型煤采暖爐推渣器殼體沖壓工藝及模具設(shè)計

高連勇，徐 帥，梁 健

（1.棗莊職業(yè)學(xué)院智能制造系，山東 棗莊 277800；2.中檢集團(tuán)公信科技有限公司，山東 棗莊 277100）

0 引言

在農(nóng)村供暖“煤改電”“煤改氣”要求和環(huán)境保護(hù)監(jiān)察風(fēng)暴的雙重壓力下，農(nóng)村的供暖爐具市場被再次洗牌，許多地方面臨無爐可供的局面。而山東多樂采暖設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型煤采暖爐卻逆勢上揚，每年銷售量達(dá)2萬臺以上。該集團(tuán)生產(chǎn)的采暖爐燃料為型煤，燃燒時無焦油、火力猛、升溫快、不冒煙、不斷火，具有節(jié)能、環(huán)保、安全等優(yōu)點，市場銷售情況較好?，F(xiàn)在，“好煤配好爐”已被廣泛認(rèn)可為解決農(nóng)村分散供熱污染的有效途徑之一。因此，國內(nèi)節(jié)能環(huán)保爐具市場潛力巨大[1]。該采暖爐推渣器部件，最初全部采用鑄鐵鑄造結(jié)構(gòu)，需要先鑄造再機(jī)加工，材料消耗多，效率低，成本高，不能較好地適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。為了降低產(chǎn)品制造成本，經(jīng)過對推渣器殼體結(jié)構(gòu)及使用要求的分析，在保證使用性能的前提下，將其改為鋼板沖壓折彎成型零件，采用的組裝方式是與托盤之間用螺絲連接，如圖1、圖2所示。實踐證明，采用該工藝成本較原來有所降低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，通過生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)存在以下問題：1）由于采用分散工序處理，沖壓工序多，模具數(shù)量多，勞動強度大；2）多工序誤差出現(xiàn)積累，零件的加工質(zhì)量難以保證；3）由于誤差積累，部件組裝困難。為解決工序積累誤差影響部件組裝的技術(shù)難題，經(jīng)過技術(shù)分析與模擬試驗，提出將托盤改為鋼板沖壓零件，推渣器與托盤采用焊接連接，改進(jìn)后推渣器采用級進(jìn)模沖壓的工藝方案。采用該工藝方案有以下優(yōu)點：1）托盤不需要加工安裝結(jié)合面，利于批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，材料消耗少；2）能夠消除推渣器制作工序的積累誤差；3）焊接組裝工藝簡單，減少材料及連接件消耗，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

圖1 原設(shè)計成型圖樣

圖2 原設(shè)計展開圖

1 圖樣審查

1）圖樣中的沖裁要素基本處于對稱布置，只有R65半圓沖裁力不均勻，需要進(jìn)行工藝改進(jìn)。

2）圖樣尺寸無公差要求，可全部按IT14級確定尺寸公差。

3）尺寸φ19 mm孔與126 mm長槽的位置尺寸是影響組裝的關(guān)鍵尺寸，會影響內(nèi)部零件組裝。因此，尺寸標(biāo)注基準(zhǔn)應(yīng)該選擇推渣器殼體底部作為統(tǒng)一基準(zhǔn)，分別標(biāo)注，不能采用連續(xù)標(biāo)注方式。

4）圖樣沒有標(biāo)注折彎的彎曲半徑，因為推渣器殼體一般采用熱軋鋼板Q215，屬于正火狀態(tài)供貨。為了防止折彎處于軋制平行纖維發(fā)生開裂，最小彎曲半徑數(shù)值為0.40t，其中，t為鋼板厚度，這里t=3 mm。因此，最小彎曲半徑r=0.4t=0.4×3 mm=1.2 mm。

5）改用焊接組裝工藝，可以去除上口安裝翻邊，減少材料及配孔加工。

2 冷沖壓工藝分析

1）原設(shè)計圖樣顯示推渣器殼體折彎共有四道，即在U形的口部再折兩個彎，目的是用于安裝時螺栓連接托盤。根據(jù)現(xiàn)有的工藝修改方案，推渣器殼體連接的托盤全部修改為冷沖壓件，因此，原來的螺栓連接可以修改為焊接連接。如果采用焊接工藝，U形口部的折彎就沒有必要，U形口部的兩個25×195折彎翻邊即可省掉，這樣可以節(jié)省材料，降低成本。

2）沖裁圓孔φ19 mm是安裝推渣器杠桿固定軸的孔，孔中心距離推渣器殼體底部14.5 mm，減去鋼板厚度3 mm，折彎線距φ19 mm孔中心距離只有11.5 mm，折彎線距φ19 mm的邊緣距離只有2 mm，折彎時容易引起φ19 mm孔變形。解決的方法有兩個：①加大φ19 mm孔到推渣器殼體底部的距離，這樣需要加寬坯料尺寸，不符合節(jié)省材料、降低成本的宗旨，并且存在間隙，容易積灰；②將φ19 mm孔修改為R9.5 mm的長孔，讓折彎線折在長孔的直邊上，使推渣器殼體立壁處長孔端部R9.5 mm半圓的中心距離折彎線9.5 mm～10 mm，這樣可以減小坯料寬度尺寸，節(jié)省材料。同時，修改為長孔，折彎受力均勻，不會出現(xiàn)滑移，有利于保證折彎尺寸精度。

3）推渣器殼體底部的寬度去除鋼板厚度只有135 mm，而R65 mm的半圓與兩側(cè)折彎線距離只有2.5 mm，不符合折彎件上孔壁到折彎線的最小距離要求。因此，如果沖裁R65 mm的半圓以后再折彎，會引起半圓口部變形與推渣器殼體底部出現(xiàn)不平的問題。

3 冷沖壓工藝方案制定

3.1 修改圖樣與修改內(nèi)容

3.1.1 修改圖樣

根據(jù)冷沖壓工藝分析，將推渣器殼體進(jìn)行重新設(shè)計，修改后的零件如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 修改后彎曲圓角

圖4 修改成形圖

圖5 修改后的展開圖

3.1.2 修改內(nèi)容

1）標(biāo)注折彎圓角R1.2 mm，為模具制造提供技術(shù)依據(jù)。

2）將φ19 mm孔修改為R9.5 mm的長孔，如圖5所示，折彎線在長孔的兩側(cè)直線上，保證彎曲力均勻，有利于保護(hù)模具。

3）為防止R65mm孔的形狀變形，將推渣器殼體內(nèi)腔尺寸由135 mm修改為141 mm，基本滿足孔壁到折彎線的最小距離，符合smin≥1.5t+r的要求。

4）φ19 mm孔的設(shè)計基準(zhǔn)選在推渣器殼體底部，定位尺寸為13 mm，φ19 mm孔的中心與R7 mm、長度126 mm長槽的中心之間的中心距為54 mm，這樣標(biāo)注中心距更加清晰、合理。

3.2 推渣器殼體展開尺寸計算

對彎曲件彎曲變形過程進(jìn)行分析，彎曲件變形過程中存在應(yīng)變中性層，即該層金屬在變形中既沒有伸長也沒有縮短，其變形量為零。該層金屬的尺寸即為原始毛坯尺寸。彎曲件展開尺寸計算應(yīng)以中性層為依據(jù)進(jìn)行[2]。

1）彎曲鋼板中性層位置確定。彎曲中性層位置并不是在材料厚度的中間位置，其位置與彎曲變形量大小有關(guān)，應(yīng)按下式確定：

式中：ρ表示彎曲中性層的曲率半徑，r表示彎曲件內(nèi)層的曲率半徑，t表示材料的厚度，k表示中性層位移系數(shù)[3]，與r/t有關(guān)。本例中，r=1.2 mm，t=3 mm，r/t=1.2/3=0.4，查相關(guān)表格得到鋼板中性層位移系數(shù)k=0.35，代入上式得ρ=1.2+0.35×3=1.2+1.05=2.25 mm。

2）按中性層計算展開尺寸。中性層曲率半徑為ρ=r+kt，則圓弧部分弧長為s=ρα（α為圓弧對應(yīng)的中心角，用弧度表示）或采用如下計算：s=（2×ρ×3.14）/4=（4.5×3.14）/4=3.53 mm。推渣器殼體展開長度L=2h+b+2s=2×82.8+138.6+2×3.53=311.26 mm。

3）按r＜0.5t條件計算展開尺寸。小圓角半徑（r＜0.5t）或無圓角半徑彎曲件的展開長度是根據(jù)彎曲前后材料體積不變的原則進(jìn)行計算的[4]，即：

式中：L為毛坯長度，∑l直為各直線段長度之和，n為彎曲數(shù)目，t為材料厚度，k為材料性能及彎曲數(shù)目有關(guān)的系數(shù)，查相關(guān)表格，雙角彎曲時k=0.45~0.48，則展 開 尺 寸L=82.8+82.8+138.6+（0.45～0.48）×2×3=306.9 mm~307.08 mm。

4）按彎曲件r＜0.5t時展開長度的經(jīng)驗計算公式計算（雙角彎曲）展開尺寸[5]：

綜合以上計算方法的差異，取最大尺寸與最小尺寸的平均值作為推渣器殼體展開尺寸：L=（Lmax+Lmin）/2=（311.26+306.9）/2=618.16÷2=309.08 mm。

修改后的展開圖如圖5所示。

3.3 冷沖壓工藝方案制訂與比較

1）采用單工序模具，需要經(jīng)過剪切下料、沖孔和彎曲成形三道工序，鋼板需要提前按外形輪廓尺寸下料，用沖裁模具沖孔、用彎曲模具彎曲成形。優(yōu)點是模具結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計容易，制造方便，生產(chǎn)周期短，模具和制件的制造成本低。但是因為采用三副模具分別進(jìn)行落料、沖孔和彎曲，所以沖壓生產(chǎn)率較低，生產(chǎn)過程中工件周轉(zhuǎn)次數(shù)多，占用操作工人多，使生產(chǎn)成本反而增加，不能滿足推渣器殼體大批量生產(chǎn)的需求。

2）采用復(fù)合模，其優(yōu)點是沖壓生產(chǎn)效率高，但和第一種方案相比，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計制造困難，生產(chǎn)周期較長，模具成本較高，并且也難以實現(xiàn)[6]。

3）采用級進(jìn)模，可以選用帶鋼連續(xù)沖裁，在一個工位完成沖孔、彎曲和切斷。優(yōu)點是沖壓生產(chǎn)過程容易實現(xiàn)機(jī)械化及自動化，占用設(shè)備和操作人員少，工件生產(chǎn)中沒有輔助工時，生產(chǎn)效率較高，零件成本低。

綜合以上沖裁工藝方案進(jìn)行比較分析，推渣器殼體采用級進(jìn)模比較合理，工件無周轉(zhuǎn)，輔助工時少，占用空間少，零件成本低，企業(yè)的設(shè)備和操作人員能夠滿足選定的冷沖壓工藝方案的需要。

4 級進(jìn)模工藝的排樣

4.1 排料與利用率計算圖

因為推渣器殼體為方形、矩形零件，制件在材料上的排列形式選用直排法，如圖6所示。

圖6 級進(jìn)排料與材料利用率計算圖

4.2 材料利用率

材料利用率一般常用的計算公式為：

式中：S表示一個進(jìn)距內(nèi)的實用面積（mm2），S0表示一個進(jìn)距內(nèi)所需毛坯面積（mm2）。

4.3 級進(jìn)工步圖

級進(jìn)工步圖如圖7所示。

圖7 級進(jìn)工步圖

5 推渣器殼體沖裁模刃口尺寸計算

5.1 沖裁模雙面間隙確定

沖裁間隙對沖裁件的斷面質(zhì)量、尺寸精度、模具壽命、沖裁力、卸料力、推料力和頂料力都有較大的影響，因此，合理確定沖裁間隙非常重要[7]。

1）按經(jīng)驗確定法確定合理沖裁模間隙。根據(jù)經(jīng)驗，工件厚度t=3 mm時，軟鋼的沖裁間隙為：

2）按查表法確定合理沖裁模間隙。推渣器殼體零件對沖裁斷面質(zhì)量要求不高，一般為Ⅱ型斷面，查表可得低碳鋼的雙面間隙為：

3）按汽車拖拉機(jī)行業(yè)推薦雙面間隙。08、10、35、09Mn、Q235鋼板雙面間隙為：Z=0.46 mm～0.64 mm。

綜合以上幾種確定方法，確定推渣器殼體沖裁模的雙面間隙在0.45 mm～0.72 mm之間。因推渣器殼體沖裁尺寸精度要求不高，對斷面質(zhì)量沒有特殊要求，為了提高模具的使用壽命和減少沖壓力，從而獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益[8]，這里取Z=0.60 mm。

5.2 凸凹模刃口尺寸計算

5.2.1 確定磨損系數(shù)x

根據(jù)磨損規(guī)律，為使在凸、凹模磨損到一定程度的情況下，仍能沖出合格制件，在設(shè)計落料模時，凹?；境叽缛≈萍叽绻罘秶鷥?nèi)的較小尺寸；在設(shè)計沖孔模時，凸?；境叽缛≈萍叽绻罘秶鷥?nèi)的較大尺寸[9]。磨損留量用x△表示，其中，△為工件的公差，x為磨損系數(shù)。根據(jù)推渣器殼體條件：鋼板厚度t=3 mm，沖裁件精度IT14級，查得：磨損系數(shù)x=0.5，非圓形制件公差△≥0.50 mm，圓形制件公差△≥0.24 mm。

5.2.2 參照圖8按IT14確定零件制造公差

1）按IT14查標(biāo)準(zhǔn)公差表確定零件制造公差△如下：△φ80=0.74 mm，△R65=0.74 mm，△R9.5×15=0.52 mm，△R7×126=0.43 mm，△R5×120=0.36 mm。

2）按IT7查標(biāo)準(zhǔn)公差表確定模具零件制造公差δ如 下：δφ80=0.03 mm，δR65=0.03 mm ，δR9.5×15=0.021 mm，δR7×126=0.018 mm，δR5×120=0.015 mm。

3）因為沖孔時，沖裁R9.5×15、R7×126均為對稱，孔距制造公差按IT14級查標(biāo)準(zhǔn)公差表確定如下：△269=1.3 mm，△146=1 mm。沖裁模刀口尺寸計算，如圖8所示。

圖8 沖裁模刃口尺寸計算圖

5.2.3 凸模刃口尺寸計算

推渣器殼體沖裁工藝為沖孔，應(yīng)先計算凸模的刃口尺寸，然后以凸模為基準(zhǔn)件，配制凹模[10]，經(jīng)分析，沖孔凸模均為模具磨損后刃口尺寸變小，計算時應(yīng)該是最大極限尺寸：

5.2.4 凹模刃口尺寸計算

凸凹模采用配合加工方法，加工凹?？刂齐p面間隙在0.45 mm～0.72 mm之間即可。

5.2.5 L269、L146尺寸計算

模具磨損后刃口尺寸不變，計算時按凹模孔距公式進(jìn)行[11]。其基準(zhǔn)件尺寸為：

6 沖裁力計算與模具壓力中心確定

6.1 沖裁件周邊長度L計算

6.2 沖裁件沖裁力計算

沖裁力的計算公式為：

式中：F為沖裁力（N）；L為沖裁件周邊長度（mm），這里為1 722.56 mm；K為系數(shù)，取K=1.3；t為材料厚度（mm）；τ為材料抗剪強度（MPa），查金屬材料力學(xué)性能表，Q215鋼板抗剪強度τ=270 MPa~340 MPa，這里取τ=310 MPa。據(jù)此可計算出沖裁力F=KLtτ=1.3×1 722.56×3×310=2 082 575.04 N。

6.3 計算卸料力與推件力

卸料力和推件力的計算公式分別為：

式中：K卸為卸料力系數(shù)，K推為推件力系數(shù)[12]，n為推料件數(shù)，這里n=1。沖裁模具沖孔采用剛性卸料裝置，切斷采用彈性推料，查表得到：K卸=0.02~0.05，這里取K卸=0.04，K推=0.045，K頂=0.05。

1）卸料力計算：F卸=K卸F=0.04KLtτ=0.04×1.3×（251.32+179.38+591.96+360）×3×310=0.04×1.3×1 382.66×3×310≈66 865.44 N。

2）推料力計算：F推=nK推F=0.045×1.3×（204.2+135.7）×3×310≈18 492.26 N。

3）沖壓總壓力計算，本例采用剛性卸料裝置，總壓力為：F∑=F+F推=2 082 575.04 N+18 492.26 N=2 101 067.3 N

6.4 模具壓力中心計算

在設(shè)計沖裁模時，模具的壓力中心要與壓力機(jī)滑塊中心重合，否則會加速沖模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的不均勻磨損，沖裁間隙難以保證，直接影響沖裁件的質(zhì)量和模具的使用壽命[13]。

模具壓力中心計算如圖9所示。取沖孔圓心為坐標(biāo)原點（0，0），因制件形狀對稱，在不考慮側(cè)刃沖壓力時：

圖9 模具壓力中心計算圖

7 凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計

7.1 凸模長度的確定

根據(jù)沖模的整體結(jié)構(gòu)確定凸模長度，采用固定卸料板的沖裁凸模長度的計算公式為：

式中：h1為凸模固定板厚度，這里取h1=25 mm；h2為卸料板厚度，這里取h2=12 mm；h3為導(dǎo)料板厚度，這里取h3=10 mm；15 mm~20 mm包括凸模進(jìn)入凹模的深度、凸模修磨量、沖模在閉合狀態(tài)下卸料板到凸模固定板間的距離[14]，本例結(jié)合具體結(jié)構(gòu)選擇18 mm。

因此，凸模長度L=h1+h2+h3+（15~20）=25+12+10+18=65 mm。

7.2 凸模結(jié)構(gòu)形式

推渣器殼體沖裁模凸模按工作斷面的形式有圓形凸模和非圓形凸模。圓形凸模結(jié)構(gòu)如圖10所示，非圓形凸模結(jié)構(gòu)如圖11、圖12、圖13所示。倒裝模結(jié)構(gòu)圖如圖14所示。

圖10 φ80圓孔沖裁凸模結(jié)構(gòu)圖

圖11 7×126長孔沖裁凸模結(jié)構(gòu)圖

圖12 9.5×15長孔沖裁凸模結(jié)構(gòu)圖

圖13 10×90工藝切口沖裁凸模結(jié)構(gòu)圖

圖14 倒裝模結(jié)構(gòu)圖

8 凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計

8.1 凹模結(jié)構(gòu)尺寸計算

1）凹模厚度計算。凹模厚度的計算公式為：

式中：b為凹模孔的最大寬度，這里b=80 mm；K為系數(shù)，根據(jù)鋼板厚度3 mm和b=80 mm查表取得K=0.35。因此，凹模厚度H=Kb=0.35×80 mm=28 mm。這里取H=30 mm。

2）凹模壁厚計算。對于大凹模，凹模壁厚的計算公式為：C=（2～3）H，這里取C=2H，據(jù)此可計算出本例中凹模壁厚C=2H=2×30=60 mm。

8.2 凹模結(jié)構(gòu)形式圖

正裝沖裁凹模結(jié)構(gòu)如圖15所示，倒裝切斷凹模結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖15 正裝沖裁凹模結(jié)構(gòu)圖

圖16 倒裝切斷凹模結(jié)構(gòu)圖

9 級進(jìn)模裝配圖

級進(jìn)模裝配圖如圖17所示。

圖17 級進(jìn)模裝配圖

10 設(shè)計總結(jié)

根據(jù)沖裁模設(shè)計的總原則，完成了推渣器殼體審圖、沖裁工藝分析、沖裁工藝方案制訂與比較、排樣、刃口尺寸計算、沖壓力及壓力中心計算、凸凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。生產(chǎn)實踐表明，采用該冷沖壓工藝生產(chǎn)采暖爐推渣器殼體，可以明顯提高制件的表面質(zhì)量，節(jié)約材料，大大提高生產(chǎn)效率，達(dá)到降低產(chǎn)品成本的目的。