(指工作部分)，需要設(shè)計(jì)出與工件圖的深度尺寸相同的臺(tái)階形狀，凸臺(tái)的小直徑d1依據(jù)工件內(nèi)徑確定，凸臺(tái)的大直徑d2=D－2C2(D為凸凹模內(nèi)徑)，臺(tái)階高度h則依據(jù)工件內(nèi)孔的深度確定。確定h值時(shí)必須注意模具制造誤差和材料厚度公差對(duì)工件高度的影響。為使擠切斷面良好，要求拉深切邊凸模大徑與小徑的過渡臺(tái)面平齊，大徑的刃口保持鋒利狀態(tài)。拉深切邊凸模材料選擇Cr12MoV，熱處理硬度為59～63HRC，要求有較低的粗糙度。

2)凸凹模、落料凹模和壓邊圈的設(shè)計(jì)。凸凹模的外徑d0值和落料凹模的內(nèi)徑D0值，按照料片外形輪廓尺寸確定，兩者之間的沖裁間隙按常規(guī)設(shè)計(jì)要求取值，模具的刃口處需保持鋒利。凸凹模的內(nèi)孔尺寸D依據(jù)工件的外形尺寸確定，口部的R要滿足拉深變形要求。以上模具材料為Cr12MoV，熱處理硬度為59～63HRC。壓邊圈的外徑d0與落料凹模D0的配合選擇f6/H7，壓邊圈的內(nèi)徑D2與拉深切邊凸模外徑d2之間的配合選擇H7/h6，材料為CrWMn，熱處理硬度為58～62HRC。以上零件的表面粗糙度如圖4所示。

3.4 防止工件粘滯凸模的措施

在正常情況，擠切后的工件應(yīng)滯留在上模腔內(nèi)，在滑塊回程時(shí)用打料桿推出，但也會(huì)出現(xiàn)工件粘滯在拉深切邊凸模的故障，對(duì)模具的正常使用危害極大，對(duì)此應(yīng)采取如下措施。

1)在保證工件擠切斷面質(zhì)量的情況下，擠切間隙C2應(yīng)盡量在合理間隙的范圍內(nèi)取大值。因?yàn)閿D切間隙C2增大，能使拉深切邊凸模的工作尺寸d2隨之減小，由于d2減小，與切邊凸模相配合的壓邊圈內(nèi)徑D2同樣跟著減小。D2的減小，實(shí)際上是增大了在卸料時(shí)壓邊圈的上端面與工件斷面的接觸面積。這個(gè)增減變化看起來微小，但確實(shí)提高了使用壓邊圈卸料的可靠性。由于經(jīng)過擠切變形之后的工件外徑等同凸凹模的內(nèi)徑D，且全部大于壓邊圈內(nèi)徑D2，只要切邊凸模外徑d2值與壓邊圈內(nèi)徑D2之間的配合適宜，卸料不成問題。由于低矮類型工件粘滯凸模的阻力一般都不會(huì)太大，所以即使工件粘滯在拉深凸模上，利用壓邊圈返回時(shí)的彈頂力，完全能夠?qū)⒐ぜB同廢料邊一起從凸模上卸掉。壓邊圈卸料的工作原理如圖5所示。

圖5 壓邊圈卸料Fig.5 Discharging by pressure pad ring

2)降低變形張力對(duì)卸料力的影響。因?yàn)槔钔鼓５耐鈴經(jīng)Q定工件的內(nèi)徑，凹模的內(nèi)徑?jīng)Q定工件的外徑。為了最大限度減小因工件壁部在拉深變薄時(shí)產(chǎn)生的變形張力對(duì)卸料力的影響，在設(shè)計(jì)拉深切邊凸模的工作尺寸d1值時(shí)，應(yīng)參考工件的最小極限尺寸確定，凸凹模的內(nèi)徑D參考工件的最大極限尺寸來確定。

3.5 模架的選擇

為克服設(shè)備精度的影響，設(shè)計(jì)模具時(shí)可以考慮配用標(biāo)準(zhǔn)模架。

4 沖模實(shí)例

圖6 盒蓋模具Fig.6 Cover mold drawing

一個(gè)兩端呈半圓的條形沖壓件如圖6所示，材質(zhì)為L(zhǎng)3M鋁。由于工件的特殊性，為了降低拉深切邊凸模的制造難度，在設(shè)計(jì)時(shí)將其分解為拉深凸模和切邊凸模(對(duì)于簡(jiǎn)單圓形工件可不分開)2部分，使用時(shí)用銷子和螺釘將其連接成一體。經(jīng)這樣處理后，所涉及的凸模和凹模及其它相關(guān)件，都可以直接用精密線切割設(shè)備切出，可以大大降低模具的制造難度。為了使被分解的模具零件滿足裝配和使用要求，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其關(guān)鍵的尺寸和部位提出形位公差要求，并在制造時(shí)嚴(yán)格保證。

在變形過程中，工件的中間(直線部分)主要受彎曲力，而兩端半圓形處則受切向壓力和徑向拉力。在計(jì)算拉深系數(shù)時(shí)，重點(diǎn)考慮兩端的變形及受力情況。在此例中可將兩端的半圓視為一個(gè)整圓來確定拉深系數(shù)m值(此例m=0.66，預(yù)留修邊余量為2.5 mm)。經(jīng)修正后的毛坯尺寸如圖6所示。

圖6中的模具為正裝形式的復(fù)合模，廢邊料用彈壓卸料板26卸下，工件用打桿30和卸料塊6從凸凹模7的模腔里推出(打桿30和卸料塊6用螺紋形式緊固連接)，壓邊形式為彈頂式并兼有輔助卸料功能。

上模中的凸凹模7及下模中的落料凹模10，分別裝入凸凹模套4和凹模套24中，用螺釘22，29固定在上模板2和下模板21上，凸凹模7和凸凹模套4之間的配合精度選擇n5/H6，再用螺釘5擰緊防止意外。為防止壓邊圈11冒出，在落料凹模9的中部安裝橫向卡銷23進(jìn)行限位。對(duì)于其余的相關(guān)零件設(shè)計(jì)要素和裝配要求，全部按常規(guī)的復(fù)合模具設(shè)計(jì)要求處理。工作時(shí)將材料(條狀或帶狀)穿進(jìn)導(dǎo)料板16中(導(dǎo)料板固定在凹模套的兩側(cè))，驅(qū)動(dòng)滑塊下行，變形過程從落料開始，經(jīng)過拉深成形，工件與修邊廢料分離。在滑塊返程時(shí)通過相關(guān)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，把工件及修邊廢料推出模外，再用壓縮空氣吹離模具工作區(qū)。如工件需要平底，可調(diào)節(jié)壓力機(jī)滑到所需要的位置。

5 模具技術(shù)要求及零件參數(shù)

模具技術(shù)要求和零件參數(shù)見表1和表2。

因?yàn)閷?shí)例中的工件是一個(gè)非圓形回轉(zhuǎn)體，為了降低模具制造的難度，對(duì)拉深切邊凸模和凸凹模的形體結(jié)構(gòu)和裝配形式作了必要的改變，所以此模具的設(shè)計(jì)顯得略為復(fù)雜。在現(xiàn)實(shí)中如果工件是簡(jiǎn)單的圓形回轉(zhuǎn)體，則可在設(shè)計(jì)模具時(shí)結(jié)合實(shí)際情況做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

表1 模具技術(shù)參數(shù)Table1 Mold technology parameters

表2 零件技術(shù)參數(shù)Table2 Technical parameters of mold parts

6 結(jié)語

用落料拉深切邊復(fù)合模，在一個(gè)沖壓行程中，完成對(duì)低矮類型工件的落料、拉深、切邊(在個(gè)別情況下還可以平底)，避免了分工序生產(chǎn)的弊端。此模具不僅適合單件小批量，同樣可用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。

[1]王孝培.沖壓手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.