碟形件微沖裁沖壓復(fù)合模具設(shè)計(jì)

裴雨滋，邢英杰，范 惲，諶祖輝，徐文驥

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024；2.中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西西安710065）

隨著電子工業(yè)及精密機(jī)械的快速發(fā)展，微型化產(chǎn)品的需求量越來越大，促進(jìn)了微成形技術(shù)的研究和發(fā)展。微成形技術(shù)是以塑性加工的方式生產(chǎn)至少在二維方向上的尺寸處于亞毫米量級(jí)的零件或結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)[1]。微沖裁及微拉深成形工藝作為新興的塑性加工工藝，也是重要的微成形技術(shù)，同時(shí)繼承了傳統(tǒng)塑性加工大批量生產(chǎn)、高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)。但微成形技術(shù)不是傳統(tǒng)塑性成形工藝的簡(jiǎn)單等比例縮小，其塑性變形區(qū)的大小接近材料的晶粒尺寸，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)其微成形性能的影響比宏觀塑性變形顯著，建立在宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上的塑性變形理論及大部分成形工藝參數(shù)不再適用，這就是尺寸效應(yīng)現(xiàn)象[2]。同時(shí)，零件尺寸的微型化也給模具及機(jī)床設(shè)計(jì)、加工工藝等提出了新的要求。

國(guó)外研究人員基于微塑性成形理論成功研制出一套能在100 μm厚的銅板上加工出直徑分別為25、50、100 μm 微孔的設(shè)備[3]；對(duì)同種材料分別進(jìn)行宏觀和微觀兩種情況下的拉深杯對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究微拉深情況下的極限拉深比，結(jié)果表明，宏觀條件的拉深質(zhì)量很好，而微觀件法蘭區(qū)略有起皺，微拉深中摩擦力受成形力的影響較大，存在明顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)微沖裁及微拉深成形工藝做了許多研究，徐杰等[5]針對(duì)箔板微孔類零件設(shè)計(jì)了一套精密微沖孔模具，研究了沖裁條件對(duì)微沖孔工藝的影響規(guī)律；郭斌等[6]用壓電陶瓷作為微驅(qū)動(dòng)器，研制了微塑性成形專用設(shè)備，成功拉深出最小外徑為1 mm的微型杯件。但目前對(duì)微成形復(fù)合工藝的研究較少，本文選擇微小碟形件作為目標(biāo)零件，將微沖裁與微拉深成形工藝進(jìn)行復(fù)合研究，合并加工工序，設(shè)計(jì)相應(yīng)的微沖裁/沖壓復(fù)合模具，在一次加工過程中既完成落料、沖孔，又形成所需的曲面拉深變形，這樣既節(jié)省了加工時(shí)間，提高了加工效率，又減小了多次定位安裝所帶來的誤差，提高了加工質(zhì)量和加工精度，保證零件特征尺寸的一致性。

1 零件工藝性分析

圖1是微小碟形件的零件圖，材料為T2紫銅，厚度為0.1 mm。微小碟形件內(nèi)外形的同軸度要求較高，若采用級(jí)進(jìn)模，會(huì)產(chǎn)生步距定位誤差和凸、凹模加工及裝配誤差，導(dǎo)致零件的同軸度很難達(dá)到要求。且在移動(dòng)過程中，由于零件尺寸微小，會(huì)產(chǎn)生微量變形，影響加工精度，重復(fù)定位會(huì)影響加工效率，夾具的使用也會(huì)增加零件的制造成本。根據(jù)目標(biāo)零件的形狀及其高精度要求，在分析加工精度、加工效率及加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，采用微沖裁/沖壓復(fù)合模具。在復(fù)合成形過程中，拉深、沖孔及落料是逐步完成的，既保證了落料、沖孔和拉深后零件的同軸度，又避免了由于零件外形尺寸太小而帶來的多次定位的困難及定位誤差。

圖1 微小碟形件

2 工藝方案的制定

針對(duì)碟形件的加工要求，選擇工藝方案的原則是盡可能高質(zhì)量、高精度、高效率地加工零件，且在使用復(fù)合模具的基礎(chǔ)上，僅通過一次沖壓過程就能完成零件的最終加工，而不需最后的切邊整形過程，否則，模具結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，制造成本過高，調(diào)整及維修難度大。

碟形件的沖壓過程屬于淺半球拉深，零件變形程度較小，拉深力明顯小于落料力，沖孔力最小。如果先沖孔、后拉深，則沖孔的孔徑在拉深后不能保證，且拉深時(shí)的材料流動(dòng)對(duì)沖孔凸模將產(chǎn)生影響甚至折斷。為實(shí)現(xiàn)使用普通壓力機(jī)完成碟形件的加工過程，綜合考慮后，決定先進(jìn)行拉深成形，然后進(jìn)行沖孔，最后進(jìn)行落料，落料可當(dāng)作拉深成形后的切邊整形過程。最終確定的碟形件加工工藝方案為拉深、沖孔、落料復(fù)合工藝成形。

3 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

3.1 沖裁力

在沖裁過程中，沖裁力是不斷變化的。一般將沖裁力隨凸模行程曲線的峰值作為沖裁力[7]，計(jì)算公式為：

式中：K為安全系數(shù)；L為沖裁件的輪廓長(zhǎng)度；t為材料厚度；τ為材料的抗剪強(qiáng)度，一般取抗拉強(qiáng)度的0.8倍。由此計(jì)算得到落料力約為631.2 N，沖孔力約為202 N。

3.2 拉深力

拉深成形是最復(fù)雜的沖壓工藝之一，通常依據(jù)拉深力略小于拉深工件危險(xiǎn)截面的斷裂力的原則來確定拉深力的大小，計(jì)算公式為：

式中：K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；L為拉深件的斷面周長(zhǎng)；t為材料厚度；σb為材料的抗拉強(qiáng)度。由此計(jì)算得到拉深力約為505 N。

3.3 沖裁間隙

沖裁間隙是沖裁加工過程及模具設(shè)計(jì)中極重要的一個(gè)參數(shù)，直接影響沖裁零件的斷面質(zhì)量、尺寸精度及模具壽命等。如果沖裁間隙過小，凹模刃口處的裂紋在繼續(xù)增加壓力時(shí)會(huì)發(fā)生二次剪切，使沖裁零件斷面中部產(chǎn)生撕裂面，兩個(gè)光亮帶之間夾著撕裂帶，端部出現(xiàn)擠長(zhǎng)的毛刺，斷面質(zhì)量較差；同時(shí)，材料與模具側(cè)壁的摩擦力變大，沖裁力增大，會(huì)加劇模具磨損，降低模具壽命。如果沖裁間隙過大，會(huì)導(dǎo)致模具刃口的端面及側(cè)面受力增大，材料在間隙內(nèi)產(chǎn)生較大的彎曲、拉伸及撕裂，塑性變形階段結(jié)束較快，光亮帶減小，圓角帶與斷裂帶增大，毛刺增多，材料產(chǎn)生的上下裂紋不重合，斷面質(zhì)量差。由此可見，沖裁間隙對(duì)斷面質(zhì)量、尺寸精度及模具壽命的影響規(guī)律不完全相同，滿足所有方面要求的最佳間隙值是不存在的，而是有一個(gè)合理的范圍值。

實(shí)際生產(chǎn)中，常用經(jīng)驗(yàn)公式c=mt來計(jì)算合理的單面間隙值。式中：m為與材料性能及厚度相關(guān)的系數(shù)；t為材料厚度。由于T2紫銅塑性較好，且材料厚度處于亞毫米量級(jí)，應(yīng)選取較小的間隙值，所以m取5%，則單面間隙為5 μm。

3.4 模具刃口尺寸

模具刃口尺寸及公差直接影響沖裁過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果、零件的尺寸精度和斷面質(zhì)量，是模具設(shè)計(jì)的又一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。沖裁零件的尺寸精度及合理的沖裁間隙需依靠凸、凹模刃口部分的尺寸及公差來保證和實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)實(shí)際表明，落料件的尺寸接近其凹模刃口尺寸，沖孔件的尺寸接近其凸模刃口尺寸。因此，落料模以凹模尺寸為基準(zhǔn)，間隙取在凸模上，靠減小凸模尺寸來獲得；而沖孔模則以凸模尺寸為基準(zhǔn)，間隙取在凹模上，靠增大凹模尺寸來獲得。在沖裁過程中，由于凸、凹模與材料發(fā)生摩擦，產(chǎn)生模具磨損，使凹模尺寸變大、凸模尺寸變小，所以落料凹模刃口尺寸應(yīng)接近或等于零件的最小極限尺寸，沖孔凸模刃口尺寸應(yīng)接近或等于零件的最大極限尺寸。凸、凹模刃口尺寸的計(jì)算公式為：

式中：d、D分別為沖孔及落料尺寸；x為磨損系數(shù)；Δ為零件公差；δp、δd分別為凸、凹模的制造公差。

模具刃口尺寸見表1。為改善材料的金屬流動(dòng)性，提高斷面質(zhì)量，在落料凹模和沖孔凸模的刃口上倒以圓角，但圓角值不能太大，否則沖裁零件斷面上易形成波紋狀的粗糙表面，導(dǎo)致塌角增大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，沖孔凸模和落料凹模的圓角半徑分別取0.005、0.010 mm。

4 微沖裁沖壓復(fù)合模具設(shè)計(jì)

表1 凸、凹模刃口尺寸mm

拉深過程中，零件側(cè)壁部分為懸空區(qū)。為避免該部位失穩(wěn)，選擇倒裝式復(fù)合模結(jié)構(gòu)，拉深凹模安裝在上模部分，隨壓力機(jī)滑塊向下行駛。由于碟形件尺寸及位置精度要求很高，為保證導(dǎo)向精度，選用Ⅰ級(jí)精度中間導(dǎo)柱模架和滾珠導(dǎo)柱導(dǎo)套式導(dǎo)向裝置，導(dǎo)套與上模板、導(dǎo)柱與下模板為過盈配合，滾珠置于鋼球保持器內(nèi)，并與導(dǎo)柱導(dǎo)套接觸，有0.01～0.02 mm的過盈量，實(shí)現(xiàn)零誤差導(dǎo)向。

4.1 復(fù)合模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合模具需完成拉深、沖孔及落料3個(gè)過程，具有3對(duì)凸、凹模。其中，沖孔凸模、拉深凹模及落料凹模安裝在上模部分，拉深凸模相當(dāng)于一個(gè)凸凹模，其外形是落料凸模，內(nèi)形是沖孔凹模，通過固定板安裝在下模座上，內(nèi)部裝有頂桿，在沖裁完成后將沖孔廢料頂出。由于目標(biāo)零件的沖孔尺寸較小，將沖孔凸模設(shè)計(jì)成階梯形狀，拉深凹模兼做其導(dǎo)向并起保護(hù)作用，以提高沖孔凸模的剛度。在模具制造過程中，將拉深凹模與拉深凸模作為一個(gè)整體進(jìn)行外形和內(nèi)孔的加工，并將有裝配關(guān)系的模板疊齊使用電火花線切割一次加工完成所有模孔，消除分體加工時(shí)的位置誤差，使模具獲得更高的精度，同時(shí)提高了制模效率。將卸料板上表面設(shè)計(jì)成凸臺(tái)式結(jié)構(gòu)，下表面帶有安裝卸料橡膠的凹槽，使橡膠所提供的壓力集中在凸臺(tái)面上，更好地將材料壓緊。使用限位塊控制復(fù)合模具的最大閉合高度，防止模具被壓裂。微沖裁沖壓復(fù)合模具結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 微沖裁沖壓復(fù)合模

將板料放置在卸料板6的凸臺(tái)上，壓力機(jī)滑塊下行，上模部分下移，落料凹模7、卸料板6的凸臺(tái)與板料接觸并逐漸壓緊，拉深凹模17與凸凹模18將板料壓緊并進(jìn)行拉深成形。隨著壓力機(jī)滑塊的繼續(xù)下行，拉深凹模17壓縮橡膠墊16，同時(shí)，頂桿21向下壓縮頂件橡膠22，使沖孔凸模15將板料壓入凸凹模18內(nèi)孔中，完成沖孔過程。繼續(xù)增加下移量，卸料橡膠19被壓縮并提供壓邊力，落料凹模7與凸凹模18外形部分完成落料過程。結(jié)束后，橡膠釋放壓縮量將零件及廢料頂出，完成整個(gè)拉深、沖孔、落料過程。

4.2 關(guān)鍵參數(shù)的校核

為保證復(fù)合模具能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，對(duì)卸料力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行校核是非常必要的。

（1）卸料力

沖裁過程所需的卸料力由卸料橡膠的預(yù)緊力提供，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：K卸為卸料力系數(shù)，查表選取T2紫銅卸料力系數(shù)為0.06，計(jì)算P卸約為38 N。

橡膠通過預(yù)壓縮量產(chǎn)生預(yù)緊力，預(yù)壓縮量一般取橡膠自由高度的10%～15%，其能夠產(chǎn)生的壓力大小為：

式中：A為橡膠的橫截面積；p為橡膠的單位壓應(yīng)力，與橡膠材料牌號(hào)、壓縮量及形狀系數(shù)有關(guān)，可查表獲得。

形狀系數(shù)是指橡膠承壓面積與自由膨脹表面積的比值，計(jì)算公式為：

式中：D為橡膠外徑；d為橡膠內(nèi)徑；H為橡膠的自由高度。

由于聚氨酯橡膠強(qiáng)度高、彈性好、流動(dòng)性好、抗撕裂性好，且在幾何尺寸或壓縮量較小的情況下能產(chǎn)生比天然橡膠大得多的單位壓力，可使模具結(jié)構(gòu)緊湊。因此，選擇HS80A聚氨酯橡膠作為卸料橡膠，其內(nèi)徑為6 mm，外徑為10 mm，自由高度為6 mm，形狀系數(shù)為0.17，預(yù)壓縮量取10%，查表可知p為1.02 MPa，計(jì)算得到卸料橡膠的預(yù)緊力約為52 N，大于卸料力，設(shè)計(jì)滿足卸料要求。

（2）壓邊力

合適的壓邊力可增加板料的拉應(yīng)力，減小沖裁力，增大模具壽命，且能控制板料的流動(dòng)，提高斷面質(zhì)量及零件平面度。壓邊力按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：K壓為壓邊力系數(shù)，查表選取T2紫銅壓邊力系數(shù)為0.2，計(jì)算P壓約為126.3 N。

壓邊力的校核以限位塊接觸卸料板為計(jì)算基準(zhǔn)，此時(shí)，卸料橡膠的壓縮量最大，模具工作狀態(tài)見圖3。查表可知p為3.4 MPa，計(jì)算得到卸料橡膠提供的壓力約為171 N，大于壓邊力，故設(shè)計(jì)滿足壓邊要求。

圖3 卸料橡膠壓縮量最大時(shí)的模具工作狀態(tài)

（3）頂件力

頂件力是指從凹模內(nèi)向沖裁反方向?qū)⒐ぜ驈U料頂出的力。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：K頂為頂件力系數(shù)，查表選取T2紫銅頂件力系數(shù)為0.09，計(jì)算P頂約為18.2 N。

頂件力由頂件橡膠的預(yù)緊力提供，頂件橡膠安裝在頂桿下面，設(shè)計(jì)為圓筒形，邵氏硬度選擇80 A，直徑為5 mm，自由高度為5 mm，形狀系數(shù)為0.25，預(yù)壓縮量取10%，查表知p為1.02 MPa，計(jì)算預(yù)緊力約為20 N，大于頂件力，設(shè)計(jì)滿足頂件要求。

5 結(jié)論

在分析微小碟形零件工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，為提高其特征尺寸的一致性，將微沖裁與微拉深工藝進(jìn)行復(fù)合，既能減少工序、提高加工效率，也能降低傳統(tǒng)加工方法中的多次定位誤差，提高加工精度。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的微沖裁沖壓復(fù)合模具，利用聚氨酯橡膠做彈性元件，提供沖裁過程中順序?qū)崿F(xiàn)拉深、沖孔、落料3個(gè)過程所需要的力，并校核了關(guān)鍵參數(shù)。

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