轎車座椅圓管擠凸全工序冷擠壓模具設(shè)計(jì)與應(yīng)用

舒滿征，黃昭明，沈現(xiàn)青，羅 林，芮平平

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽 安慶 246003； 2.皖江工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院，合肥 238000； 4.安慶市外國語學(xué)校，安徽 安慶 246003)

0 引言

作為汽車內(nèi)飾的重要組成，座椅一直是影響舒適駕乘的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受到很大的重視。汽車座椅骨架作為汽車座椅的基本框架，是直接與人接觸的汽車部件，需要滿足一定的舒適性和安全性要求[1]。冷擠壓技術(shù)能最有效的節(jié)約材料、提高生產(chǎn)效率、提高機(jī)械產(chǎn)品性能、適合大批量生產(chǎn)，因此在轎車座椅骨架用產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛[2]。

轎車座椅圓管擠凸冷擠壓模具的研制過程中，由于其管件成型時(shí)變形抗力非常高，因此如何設(shè)計(jì)執(zhí)行元件是需要解決的問題[3-5]。針對冷擠壓成形中空心管料反擠壓，目前可供參考的材料不多[6-8],為了解決所面臨的技術(shù)問題，急需提供一種轎車座椅圓管擠凸冷擠壓模具設(shè)計(jì)的技術(shù)方案。本文提供的轎車座椅圓管擠凸全工序冷擠壓模具，擠壓一次能夠?qū)崿F(xiàn)轎車座椅圓管的全工序擠凸，附帶擠凸過程中連接臂的定位裝配。通過部分成形塊的替換，還實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的一模多出效果，模具易實(shí)施，易推廣等。

1 模具設(shè)計(jì)前處理

冷擠壓模具設(shè)計(jì)前處理主要包含對冷擠壓零件的結(jié)構(gòu)、精度要求分析、工序安排以及冷擠壓時(shí)坯料材料成分、形狀尺寸和坯料軟化、表面及潤滑處理規(guī)范的正確選擇。冷擠壓模具設(shè)計(jì)前處理是冷擠壓模具設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)工作，也是其合理設(shè)計(jì)的重要保證。

1.1 制件全工序分析

如圖1所示，兩種轎車座椅圓管全工序UG三維圖，其形狀為一根壁厚為2.0 mm的空心無縫鋼管制件，該圓管兩端要求反擠壓出一個(gè)外側(cè)凸包和一個(gè)內(nèi)側(cè)凸包，擠壓過程中內(nèi)外凸包之間壓緊連接臂或調(diào)整臂，兩個(gè)連接臂的長度方向相平行且兩個(gè)連接臂朝向圓管本體的同一側(cè)伸出，連接臂的長度方向與圓管本體的軸線相垂直。最終成型后的圓管安裝于座椅座墊與靠背連接處，用于控制座椅靠背位置與傾斜角度。

圖1(a)與圖1(b)分別為制件A與制件B的成形示意圖，在此應(yīng)用了一模成形技術(shù)，來設(shè)計(jì)轎車座椅圓管的全工序冷擠壓模具。圖1中兩種制件均包含兩個(gè)工序，第一工序?yàn)閿D壓內(nèi)側(cè)凸包，第二工序?yàn)檠b入連接臂或調(diào)整臂再擠壓一個(gè)外側(cè)凸包，該凸包配合內(nèi)側(cè)凸包壓緊裝入的連接臂或調(diào)整臂。

1.2 坯料制備與處理

冷擠壓時(shí)，坯料材料成分、形狀尺寸和坯料軟化、表面及潤滑處理規(guī)范的正確選擇，將有利于金屬的流動(dòng)，對擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量及模具使用壽命的提高也有極大的幫助[9-10]。轎車座椅圓管材料為廠家提供的寶鋼冷成型用高強(qiáng)度鋼系列的低合金高強(qiáng)鋼HC420LA，制件坯料采用高速帶鋸下料，坯料尺寸由冷擠壓件坯料體積按金屬材料塑性變形前后體積不變原則計(jì)算確定，理論上需要預(yù)留一定的加工余量予以切除，但依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)實(shí)際擠壓出的產(chǎn)品無需再進(jìn)行機(jī)械加工，故在此無需預(yù)留。

(a)制件A的全工序

(b)制件B的全工序1.連接臂；2.外側(cè)凸包；3、4、5.內(nèi)側(cè)凸包；6.調(diào)整臂；7.十字凹槽；a.制件A第二工序；b.制件A第一工序；c.制件B第二工序；d.制件B第一工序圖1 兩種轎車座椅圓管全工序UG三維圖

為了改善冷擠壓坯料的擠壓性能，提高模具的使用壽命，大部分材料在擠壓前和多道擠壓工序之間必須進(jìn)行軟化處理[11]。為減小該材料顯微組織中的珠光體形態(tài)對擠壓性能的影響，轎車座椅圓管材料低合金高強(qiáng)度鋼采用球化退火組織。球化退火組織不僅硬度和強(qiáng)度低，而且塑性較高，特別是隨著鋼材中含碳量的增加，其影響作用也越來越大。冷擠壓時(shí)，金屬材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，單位擠壓力很大，如果沒有很好的潤滑就會導(dǎo)致制件表面嚴(yán)重刮傷。對于本制件的低合金高強(qiáng)鋼坯料，在冷擠壓前必須采用磷化處理，即把鋼坯料放在磷酸鹽溶液中進(jìn)行處理。經(jīng)磷化處理后，可減少坯料與模具之間的接觸摩擦，降低單位擠壓力，提高冷擠壓件的表面質(zhì)量和模具使用壽命。低合金高強(qiáng)鋼坯料在磷化表面處理后還需要進(jìn)行皂化潤滑處理，以獲得有效的硬脂酸鋅潤滑。

2 全工序冷擠壓模具設(shè)計(jì)

轎車座椅圓管冷擠壓模具主要是由兩套上驅(qū)動(dòng)型斜楔機(jī)構(gòu)配合上下模帶動(dòng)的多個(gè)成形塊在一次擠壓行程下，實(shí)現(xiàn)轎車座椅圓管的全工序擠壓。

2.1 凸包成形組件設(shè)計(jì)

凸包成形組件各零部件的結(jié)構(gòu)與位置設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到凸包成形后的形狀精度與位置精度。本設(shè)計(jì)中的凸包成形組件主要由固定塊1，成形塊2和3，定位塊4、5、7和8，墊板6和16，滑塊9和10，成形塊11、17和18，定位銷12，樹脂拉手13和14，彈簧15，成形定位塊19，小導(dǎo)柱導(dǎo)套20，卸料螺絲21等組成，各零部件具體安裝位置，如圖2(a)所示。

(a)制件A全工序凸包成形組件

(b)制件B全工序凸包成形組件1.固定塊；2、3.成形塊；4、5、7、8.定位塊；6、16.墊板；9、10.滑塊；11、17、18.成形塊；12.定位銷；13、14.樹脂拉手；15.彈簧；19.成形定位塊；20.小導(dǎo)柱導(dǎo)套；21.卸料螺絲圖2 凸包成形組件結(jié)構(gòu)圖

2.2 上下模組件設(shè)計(jì)

上下模組件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要取決于模板結(jié)構(gòu)與上下成形塊的緊固方法。合理的緊固方法可以提高冷擠壓件的擠壓精度，延長模具的使用壽命，且便于模具的安裝、調(diào)整及快速地更換零件。本設(shè)計(jì)中的上模組件主要由墊腳1和10，導(dǎo)滑板2，上模3，限位柱4和9，導(dǎo)套固定座5，強(qiáng)制復(fù)位板6，驅(qū)動(dòng)塊7，定位板8，固定板11，導(dǎo)滑板12，剝料鉤13，打死塊14，壓板15，大導(dǎo)套16，斜楔機(jī)構(gòu)上模部分a和b等組成，各零部件具體安裝位置，如圖3所示。本設(shè)計(jì)中的下模組件主要由墊腳1和6，滑座2、11和16，限位柱3，大導(dǎo)柱4，下模板5，滑塊7、10、15和18，定位板8，導(dǎo)滑板9、19，固定板12和14，鍵13、17，斜楔機(jī)構(gòu)下模部分a和d，防錯(cuò)裝置b和c等組成，各零部件具體安裝位置，如圖4所示。

1、10.墊腳；2.導(dǎo)滑板；3.上模板；4、9.限位柱；5.導(dǎo)套固定座；6.強(qiáng)制復(fù)位板；7.驅(qū)動(dòng)塊；8.定位板；11.固定板；12.導(dǎo)滑板；13.剝料鉤；14.打死塊；15.壓板；16.大導(dǎo)套；a、b.斜楔機(jī)構(gòu)上模部分圖3 上模組件結(jié)構(gòu)圖

1、6.墊腳；2、11、16.滑座；3.限位柱；4.大導(dǎo)柱；5.下模板；7、10、15、18.滑塊；8.定位板；9、19.導(dǎo)滑板；12、14.固定板；13、17.鍵；a、d.斜楔機(jī)構(gòu)下模部分；b、c.防錯(cuò)裝置圖4 下模組件結(jié)構(gòu)圖

2.3 斜楔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5所示，作為冷擠壓模具設(shè)計(jì)核心，轎車座椅圓管凸包成形組件的設(shè)計(jì)方案主要取決于擠壓力與擠壓方向。斜楔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案主要采用了4個(gè)垂直氮?dú)飧?配合打死塊壓住坯料，用4個(gè)垂直小導(dǎo)柱導(dǎo)套3和4維持壓料方向的運(yùn)動(dòng)精度；4個(gè)水平氮?dú)飧?提供擠壓力，用4個(gè)水平導(dǎo)柱導(dǎo)套5維持?jǐn)D壓方向的運(yùn)動(dòng)精度。本設(shè)計(jì)中的斜楔機(jī)構(gòu)a和b主要由水平氮?dú)飧?、垂直氮?dú)飧?、垂直小導(dǎo)套3、垂直小導(dǎo)柱4、水平導(dǎo)柱導(dǎo)套5、水平導(dǎo)滑板6、斜楔機(jī)構(gòu)等組成，各零部件具體安裝位置，如圖5所示。

1.水平氮?dú)飧祝?.垂直氮?dú)飧祝?.垂直小導(dǎo)套；4.垂直小導(dǎo)柱；5.水平導(dǎo)柱導(dǎo)套；6.水平導(dǎo)滑板；a、b.斜楔機(jī)構(gòu)11.固定板；12.導(dǎo)滑板；13.剝料鉤；14.打死塊；15.壓板；16.大導(dǎo)套；a、b.斜楔機(jī)構(gòu)上模部分圖5 斜楔機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 裝配與試模

3.1 模具裝配

如圖5所示，兩套上驅(qū)動(dòng)型斜楔機(jī)構(gòu)位于凸包成形組件兩端，上側(cè)凸包成形組件與兩端的上側(cè)上驅(qū)動(dòng)型斜楔機(jī)構(gòu)，分別通過打死塊與固定板固定在上模部分，下側(cè)凸包成形組件與其兩端的下側(cè)上驅(qū)動(dòng)型斜楔機(jī)構(gòu)，通過固定板安裝在下模部分，形成上下模組件兩個(gè)總成。最后通過緊固螺絲將模具的上模組件安裝于壓力機(jī)上滑塊，下模組件安裝于壓力機(jī)底座，模具裝配如圖6所示。

圖6 模具裝配圖

3.2 實(shí)沖驗(yàn)證

試模是在江蘇海鍛630 t的壓力機(jī)上進(jìn)行的，所用材料為HC420LA，材料厚度為2.0mm。圖7所示為實(shí)沖試驗(yàn)所獲制件B的產(chǎn)品圖，該零件的外觀質(zhì)量好，表面無拉傷、畸變等現(xiàn)象發(fā)生，關(guān)鍵成形部位的成形質(zhì)量符合檢具檢驗(yàn)。通過實(shí)沖試驗(yàn)反饋了上述設(shè)計(jì)合理可行。將所設(shè)計(jì)制造出的轎車座椅圓管擠凸全工序冷擠壓模具用于實(shí)際生產(chǎn)，模具能夠適應(yīng)批量生產(chǎn)的要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格且模具本身不會產(chǎn)生問題，進(jìn)一步說明所設(shè)計(jì)的模具完全符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

圖7 轎車座椅圓管制件B產(chǎn)品圖

4 結(jié)語

通過對轎車座椅圓管零件進(jìn)行分析，采用了全工序的一模成形技術(shù)，即一次完成圓管兩端內(nèi)側(cè)凸包和圓管兩端外側(cè)凸包的擠壓工作，然后對坯料材料成分、形狀尺寸和坯料軟化、表面及潤滑處理做了規(guī)范的正確選擇，為冷擠壓模具設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

所設(shè)計(jì)的轎車座椅圓管擠凸全工序冷擠壓模具，具體包括上下模組件、凸包成型組件與上驅(qū)動(dòng)型斜楔機(jī)構(gòu)。通過更換的凸包成形組件，解決制件A與制件B的擠壓加工，經(jīng)濟(jì)性好，該設(shè)計(jì)還解決了凸包成形時(shí)變形抗力、空心管件凸包成形精度、卸料以及模具壽命等問題，而且模具具有易實(shí)施、易推廣等特點(diǎn)。