多孔定位片沖壓工藝分析及其模具設(shè)計(jì)

唐博雅,王權(quán)聰,常志良,*

(1.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819；2.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與控制工程學(xué)院，太原 030024)

多孔定位片沖壓工藝分析及其模具設(shè)計(jì)

唐博雅1,王權(quán)聰2,常志良2,*

(1.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819；2.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與控制工程學(xué)院，太原 030024)

針對(duì)多孔定位片結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、內(nèi)孔有較高精度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套沖壓倒裝復(fù)合模。根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行零件的工藝性分析、基本工藝計(jì)算，完成了模具非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)件的選用和相關(guān)設(shè)備的選擇。應(yīng)用CAD軟件設(shè)計(jì)了凸模、凹模、凸凹模等零部件。

多孔定位片；沖壓倒裝復(fù)合模；模具設(shè)計(jì)

多孔定位片是一種用于定位止轉(zhuǎn)的墊片(圖1)，常采用沖壓模具生產(chǎn)。由于復(fù)合模只需一套模具，沖壓件的形位精度容易保證，且生產(chǎn)率也高，為此設(shè)計(jì)了一套沖壓倒裝復(fù)合模。

圖1 多孔定位片(料厚：2 mm)Fig.1 Multihole positioning gasket

1 沖裁工藝設(shè)計(jì)

1.1 沖裁件工藝分析

該沖裁件有沖孔和落料兩個(gè)工序，材料為08鋼。工件為圓形件，中間有一個(gè)直徑為15 mm的孔和3個(gè)均勻分布的長(zhǎng)圓孔?？着c孔，孔與邊緣之間的距離滿足c>1.5t(其中t=2 mm)要求(c孔與孔=(43-15)/2-3.5=10.5>3，c孔與邊緣=(70-43)/2-3.5=10>3)。 該沖裁件的精度為IT10-IT13級(jí)，沖孔的精度比落料約高一級(jí)[1]。

1.2 排樣圖設(shè)計(jì)

采用少?gòu)U料排樣由于受剪裁條料質(zhì)量和定位誤差的影響，其沖裁件質(zhì)量較差，同時(shí)邊緣毛刺易被凸模帶入間隙影響模具壽命。故綜合考慮材料的機(jī)械性能、厚度及沖裁零件的形狀與尺寸、送料與卸料方式等因素，采用有廢料排樣方式見(jiàn)圖2。為補(bǔ)償定位誤差和保持條料有一定的剛度，保證沖壓件質(zhì)量和送料方便，搭邊值選為2 mm[2]。

圖2 排樣圖Fig.2 Drawing of layout

1.3 沖裁力和壓力中心的計(jì)算

沖裁力是沖裁過(guò)程中凸模對(duì)板料施加的壓力，它是隨凸模進(jìn)入材料的深度而變化的。通常說(shuō)的沖裁力是指沖裁力的最大值，它是選用壓力機(jī)和設(shè)計(jì)模具的重要依據(jù)之一。

用普通平刃口模具沖裁時(shí)，其沖裁力F一般按下式計(jì)算：

F1=KπLtτb=1.3×3.14×70×

2×300 =171.44kN

F2=1.3πdtτb+ Ltτb×3 =1.3×3.14×15×

2×300+16 045.4×3=48.136kN

F=F1+F2=256.318kN

(1)

式中F1為落料力，kN；F2為沖孔力，kN；F為沖裁力，kN；L為沖裁周邊長(zhǎng)度，mm；t為材料厚度，mm；τb為材料抗剪強(qiáng)度(τb=300 MPa)；K為系數(shù)(一般取K=1.3)。

卸料力為Fx=KxF；推件力為Ft=nKtF；

頂件力為Fd=KdF

(2) 式中Kx、Kt、Kd分別為卸料力系數(shù)、推件力系數(shù)、頂件力系數(shù)；n為同時(shí)卡在凹模內(nèi)的工件數(shù)量；h為凹模內(nèi)的直刃壁高度，mm；t為板料厚度，mm。

總沖壓力Fz是各種沖壓工藝的總和，根據(jù)不同的模具結(jié)構(gòu)計(jì)算，由于本模具采用彈性卸料裝置和上出料方式的沖裁為：

Fz=F+Ft+Fx+Fd=284.513kN

(3)

由于此零件完全對(duì)稱(chēng)，故零件的壓力中心即為其幾何中心。為此該復(fù)合模安裝在開(kāi)式400 kN壓力機(jī)上，含有模架、凸模、凹模、凸凹模、卸料板、固定板等部分，選用滑動(dòng)導(dǎo)向后側(cè)導(dǎo)柱模架，其裝配圖見(jiàn)圖3。

圖3 沖孔落料復(fù)合模Fig.3 Compound die for punching and blanking operations

2 模具零件設(shè)計(jì)

組成模具的主要零件分為工藝結(jié)構(gòu)零件(直接參與完成工藝過(guò)程并和毛坯直接發(fā)生作用)和輔助結(jié)構(gòu)零件(只對(duì)模具完成工藝過(guò)程起保證作用)。

2.1 刃口尺寸計(jì)算

1)沖孔刃口尺寸計(jì)算

(4)

式中x為磨損系數(shù)；Δ為是工件的公差值。

因孔的公差等級(jí)為IT14級(jí)，所以得x=0.5則對(duì)于沖圓孔φ15 mm時(shí)：

校核間隙：

所以滿足|δT|+|δA|≤Zmax-Zmin的條件，制造公差合適。

同理，沖長(zhǎng)圓孔時(shí)

校核間隙：

所以滿足|δT|+|δA|≤Zmax-Zmin的條件，制造公差合適。

2)落料刃口尺寸計(jì)算

當(dāng)以凹模為基準(zhǔn)件時(shí)，凹模磨損后刃口部分尺寸都增大，因此均屬于A類(lèi)尺寸第一類(lèi)尺寸。它的基本尺寸及制造公差的確定方法如下。

落料:

(5)

校核間隙：|δT|+|δA|=0.020+0.030=0.050，所以滿足|δT|+|δA|≤Zmax-Zmin的條件，制造公差合適。

2.2 凸模設(shè)計(jì)

考慮到磨損情況，凸模磨損后尺寸會(huì)變小，相當(dāng)于簡(jiǎn)單形狀的沖孔凸模尺寸，因此其基本尺寸及制造公差的確定方法為[2]

(6)

式中L為沖孔凸模尺寸，mm；Lmin為沖裁件上該尺寸的最小極限尺寸，mm；x為磨損系數(shù)，其值為0.5～1，與沖裁件精度有關(guān)；Δ為沖裁件的公差。

如圖4所示，沖孔凸模采用臺(tái)階式圓柱形結(jié)構(gòu)。沖裁件是小型工件，設(shè)計(jì)成整體式凸模；為便于與凸模固定板的配合孔加工，故設(shè)計(jì)成圓形；與凸模固定板配合的部分按過(guò)渡配(H7/m6或H7/n7)[3]制造；由于是固定端簡(jiǎn)單、卸料力較大的凸模，故采用臺(tái)肩固定；沖裁件為完全對(duì)稱(chēng)零件，所以不用考慮防轉(zhuǎn)措施。材料采用T10A，熱處理硬度為58～62 HRC。凸模長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

(7)

式中h1為凸模固定板厚度，mm；h2為推件塊厚度，mm；t為材料厚度，2 mm；h為增加長(zhǎng)度，一般選取0～10 mm。帶入數(shù)據(jù)，L=25+14.5+2+10.5=52 mm。圖4為沖圓孔凸模，沖長(zhǎng)圓孔凸模與其類(lèi)似。

圖4 凸模零件圖Fig.4 Parts drawing of punch

2.3 凹模設(shè)計(jì)

如圖5所示，凹模的刃口形式選用斜壁式刃口。這類(lèi)型孔刃口銳利，因不會(huì)聚積零件或廢料，摩擦力和脹裂力均較小，刃口磨損小，使用壽命相對(duì)增長(zhǎng)，但是刃口強(qiáng)度低，刃磨后尺寸略有增大。凹模厚度按下式確定[4]：

(8)

式中k為系數(shù)；b為凹模刃口的最大尺寸，mm。

根據(jù)凹模厚度和條料寬度選取系數(shù)k=0.42。則H=0.42×25=10.5 mm。取H=15 mm。凹模壁厚一般為凹模高度的1.5～2倍，取30 mm。

圖5 凹模Fig.5 Parts drawing of die

2.4 凸凹模設(shè)計(jì)

凸凹模是復(fù)合模中同時(shí)具有落料凸模和沖孔凹模作用的零件(圖6)。由于所需的凸凹模形狀較簡(jiǎn)單，所以選用整體式凸凹模。凸凹模的內(nèi)外緣均為刃口，內(nèi)外緣之間的壁厚決定于沖裁件的尺寸，為保證凸凹模的強(qiáng)度，凸凹模應(yīng)有一定的最小壁厚。最小壁厚受模具結(jié)構(gòu)影響：凸凹模裝于下模，內(nèi)孔積存廢料時(shí)，脹力大，最小壁厚要大些[5-6]。

圖6 凸凹模Fig.6 Parts drawing of punch-die

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一套多孔定位片的沖壓倒裝復(fù)合模。模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮到裝配和維修方便，力求模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，凸模、凹模、凸凹模及主要模具部件更換方便，主要體現(xiàn)在模具在壓力機(jī)作用下開(kāi)啟后，就可以實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需將模具整體進(jìn)行拆裝，降低了人工成本。且沖孔所產(chǎn)生的廢料從工作臺(tái)孔中落下，故模具周?chē)鍧?。此外，由于該零件一次成形，使得零件形位精度高、生產(chǎn)效率高。

[1]王孝培.沖壓手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005. Wang Xiaopei.China Machine Press[M]. Beijing:China Machine Press,2005.(in Chinese)

[2]朱江峰.沖壓模具設(shè)計(jì)與制造[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009. Zhu Jiangfeng. Stamping die design and manufacture[M]. Beijing Institute of Technology Press，Beijing,2009.(in Chinese)

[3]王伯平.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008. Wang Boping. Technical Basis of Interchangeability and Measuring[M]. Beijing: China Machine Press,2008.(in Chinese)

[4]中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)組.冷沖模設(shè)計(jì)與制造[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. China Mechanical Industry Educational Association Group. Cold-punching design and manufacture [M]. Beijing:China Machine Press,2002.(in Chinese)

[5]高 軍.沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

Gao Jun.Stamping Process and Die Design[M].Beijing:Chemical Industry Press,2010.(in Chinese)

[6]施于慶.沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2012.

Shi Yuqing.Stomping Process and Die Design[M].Hangzhou:Zhejiang University Press,2012.(in Chinese)

Stamping mould design of multihole positioning gasket

TANG Bo-Ya1，WANG Quan-Cong2,CHANG Zhi-Liang2,*

(1.State Key Lab of Rolling & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China. 2. University of Science and Technology of Taiyuan,Taiyuan 030024,China)

A stamping backward compound die was designed with a kind of multihole positioning gasket which has simple structure and high precision inner hole. Processing properties of the gasket was analysed, processing parameters were calculated, the standard parts were selected and the non-standard parts, including punch, die and punch-die were designed with AutoCAD software.

multi-holes positioning gasket; stamping backward compound die; mould designing

10.13524/j.2095-008x.2014.01.016

2014-01-07;

2014-01-16

山西省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目(2011081020)

唐博雅(1992-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，研究方向：材料成型及控制工程，E-mail：tangboya@126.com；通訊作者：常志良(1962-),男，山西大同人，教授，博士，研究方向：材料成型及控制工程，E-mail:1380345458@163.com。

TG702

A

2095-008X(2014)01-0074-04