汽車夾形件沖壓模具設(shè)計(jì)*

張 巍，鄢 勇，趙小娟

（1.武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢思凱精沖模具有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

沖壓是指在常溫下靠壓力機(jī)和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的加工方法[1]。沖壓在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位，例如板料沖壓成型就是一種十分重要的制造技術(shù)，在汽車、航空、電器和國防等工業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用[2]。相對于傳統(tǒng)的機(jī)加工方法，沖壓生產(chǎn)效率非常高，而且產(chǎn)品的尺寸精度高、材料利用率高，同時(shí)，由于產(chǎn)品與模具之間“一模一樣”的特點(diǎn)，制件的互換性好。但是，隨著模具行業(yè)迅速發(fā)展，用戶對產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)的沖壓工藝已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，對產(chǎn)品的成本進(jìn)行控制、生產(chǎn)效率進(jìn)行提高已經(jīng)成為沖壓件行業(yè)改革的重要因素之一[3]。課題組以某工程項(xiàng)目汽車夾形件零件作為研究對象，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Pro/E對夾形件沖壓模具的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，主要從三個(gè)方面展開設(shè)計(jì)：首先，依據(jù)提供的夾形件零件圖紙，分析沖壓零件的工藝性并制訂沖壓件工藝方案，確定了采用復(fù)合模的設(shè)計(jì)方案；其次，對模具的主要工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如沖壓工藝力、工作部分尺寸、凸模和凹模間隙等，確定了模具的尺寸；最后，利用Pro/E繪制模具圖并進(jìn)行組裝。

1 工藝分析

夾形件零件如圖1所示，材料為10號鋼，材料厚度t=1 mm，大批量生產(chǎn)。

圖1 夾形件零件圖

該零件結(jié)構(gòu)對稱，兩側(cè)各有一個(gè)60°的彎角，在中心位置有一個(gè)φ4的孔，其孔邊與邊緣之間保持相同的一定距離，且孔邊距（2 mm）大于1.5倍的板厚（1.5 mm），可以有效地避免沖孔時(shí)凸模受水平推力而折斷。工件的彎曲半徑r為1 mm，不同金屬材料在不同狀態(tài)下最小彎曲半徑的數(shù)值如表1所示[4]，由表1查得rmin=0.5t=0.5 mm，能夠一次彎曲成功，且r/t大于rmin/t時(shí)，可以有效地控制彎裂。

表1 不同金屬材料在不同狀態(tài)下最小彎曲半徑的數(shù)值（部分）

若孔的尺寸過小，相應(yīng)的凸模刃口尺寸也會(huì)過小，其結(jié)構(gòu)細(xì)長會(huì)因強(qiáng)度的限制容易折斷或者壓彎。因此，要確定沖孔的尺寸是否為最小沖孔尺寸。沖孔的最小尺寸如表2所示[5]，由表2可以得知φmin=1.0t=1 mm，彎曲件中心孔直徑為4 mm，大于1 mm，可以利用自由凸模沖孔。

表2 沖孔的最小尺寸

該工件是彎曲角度小于90°的閉角形彎曲件，當(dāng)r/t<5時(shí)，回彈對圓角半徑的影響不大。因此，該產(chǎn)品符合一般彎曲的經(jīng)濟(jì)精度要求。根據(jù)以上對加工零件的工藝性分析，該工件的彎曲和沖裁工藝良好，適合進(jìn)行沖壓加工。

2 工藝方案的制訂

根據(jù)汽車夾形件零件圖可知，該沖壓件成形需要沖孔、彎曲兩道基本工序。根據(jù)零件的工藝特點(diǎn)和工藝要求，設(shè)計(jì)的沖壓成型方案有以下三種。

1）方案1：先彎曲，后沖孔，采用單工序模加工。

2）方案2：沖孔-彎曲級進(jìn)模，采用級進(jìn)模加工。

3）方案3：彎曲-沖孔復(fù)合模，采用復(fù)合模加工。

方案1單工序模的模具結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單，但是需要兩套模具，生產(chǎn)效率比較低，同時(shí)，生產(chǎn)過程中會(huì)疊加兩次安裝誤差，因此沖裁件質(zhì)量較差；方案2級進(jìn)模結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，同時(shí)，兩道工序中會(huì)積累定位誤差，因此沖裁件的質(zhì)量相對也不是很高；方案3復(fù)合模只需要設(shè)計(jì)一套模具，生產(chǎn)效率高，并且定位精度容易保證，沖裁件質(zhì)量很好，同時(shí)，滿足最小孔邊距條件，可以利用活動(dòng)式回轉(zhuǎn)凹模的結(jié)構(gòu)來完成彎曲成形。詳細(xì)工藝方案對比如表3所示。

表3 沖壓工藝方案對比

綜上所述，結(jié)合零件的材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生成批量、生成工藝以及模具成本，選擇方案3更為合理。

3 展開尺寸計(jì)算

該零件是r>0.5t的彎曲件，根據(jù)相關(guān)資料[6]，利用彎曲前后毛坯中性層尺寸不變的原則來計(jì)算展開長度，彎曲部分展開草圖如圖2所示。

圖2 展開尺寸圖

展開長度L的計(jì)算公式如式（1）所示：

其中，α——彎曲件角度；ρ——中性層彎曲半徑。

該零件兩邊對稱彎曲，計(jì)算時(shí)先按二分之一尺寸計(jì)算。其中，已知參數(shù)a=12 mm、b=13.5 mm、r=1 mm、α=60°、t=1 mm，x為應(yīng)變中性層位移系數(shù)，如表4所示。ρ=r+xt=1 mm+0.3×1 mm=1.3 mm。

表4 應(yīng)變中性層位移系數(shù)x值

毛坯展開圖如圖2所示，其一半彎曲部分展開長度為：

即該工件毛坯展開總長度為L總=2L=56.44 mm。

4 沖壓力的計(jì)算

4.1 彎曲力

工件的彎曲回彈在沖裁、彎曲、拉深等沖壓工序中影響最大，其對工件的質(zhì)量有很大的影響。本次設(shè)計(jì)中采用校正彎曲，大大地減少彎曲回彈，提高工件的質(zhì)量。校正彎曲時(shí)校正力遠(yuǎn)大于壓彎力，一般只計(jì)算校正力，F(xiàn)校計(jì)算公式如式（2）所示：

其中，彎曲件上被校正部分在垂直于彎曲力方向平面上的投影面積用A表示，單位校正力q如表5所示，得值為40 MPa。

表5 校正彎曲時(shí)單位校正力q值

彎曲力由公式（2）計(jì)算得F=8.64 kN。

4.2 沖裁力

對于通常的沖裁力來說，其沖裁力F沖一般計(jì)算公式如式（3）所示：

其中，L表示沖裁周邊長度；t表示材料厚度；τb表示材料的抗剪強(qiáng)度，10鋼的抗剪強(qiáng)度為300 MPa；K表示安全系數(shù)，一般取1.3。

沖裁周邊長度為L=2πr=2×π×2 mm=12.57 mm，計(jì)算得沖裁力F=4.9 kN。

4.3 頂件力

彎曲模中設(shè)有頂件裝置，其頂件力F頂計(jì)算公式如式（4）所示：

其中，CD為頂件力系數(shù)，一般取值為0.2，計(jì)算得頂件力F頂=1.728 kN。

4.4 推件力

設(shè)有的推件裝置作用是將沖孔廢料從凸凹?？字型瞥?，其推件力F推計(jì)算公式如式（5）所示：

其中，n表示同時(shí)沖孔的個(gè)數(shù)，K推表示推件力系數(shù)，取值0.055，計(jì)算得F推=0.27 kN。

5 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

如圖3所示為設(shè)計(jì)的彎曲沖孔復(fù)合模。該復(fù)合模采用正裝式復(fù)合模結(jié)構(gòu)，主要由剛性推件裝置、彈性頂件裝置、活動(dòng)彎曲凹模、固定彎曲模、凸凹模、固定板、模板等零件組成。其中，彎曲凹模采用組合式結(jié)構(gòu)，在凹模座內(nèi)設(shè)計(jì)有一組轉(zhuǎn)軸式回轉(zhuǎn)活動(dòng)凹模；沖孔凸模采用圓形臺階式結(jié)構(gòu)，利用臺階緊壓在固定板上，防止被拉出；凸凹模是同時(shí)具有沖孔凹模和彎曲凸模的工作零件，其形狀和尺寸完全取決于所沖工件的形狀和尺寸；采用手工送料方式，定位板定位毛坯；剛性推件裝置推件；彈性頂件裝置頂件，頂出箍在沖孔凸模上的工件，并同時(shí)提供頂件力，防止毛坯竄動(dòng)。工作過程是在壓力機(jī)的作用下，彎曲凸模受到向下的力，將毛坯件壓彎成角度為90°的U形件；持續(xù)在沖壓力的作用下，毛坯在活動(dòng)凹模的凹槽中繼續(xù)旋轉(zhuǎn)形成彎曲角為60°的夾形彎曲；同時(shí)，沖孔凸模與落料凹模（凸凹模）共同作用，完成沖孔的工序；最后凸凹模在壓力機(jī)和彈性頂件裝置的作用下上升，頂出工件，提供頂件力，防止工件竄動(dòng)，剛性推件裝置將沖孔廢料從凸凹模中推出，完成一個(gè)工作循環(huán)。

圖3 模具裝配圖

6 結(jié)語

首先，課題組通過對某汽車夾形件零件的工藝進(jìn)行分析，在兼顧生產(chǎn)效率及制造成本的基礎(chǔ)上，確定了合理的工藝方案；其次，根據(jù)初始參數(shù)設(shè)計(jì)了彎曲沖孔正裝復(fù)合模；最后，設(shè)計(jì)的模具經(jīng)過試模，進(jìn)行小批量加工生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)、工藝要求，目前已用于實(shí)際生產(chǎn)，極大程度地降低了零件生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對實(shí)際的模具設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。