汽車法蘭墊片沖壓模具設(shè)計(jì)及其加工工藝研究

常 影，董 鑫，楊利劍，許佳明，鄭旭強(qiáng)

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132101；2.國(guó)網(wǎng)萊蕪供電公司，萊蕪 257100；3.中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

汽車法蘭墊片沖壓模具設(shè)計(jì)及其加工工藝研究

常 影1，董 鑫1，楊利劍2，許佳明3，鄭旭強(qiáng)1

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132101；2.國(guó)網(wǎng)萊蕪供電公司，萊蕪 257100；3.中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

研究汽車法蘭墊片的沖壓模具設(shè)計(jì)，基于CATIA軟件完成模具三維模型，并對(duì)模具的加工工藝進(jìn)行研究。主要的研究?jī)?nèi)容如下：（1）對(duì)沖裁件進(jìn)行工藝分析并確定結(jié)構(gòu)；（2）凸、凹模的選材；（3）選擇合理的模具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)計(jì)算并繪圖；（4）對(duì)凸、凹模進(jìn)行加工工藝分析。采用沖孔落料復(fù)合模具來(lái)生產(chǎn)汽車法蘭墊片，會(huì)提高墊片的加工精度和生產(chǎn)效率。本文對(duì)汽車法蘭墊片沖壓模具的設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)加工提供一定的理論基礎(chǔ)。

沖壓模具；加工工藝；汽車法蘭墊片

1 引言

汽車法蘭墊片應(yīng)用于汽車管道的連接，起到密封作用。汽車法蘭墊片的精度對(duì)汽車管道的密封程度有很大的影響，因此，可以通過(guò)提高墊片的精度來(lái)降低汽車管道的泄漏概率。汽車法蘭墊片的主要生產(chǎn)方式是利用沖壓模具進(jìn)行生產(chǎn)，模具的質(zhì)量好壞和精度高低直接影響墊片的質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，以及低生產(chǎn)成本的需求，應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)模具，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析已成為發(fā)展趨勢(shì)。但我國(guó)的模具還存在標(biāo)準(zhǔn)化程度低、模具品種少、模具制造精度低和使用壽命短等問(wèn)題[1-3]。目前，我國(guó)汽車法蘭墊片的生產(chǎn)方式大多數(shù)采用多工位連續(xù)模進(jìn)行生產(chǎn)。墊片的沖孔和落料是分兩步加工的。而用復(fù)合模進(jìn)行生產(chǎn)只需一次沖裁便可完成整個(gè)加工過(guò)程，得到目標(biāo)零件。工位級(jí)進(jìn)模相對(duì)于復(fù)合模的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但難以保證零件內(nèi)外的同軸度。采用復(fù)合模生產(chǎn)汽車墊片可以提高墊片的位置精度和生產(chǎn)效率[4]。

CATIA軟件廣泛應(yīng)用于汽車制造和航空領(lǐng)域中，應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行沖壓模具設(shè)計(jì)，不僅是由于CATIA軟件的強(qiáng)大功能，同時(shí)CATIA軟件還可以省去文件格式的轉(zhuǎn)化問(wèn)題[5-6]。本文主要是選擇凸、凹模的材料；設(shè)計(jì)并計(jì)算模具的相應(yīng)參數(shù)；應(yīng)用CATIA軟件完成模具三維圖形繪制；凸、凹模加工工藝研究。本文選擇合理的模具排樣，以達(dá)到提高材料利用率、降低成本的作用。結(jié)合復(fù)合模與合理模具排樣來(lái)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程方便快捷、精準(zhǔn)精確的同時(shí)，還能達(dá)到省材省料、降低成本的目標(biāo)。

2 沖壓件工藝性分析

沖壓件零件圖如圖1所示，材料為不銹鋼sus304，厚度t=1.5mm。

圖1 沖壓件零件圖

由零件圖可知，零件需要落料和沖孔兩道工序?？字行某叽绻顬椤?.1mm，孔徑尺寸公差為+0.2mm，余下尺寸都沒(méi)有標(biāo)注公差。查沖壓件內(nèi)、外形可達(dá)的經(jīng)濟(jì)精度表可知，沖壓零件的內(nèi)孔和外形達(dá)到IT11～I(xiàn)T13級(jí)的經(jīng)濟(jì)精度，達(dá)到了沖壓工藝的要求[7-8]。查一般沖孔?？蓻_壓的最小孔徑表可知，沖孔模沖壓材料sus304的最小孔徑d≥1.3t，t=1.5 mm，因此，直徑5mm的孔符合工藝要求。

3 模具設(shè)計(jì)

3.1 確定沖壓工藝方案及模具結(jié)構(gòu)形式

采用沖孔落料復(fù)合沖裁的加工方案，一次沖壓成型，能夠提升零件精度和加工生產(chǎn)的效率。沖壓件雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但精度要求比較高，適宜選用倒裝復(fù)合模進(jìn)行生產(chǎn)。定位方式可以采用擋料銷和導(dǎo)料銷對(duì)工件進(jìn)行定位。卸料方式可以采用彈性卸料、下方出料的結(jié)構(gòu)形式來(lái)設(shè)計(jì)模具。

3.2 凸、凹模的選材

沖壓件的原材料是不銹鋼sus304。其洛氏硬度在56～57HRC左右。其屈服強(qiáng)度為σ0.2= 205MPa，抗拉強(qiáng)度σb=520MPa，抗剪強(qiáng)度τ=（0.6～0.8）σb=312～416MPa。Cr12是一種被廣泛應(yīng)用的冷作模具鋼，經(jīng)過(guò)熱處理后，其洛氏硬度可達(dá)到60HRC左右，并且具有很強(qiáng)的耐磨性。Cr12還具有高強(qiáng)度、淬透性強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但適宜用作高精度長(zhǎng)壽命的冷作模具。沖擊韌性差可用于厚度不超過(guò)2mm的薄板材的沖壓模具。所以，Cr12更適合作為模具的材料。綜合特點(diǎn)選擇材料Cr12作為凸、凹模具的材料。

3.3 模具設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.3.1 排樣設(shè)計(jì) 根據(jù)沖裁件結(jié)構(gòu)形式，選擇直排排樣方式。

式中：

A為復(fù)合模具的送料步距；

D為與送料方向平行的的沖裁件的寬度；a1為沖裁件之間的搭邊值。

最小的工件間工藝搭邊值為1.8mm，可取a1= 2mm。最小工藝邊距搭邊值為2.0mm，可取a= 2mm。送料步距確定為h=44.05mm。無(wú)側(cè)壓裝置的條料寬度計(jì)算公式為：

式中：

B是沖裁條料的寬度；

m是垂直于送料方向沖裁件的最大尺寸；

a為條料側(cè)邊與沖裁件之間的搭邊；

Δ為條料下料時(shí)的下偏差；

b0為條料與導(dǎo)料板之間的間隙。

確定條料與導(dǎo)料銷的間隙和條料寬度偏差分別為b0=0.8mm，Δ=0.5mm。

得出條料寬度為：

式中：S1為一個(gè)沖裁零件的實(shí)際面積；

S0為在一個(gè)送料步距之內(nèi)所需要的的毛坯面積；

A為模具的送料步距；

B為沖裁條料的寬度。

得材料利用率η=649.79/28.8×44.05=51.22%。3.3.2 復(fù)合模具總沖壓力的計(jì)算 由于汽車法蘭墊片復(fù)合模具采用的是彈性卸料和下方出料的形式。則由沖裁力F、推件力F推和卸料力F卸三部分組成了沖壓復(fù)合模具的總沖壓力。其沖裁力分為落料沖裁力F落料和沖孔沖裁力F沖孔兩部分。

（1）計(jì)算模具的落料、沖孔沖裁力。材料sus304的抗拉強(qiáng)度σb=520MPa。

（2）推件力。查表得推件力系數(shù)K推=0.055，凹模中的卡件數(shù)n設(shè)為2。

（3）卸料力。查表得卸料力系數(shù)K卸=0.05。

（4）總沖壓力為：

壓力機(jī)的公稱壓力應(yīng)大于計(jì)算總壓力168kN。

（5）因?yàn)闆_裁件為對(duì)稱零件，所以其沖裁輪廓的幾何中心便是沖裁壓力中心。

3.3.3 刃口尺寸計(jì)算 應(yīng)用互換加工法中凸、凹模刃口尺寸計(jì)算公式計(jì)算得出凸、凹模的刃口尺寸如下：

凹模直徑為10mm的圓弧的刃口尺寸為：

凸模直徑為10mm的圓弧的刃口尺寸為：

凹模直徑為24mm的圓弧的刃口尺寸為：

凸模直徑為24mm的圓弧的刃口尺寸為：

3.3.4 確定模具零件尺寸

（1）計(jì)算復(fù)合模具的凹模結(jié)構(gòu)尺寸：復(fù)合模具的凹模外形尺寸主要由凹模的厚度ha、凹模的壁厚c、凹模的寬度B1和凹模的長(zhǎng)度L1組成。選擇復(fù)合模具的凹模厚度修正系數(shù)K=0.26，則凹模厚度尺寸ha=Kb=0.26×52mm=13.52 mm。ha需大于15mm，可取25mm。凹模壁厚c=（1.5～2.0）ha，可取c=38mm左右。則凹模的寬度B1=24+38×2= 100mm。凹模長(zhǎng)度尺寸的確定。根據(jù)排樣圖，凹模長(zhǎng)度L1=送料步距+2c，L1=（44.05+2×35）= 114.05mm，設(shè)計(jì)時(shí)取L1=130mm。

（2）確定復(fù)合模具的凸模長(zhǎng)度

將自由尺寸與修模量及進(jìn)入凹模深度總計(jì)A＇定為10mm，推件板的厚度定為H2=12mm，凸模固定板的厚度定為H1=20mm。凸模長(zhǎng)度L2=H1+H2+ A＇，可取L2=（20+12+10）mm=42mm。

（3）凸凹模的尺寸的確定

根據(jù)模具的具體情況，凸凹模的厚度選取為27mm。

4 模具主要零件圖繪制

應(yīng)用CATIA軟件對(duì)模具圖紙繪制如圖2～11所示。

圖2 凹模

圖3 凸模A

圖4 凸模B

圖5 凸凹模

圖6 凸模固定板

圖7 下模座

圖8 卸料板

圖9 上模座

圖10 上、下墊板

圖11 模具裝配圖

5 凸、凹模加工工藝研究

分析零件圖紙確定毛坯的選擇，凸模應(yīng)選Φ 12mm和Φ30mm的棒料；凹模應(yīng)選135mm× 105mm×30mm的鍛造板材；凸凹模應(yīng)選54mm× 30mm×30mm的鍛造板材。

選擇鍛造板材的原因：通過(guò)鍛造使材料內(nèi)部組織細(xì)密，碳化物和流線分布合理，從而提高模具的質(zhì)量和使用壽命。鍛造后的材料可通過(guò)退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力，改善其加工性能。根據(jù)模具零件的特點(diǎn)和加工工藝需求，制定加工工藝路線如下所示：

凸模：粗車-半精車-粗磨-精磨-砂帶磨。

凹模外形：粗銑-半精銑-粗磨-精磨。

凹模型孔：粗銑-半精銑-粗磨-精磨-研磨。

凸凹模平面：粗銑-半精銑-粗磨-精磨。

凸凹模刃口：粗銑-半精銑-粗磨-精磨-研磨。

分別對(duì)所選用的加工工藝進(jìn)行研究，并生成相應(yīng)的加工工序單，為實(shí)際的生產(chǎn)加工奠定一定基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

本文對(duì)汽車法蘭墊片的落料和沖孔復(fù)合模具部分的設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：（1）凸、凹模的選材；（2）汽車法蘭墊片沖壓模具的設(shè)計(jì)與計(jì)算；（3）改進(jìn)了排樣方式，使得排樣方式更適合本設(shè)計(jì)的沖壓零件；（4）模具的三維圖繪制；（5）對(duì)模具的加工工藝過(guò)程進(jìn)行了研究，為后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)加工奠定一定的基礎(chǔ)。本文的汽車法蘭墊片沖壓模具實(shí)現(xiàn)了在提高零件的位置精度、提高生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，最大程度的利用板材，降低了材料的浪費(fèi)，為實(shí)際的生產(chǎn)加工提高一定的借鑒。

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責(zé)任編輯：吳艷玲

Research on Stamping Die Design of Automobile Flange Gasket and Processing Technology

CHANG Ying1,DONG Xin1,YANG Lijian2,XU Jiaming3,ZHENG Xuqiang1
（1.Jilin Agricultural Science and Technology University School of Mechanical Engineering,Jilin 132101;2.State Grid Laiwu Power Supply Company,Laiwu 257100;3.Avic Harbin Aircraft Industry Grounp Co.,Ltd,Harbin 150060）

In this paper，the stamping die design of automobile flange gasket is mainly studied.The 3D model of the stamping die is finished based on the CATIA software.The processing technology of the stamping die is studied.The main research contents are as follows∶(1)Design of convex and concave die;(2)Analysis the process of the hedge cutting parts,and determine the reasonable process plan;(3)Select the reasonable mold structure,design and drawing;(4)Analysis the processing technology of convex and concave die.The use of punching and blanking compound die to produce automobile flange gasket will improve the machining accuracy and production efficiency.This paper provides a theoretical basis for the design of the automobile flange gasket’s stamping die and the actual production and processing.

stamping die;processing technology;automobile flange gasket

TG385.2

A

2016-10-20

常 影（1988-），女，吉林省長(zhǎng)春市人，助教，研究方向：模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工及逆向建模等。