濾網(wǎng)骨架卷圓模設(shè)計(jì)

■ 新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 （河南新鄉(xiāng) 453000） 武亞斌 任樹蘭

工裝設(shè)計(jì)室副主任、工程師 武亞斌

本文針對厚板料的濾網(wǎng)骨架，設(shè)計(jì)制造了一套卷圓模，完成了零件的批量生產(chǎn)，可為精益生產(chǎn)提供系列化模具設(shè)計(jì)依據(jù)。

1. 零件工藝分析

如圖1所示網(wǎng)孔型套筒零件，由帶孔板料卷圓而成，厚2mm；前序規(guī)格為94.5mm×68.3mm，最終要求產(chǎn)品外徑為24－0－0.52mm。材料為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼板，硬度≤187HBW，抗拉強(qiáng)度σb≥550MPa，屈服強(qiáng)度σs≥200MPa，伸長率≥40%，成形工藝性較好，常需一次沖壓成形。

具體工藝分析如下：

1）卷圓屬于彎曲成形工藝，但因成形后形成圓周封閉式輪廓，其退料則需沿軸線方向進(jìn)行，故結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。而因零件回彈問題，常需考慮會否發(fā)生成形干涉。

2）制件精度分析。外徑尺寸約IT12級精度，屬經(jīng)濟(jì)可加工范疇。但若出現(xiàn)擠壓痕跡等明顯的外觀質(zhì)量問題，則須采取相應(yīng)措施予以消除。

3）根據(jù)零件內(nèi)圓角半徑與料厚比值r/t≈4.9（r用外徑換算）來看，屬一般曲率彎曲成形，應(yīng)考慮回彈。

圖1 濾網(wǎng)骨架尺寸

2. 卷圓模設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）工藝可行性分析 零件最終為焊接件，成形回彈工序不影響焊接即可。實(shí)際焊縫寬度在一定范圍內(nèi)可通過工裝夾緊予以調(diào)整來保證尺寸要求。項(xiàng)目主要考慮成形中板料會否干涉。

（2）毛坯尺寸計(jì)算 考慮板料成形的中性層偏移，以便計(jì)算出毛坯尺寸。中性層系數(shù)K可由參考資料查得，當(dāng)r/t≈4.9時(shí)，K=0.5。式中r為成形零件內(nèi)圓角半徑，按零件外徑中差值換算，則r＝（24－0.52÷2）÷2－2＝9.87（mm）?？砂匆话憬?jīng)驗(yàn)公式估算毛坯展開尺寸L0＝2π（r＋Kt）＝68.3（mm）。結(jié)果等于給定毛坯中差值，考慮焊接工藝性顯然比較合適。

（3）回彈量的計(jì)算 卷圓時(shí)回彈量可按純塑性彎曲條件進(jìn)行計(jì)算。成形所需內(nèi)圓角（或稱凸模圓角）半徑r1＝r/（1＋ηr/t），其中r為彎曲工件成形回彈后的內(nèi)圓角半徑，由前述計(jì)算可知r=9.87mm；η為計(jì)算用簡化系數(shù)，可根據(jù)參考資料查表獲得，1Cr18Ni9Ti冷硬狀態(tài)可取η=0.018。據(jù)此計(jì)算可得r1=9.06mm。若按其重新計(jì)算毛坯尺寸L′＝2π（r＋Kt）＝63.2（mm）＜68.3mm（給定毛坯尺寸）。這意味著若考慮回彈，取成形內(nèi)圓角半徑為9.06mm，則成形會出現(xiàn)板料干涉；而不考慮回彈，直接取成形心軸φ19.74mm（r=9.87mm相當(dāng)于產(chǎn)品內(nèi)徑中差）的方案可減少或避免板料干涉。以其作為成形心軸尺寸，再通過校形時(shí)焊接保證焊后尺寸即可，且心軸具有較高的剛性。

（4）卷圓工藝方案的選擇 綜合來看，φ10～φ40mm的圓環(huán)類零件卷圓，可選用一次或二次成形方式?？紤]濾網(wǎng)骨架零件屬中小批量生產(chǎn)，采用一次成形既能解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題，又能相對保證生產(chǎn)效率。按毛坯尺寸來看，模具制造成本也不會太高，可滿足精益化生產(chǎn)需求。確定設(shè)計(jì)一次成形卷圓模。

圖2 模具裝配圖

3. 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一套擺塊式卷圓模，如圖2所示。

模具分上、下模兩部分，上模為口字型結(jié)構(gòu)，型芯10為主要成形部分，活動支柱9能夠繞回轉(zhuǎn)銷旋轉(zhuǎn)打開，便于成形后取出產(chǎn)品。下模主要為帶活動凹模4的擺塊機(jī)構(gòu)及彈頂機(jī)構(gòu)。

卷圓成形過程：上模由壓力機(jī)帶動向下運(yùn)動，板料處于兩者之間，在相對運(yùn)動過程中，活動凹模4受偏心力作用，左右兩塊同時(shí)繞銷釘至閉合，形成近乎完整的圓，同時(shí)板料抱緊型芯，獲得產(chǎn)品零件。

彈簧1除了起緩沖作用外，還起到將活動凹模4頂回初始狀態(tài)的作用。上、下模分開后，零件可從心軸上取下，活動支柱9被動打開，后又在重力作用下自動回復(fù)原位，重新開始對心軸提供輔助支撐。

在整個(gè)過程中各機(jī)構(gòu)均為被動式，動力由壓力機(jī)提供。故成形過程中，上、下模的閉合行程尤為重要；行程過短零件不能獲得最佳的卷圓狀態(tài)，行程過長將導(dǎo)致零件壓傷，甚至模具報(bào)廢發(fā)生危險(xiǎn)。故該類卷圓模在試模時(shí)需有經(jīng)驗(yàn)的操作工調(diào)試。也可以加工一套筒式樣件，以方便確定行程。

4. 其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）工作尺寸 先按前述給定的外型尺寸中差值作為活動凹模尺寸，再按料厚確定內(nèi)型芯尺寸，即型芯10取φ19.74mm。

（2）模具材料 型芯、活動凹模及頂柱等均采用Cr12MoV，淬火硬度略高（55～60HRC）。其材料強(qiáng)度可確保中小批量零件的成品質(zhì)量。

（3）模具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖3所示為活動凹模閉合時(shí)的三維模型。據(jù)此可更好地模擬出卷圓模成形加工過程，也可以避免兩活動凹模發(fā)生干涉。通過適當(dāng)調(diào)整，使得活動凹模在夾緊零件閉合時(shí)仍有適當(dāng)?shù)目p隙（取1mm），可避免沖壓過程對模具自身造成損傷。

圖3 卷圓模閉合狀態(tài)

圖4所示為活動凹模尺寸。除確定關(guān)鍵成形尺寸外，還需注意定位尺寸。從裝配圖2可以看出，29mm*換算后可保證毛坯件定位（對稱）。技術(shù)條件約束兩件關(guān)鍵尺寸一致，則可增強(qiáng)其互換性，進(jìn)而保證最終模具成形精度。

活動擺塊零件如圖5所示，其中70mm*尺寸與上模支架6相應(yīng)尺寸保持一致。關(guān)鍵是孔距及角度要求?？拙嘁恢驴纱_保裝配后，型芯中心軸線與模具表面（或機(jī)床平臺）水平，以保證模具閉合時(shí)的精度。若偏差過大則導(dǎo)致成形零件兩端不一致。而5°圓錐面可避免其擺動（退料）過程中發(fā)生干涉。2.5mm圓柱段可提供零件有效支撐面而非線接觸，確保型芯的水平狀態(tài)。顯然，支撐部分的偏心狀態(tài)是保證其支撐穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

因產(chǎn)品為中等小批量零件，故采用人工方式退料。其退料過程為：當(dāng)上、下模分離后，套筒式零件仍套在心軸上；心軸一端固定在上模支架6上，操作者用鑷子類工具將其沿軸線方向從另一端（活動支撐）取出。由于活動支撐與心軸本身僅為接觸聯(lián)接，在取件時(shí)可隨之向外擺動，直至零件取出后，其又在自身重力作用下回復(fù)支撐閉合狀態(tài)，形成“口”字形閉合結(jié)構(gòu)。下次成形時(shí)即可對心軸另一端提供有效支撐。顯然，相對來說，自動彈頂式退料則更適合大批量生產(chǎn)。

圖4 活動凹模

圖5 活動支柱

5. 彎曲力計(jì)算

從零件在模具中的成形過程可知，零件首先被彎曲成U形，再由活動凹模擠壓校形至圓形，因此，可首先按自由彎曲來計(jì)算成形力，并將其作為型芯校核的載荷。而隨著最終凹模具的介入，校正彎曲力才是零件最終所需彎曲力，可據(jù)此計(jì)算來選擇壓力機(jī)噸位。此時(shí)雖然彎曲力較大，但對型芯來說，已受到相應(yīng)支撐作用，原危險(xiǎn)截面不再存在，故無需采用校正彎曲力來校核型芯強(qiáng)度。

要從理論上計(jì)算彎曲力是很復(fù)雜的，計(jì)算精度也不高，在生產(chǎn)中是采用經(jīng)驗(yàn)公式或簡化理論公式來計(jì)算。該零件上存在交叉均布的網(wǎng)孔，但其在軸線方向存在較多連續(xù)的板料。安全起見，計(jì)算時(shí)忽略網(wǎng)孔影響。

（1）自由彎曲力計(jì)算 查詢相關(guān)資料，U形彎曲件的自由彎曲力經(jīng)驗(yàn)公式為F1=bt2σb/（r＋t），式中，σb為材料的抗拉強(qiáng)度，取σb=550MPa；b為坯料寬度，按圖1取b=94.5mm；r為彎曲件的內(nèi)彎曲圓角半徑，取r=9.87mm；t為彎曲件的厚度，取t=2mm。計(jì)算可得F1=17 514.7N。即產(chǎn)品零件自由彎曲成U形時(shí)，約需17.5kN的載荷。

（2）校正彎曲力 校正彎曲力近似計(jì)算公式為F2=A p，式中，A為校正部分投影面積（m m），此處A=b h（h為零件校形部位投影長度，單位為mm，按圖1取h=24mm）；p為單位校正力，針對不銹鋼材料且根據(jù)料厚查參考資料，可取p=70MPa。卷圓可按U形件180°范圍投影，算得A=2 268mm2，則F2=158 760N，即零件校正彎曲力約159kN。

對下模卷圓部分?jǐn)[塊機(jī)構(gòu)而言，其彎曲校形部分依靠兩活動凹模相互擠壓而成，兩側(cè)180°范圍同時(shí)校形。由力的平衡關(guān)系可知，分解到上模中所需提供成形力不超過單側(cè)180°校形力。因此，零件所需最大校形力仍為159kN。從公式中圓環(huán)形零件在任意中心截面的投影面積保持不變這點(diǎn)來看，結(jié)論始終是一致的。但實(shí)際生產(chǎn)加工中，支撐活動凹模旋轉(zhuǎn)的定位銷可能承受來自于壓力機(jī)的過大壓力而損壞變形，進(jìn)而導(dǎo)致活動凹模卡死。這正是前述需要注意的事項(xiàng)，也是擺塊類卷圓模結(jié)構(gòu)的不足之處，使用中應(yīng)當(dāng)予以重視。

（3）頂件力 對于設(shè)置有頂件裝置或壓料裝置的彎曲模，其頂件力或壓料力F值可近似取自由彎曲力的30%～80%，而該卷圓模中頂桿的作用顯然為確?；顒影寄；謴?fù)初始狀態(tài)，故不再進(jìn)行計(jì)算。僅在此表明其只要將活動凹模頂起克服自重即可，否則將對定位尺寸造成影響。

6. 壓力機(jī)選擇

對于校正彎曲，由于校正力是發(fā)生在接近于下死點(diǎn)位置，校正力與自由彎曲力并非重疊關(guān)系，而是校正力的數(shù)值比實(shí)際壓料成形（自由彎曲）力大得多，壓料成形力可忽略不計(jì)，可只按校正力選擇設(shè)備。即壓力機(jī)所供壓力≥F2即可。由此可見，對于該濾網(wǎng)骨架卷圓成形，選擇45t以上壓力機(jī)已經(jīng)足夠。且本例工藝后序?yàn)楹附?，并無要求模具校形來保證相應(yīng)尺寸。

7. 型芯強(qiáng)度校核

圖6所示為上模局部三維圖，可將型芯按簡支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。

經(jīng)簡化后型芯簡支梁結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中L為簡支梁兩支撐點(diǎn)間距，由設(shè)計(jì)時(shí)給定且L≥坯料寬度（在本例中L≥94.5mm），極限時(shí)L＝坯料寬度；q為均布載荷（N/m），中間處產(chǎn)生最大的彎曲扭矩。對于受均布線載荷的簡支撐梁，其中間危險(xiǎn)端面處彎矩Mmax＝qL2/8（N·m）。

圖6 上模整體三維結(jié)構(gòu)

圖7 簡支梁結(jié)構(gòu)示意

此處認(rèn)為型芯提供的自由彎曲力均布于板料上，且板料近似與間距L等長，故q＝F1/L，則Mmax＝F1L/8。而型芯危險(xiǎn)截面強(qiáng)度校核公式為：σmax＝Mmax/W≤[σ]。式中，σmax為型芯材料中心處所受最大應(yīng)力（MPa）；[σ]為型芯材料許用應(yīng)力，針對作為凸凹模材料的Cr12MoV，常取[σ]=350MPa；W為型芯材料的抗彎截面模量（mm3）。對于圓柱形截面，其抗彎截面模量為：W=πd3/32。式中，d為型芯截面直徑，d＝2r＝19.74mm。所以σmax＝Mmax/W＝4F1L/（πd3）。取L=98m m，帶入數(shù)值計(jì)算得σmax＝284.1MPa＜[σ]，在模具心軸材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)。而帶入許用應(yīng)力[σ]=350MPa反向計(jì)算，可得型芯允許最小型芯直徑dmin=18.4mm。

可見，該型芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可保證濾網(wǎng)骨架卷圓成形。反過來考慮回彈，按前述φ18.12mm（r1=9.06mm）心軸設(shè)計(jì)模具，則存在較大風(fēng)險(xiǎn)，且板料卷圓必然干涉。但當(dāng)產(chǎn)品不要求閉環(huán)而要求成形尺寸，將毛坯下料長度減少時(shí)，則可按φ18.4mm的心軸設(shè)計(jì)模具來成形，風(fēng)險(xiǎn)較小，成形回彈后就能直接滿足外徑尺寸要求。本文按照既定方案φ19.74mm設(shè)計(jì)相應(yīng)的卷圓模，以驗(yàn)證試模效果。

8. 試模效果及結(jié)論

模具經(jīng)試模交付加工了一批零件，如圖8所示，證實(shí)此卷圓模方案可行，保證了中小批量零件的加工效率，為類似零件模具設(shè)計(jì)提供了有效的解決方案，也證明了文中強(qiáng)度校核的意義。

圖8 產(chǎn)品試件

9. 系列化模具設(shè)計(jì)方案

依照上述案例分析，可以通過分類整理，將絕大多數(shù)類似產(chǎn)品規(guī)格的產(chǎn)品零件，通過設(shè)計(jì)卷圓模中的關(guān)鍵零部件，組合形成專用的卷圓模系列（規(guī)格），以完成零件的生產(chǎn)加工，從而降低模具設(shè)計(jì)、制造成本，進(jìn)一步提高中等小批量零件的生產(chǎn)效率。