不銹鋼燈罩雙向拉伸級進模設計＊

鄒澤昌，謝宇玲

（福建船政交通職業(yè)學院機械與智能制造學院，福建福州 350007）

1 引言

2 制件結構分析

圖1所示的燈罩俯視圖呈圓形，材料為304不銹鋼，尺寸為?98×23mm，側面為圓弧曲面，半徑為R30mm，料厚為0.5mm，中間呈圓筒形，尺寸為?70×18mm，底部圓弧半徑為R2mm，在圓筒形底部有兩個不規(guī)則的通孔。

圖1 燈罩結構

由于制件上的兩個圓角半徑較小，其中圓筒形底部的圓角半徑為R2mm，口部的圓角半徑為R3mm，這兩個圓角需要多次拉伸成形，其中R2mm的圓角半徑應分3次拉伸，R3mm的圓角半徑應分兩次拉伸，否則材料會拉裂。圓筒形底部有兩個孔，兩個孔邊緣之間的距離較小，僅為1.5mm，需要分兩次才能沖出圓筒底部的兩個孔。因此，按照單沖壓工藝的生產流程，應由①落料、②拉伸Ⅰ、③拉伸Ⅱ、④拉伸Ⅲ、⑤成形Ⅰ、⑥成形Ⅱ、⑦沖孔Ⅰ、⑧沖孔Ⅱ、⑨整形等至少9道沖壓工序才能沖出制件。生產的流程比較多，效率較低，無法批量生產。如果改由多工位級進模沖壓該制件，將大幅度提高生產效率。

燈罩屬于外觀件，材料為304不銹鋼，表面不允許有由沖壓產生的拉傷、皺紋等不良現(xiàn)象。由于304不銹鋼的硬度高，在拉伸時容易起皺。為了生產合格的制件，防止表面起皺紋，需要在拉伸、成形工序中采用壓邊圈。為了提高材料的利用率，應適當減小級進模步距。步距減少后，導致成形工序中的壓邊圈尺寸也會相應減小。壓邊圈尺寸減小后，將會導致壓邊力減少，使成形時制件表面容易產生皺紋。為了解決這個問題，在成形模的凹模上安裝大功率氮氣彈簧，加大對壓邊圈的壓力，以此彌補由減少壓邊圈尺寸造成的壓邊力的損失，消除制件表面的皺紋。

3 沖壓工藝分析

沖壓燈罩的級進模主要由沖裁、正向拉伸、反向成形和沖孔等工序組成，共分為13個工步，排樣圖如圖2所示。

圖2 排樣圖

該多工序級進模的排樣圖分析如下：

（1）工步①：沖孔+沖裁月牙槽。該工步的主要目的是在料帶的兩側沖壓出4個月牙槽以及兩個導正孔。月牙槽的作用是將用于拉伸的材料與料帶分開，以便于拉伸時避免料帶變形。導正孔的主要作用是定位，防止料帶偏離預定的方向。在級進模沖壓結束時，月牙槽和導正孔將隨廢料一起流入廢料收集框中。

（2）工步②：沖裁。此工步是在月牙槽的基礎上再次對料帶進行沖裁，使月牙槽的兩端僅有兩條窄料與料帶相連，其目的是防止拉伸時料帶變形。工步②的凸、凹模如圖3的陰影所示。由于工步①與工步②沖裁后的間隙非常小，凸、凹模位置基本重合，因此工步①與工步②不能合并成一個工序，必須分成兩個工步。

截至2018年6月末，廣西企業(yè)貸款余額14535.76億元，同比增長11%，增速同比回落2.7個百分點，比各項貸款增速低2.25個百分點；企業(yè)貸款余額占各項貸款余額57.97%，占比比2013年下降3.35個百分點。2018年上半年企業(yè)貸款新增982.51億元，同比少增337.06億元，占各項貸款增量的53.7%，占比同比下降34.35個百分點。

圖3 沖裁凸、凹模與月牙槽的位置關系

（3）工步③：空步。因為工步④的凸、凹模尺寸較大，為了不影響模板的強度，必須將工步③設為空步。

（4）工步④：切料。將用于拉伸的材料進一步與料帶切開，使其僅剩4個寬度較窄的位置與條料相連，切料的目的是在拉伸時防止料帶變形。在工步④中，凸、凹模反裝，將凸模裝在下模，凹模裝在上模，凸、凹模結構如圖4a所示，其中凹模鑲件分為兩塊。當上、下模分開時，切開后的材料在離開凹模時，將會在凹模中形成真空而不能及時脫離凹模。為了將切開后的材料及時頂出，在下模中設置了10根直徑為?6mm的頂桿，在彈簧的作用下，頂桿可以將切開后的材料從凹模中頂出來。

圖4 切料工序模凸、凹模結構a——俯視圖 b——A-A剖視圖1.凹模鑲塊 2.凸模 3.頂桿 4.上模座 5.上模墊板6.凸模固定板 7.止擋板 8.卸料板 9.凸模 10.凹模11.頂桿 12.下模墊板 13.彈簧 14.下模座

從圖4a中可以看出，切料工序模的形狀并不是一個整圓，右、左兩邊各有一段直線，這種結構是為了減少工步之間的距離，有利于提高原材料的利用率，降低浪費。根據(jù)制造同類模具的經驗以及通過試制模具試模后的結果，將該級進模的步距設為135mm。

將切料工序模的凸模設計成直身，用螺栓直接固定在上模座上，而不是用沉頭固定。當需要修模、改模時，從上模座上松開螺栓后，直接將凸模取出即可，而不需要將整副上模拆開才能取出凸模。這種結構的優(yōu)點是在修模、改模時，拆裝模具零件比較方便。

（5）工步⑤：拉伸Ⅰ。在拉伸Ⅰ工序模中采用反向結構，即將凸模裝在下模，凹模裝在上模。在凸、凹模的拉伸作用下，將切開后的材料拉伸出直徑為?70mm，深度為18mm的圓筒形。當拉伸完成后，在上模提升時，為了防止在凸模端面與拉伸后的材料之間形成真空，在凸模的中心設計直徑為?20mm的進氣孔，以便于空氣從進氣孔中填充到材料與凸模之間的間隙中。為了便于拉伸后的材料與下模分開，在下模設計了8支直徑為?8mm的頂桿，用頂出方式將拉伸后的材料與下模頂開，拉伸工序模如圖5所示。

圖5 拉伸工序模凸、凹模結構1.頂桿 2.凸模 3.凸模固定板 4.上模座 5.上模墊板6.螺栓 7.凹模 8.下模墊板 9.下模座 10.彈簧

因為圓筒形底部的圓角半徑為R2mm，該半徑值標注在圓筒形的外表面，該制件的料厚為0.5mm，則凸模的圓角為R1.5mm，不能一次性拉伸成形，否則材料會開裂，需分多次拉伸才能拉伸出圓筒形底部的圓角（R2mm），在這個工序中，所拉伸的圓角半徑為R3mm。

（6）工步⑥：拉伸Ⅱ。結構與拉伸Ⅰ類似，在拉伸Ⅰ圓角的基礎上，進一步拉伸圓筒形底部的圓角半徑，在這個工序中，所拉伸的圓角半徑為R2.5mm。

（7）工步⑦：拉伸Ⅲ。結構與拉伸Ⅰ類似，在拉伸Ⅱ的基礎上，進一步拉伸圓筒形底部的圓角半徑，在這個工序中，所拉伸的圓角半徑為R2mm。

（8）工步⑧：成形Ⅰ。在成形Ⅰ工序模中，將凸模設在上模，凹模設在下模。當上、下模合攏時，利用凸、凹模的擠壓力，將材料擠壓成形至制件要求的形狀，制件頂部的圓角由凸模成形。

因為制件上表面的圓角半徑為R3mm，該半徑值標注在圓筒形的外表面，該制件的料厚為0.5mm，則凸模的圓角為R2.5mm。為了圓角處材料不開裂，分兩次拉伸制件上表面的圓角（R3mm），在這個工序中，所拉伸的圓角半徑為R3.5mm。成形Ⅰ工序模結構如圖6所示。

圖6 成形Ⅰ工序模結構示意圖1.上模座 2.上模墊板 3.凸模固定板 4.成形凸模5.定位柱 6.凹模 7.氮氣彈簧 8.下模墊板 9.下模座

為了防止制件中間已拉伸的圓筒變形，按照圓筒形的結構設計成定位柱，在成形時起定位作用。由于壓邊圈尺寸較小，為了防止成形時制件表面產生皺紋，在凹模的底部安裝氮氣彈簧，由氮氣彈簧給凹模施加壓力。為了防止在脫模時形成真空，在下模開設排氣孔。

（9）工步⑨：成形Ⅱ。其模具結構與成形Ⅰ相同，在成形Ⅰ的基礎上，再次對制件進行成形，有兩個方面的作用：第一個作用是將制件上的圓角拉伸至R3mm，第二個作用是通過表面擴張消除第一次成形時制件表面產生皺紋。為了增加反向成形Ⅱ的壓力的，在凹模底部同樣需要安裝氮氣彈簧。

（10）工步⑩～工步○1：沖孔。在制件的中間位置有兩個孔，其邊緣的距離僅為1.5mm，需要分兩個工序才能沖出兩個孔，即先沖其中一個孔，再沖另一個孔。

（11）工步○12：落料。按落料模的結構，將制件與料帶分開，同時將制件的輪廓修理整齊。制件沿夾具從模具中滑出，自動流入到成品收集框中。

（12）工步○13：切斷。切斷模安裝在級進模的尾部，利用切斷模，將料帶切斷，廢料沿夾具從模具中滑出，自動流入到廢品收集框中。

4 級進模結構

燈罩多工位級進模選用四導柱模架，如圖7所示。各工位中裝有導正銷，沖壓前先行沖孔從而實現(xiàn)精確定位，提高沖壓精度。下模安裝了彈頂裝置，沖壓前可以同上模一起壓緊制件，沖壓后將工序件從下模中頂出，使其隨凸模上行，后由卸料板19卸下，使料帶留在下模。模具結構示意圖如圖7所示。

圖7 燈罩多工位級進模結構示意圖1.沖導正孔+沖月牙槽 2.沖裁工序模 3.空步 4.裁剪工序模 5.拉伸Ⅰ工序模 6.拉伸Ⅱ工序模 7.拉伸Ⅲ工序模 8.成形Ⅰ工序模 9.成形Ⅱ工序模 10.沖孔工序模Ⅰ 11.沖孔工序模Ⅱ 12.落料工序模 13.切斷工序模 14.上模腳 15.上模座16.上模墊板 17.上模固定板 18.止擋板 19.卸料板 20.料帶 21.凹模板 22.下模墊板 23.下模座 24.下模腳

5 試模故障及其解決方案

在試模過程中，發(fā)現(xiàn)制件起皺紋以及制件表面出現(xiàn)拉花現(xiàn)象，制件起皺的原因是成形時壓邊圈尺寸較小，導致壓邊力不夠，導致成形時容易起皺。制件表面出現(xiàn)拉花的原因是凸、凹模表面不夠光滑，從而導致拉伸制件表面留下明顯的劃痕。

可以通過以下3種解決方案消除制件表面的皺紋：第一種解決方案是在成形時在壓邊圈的凸、凹模上安裝大功率的氮氣彈簧，加大壓邊力；第二種解決方案是將工步⑤～工步⑦的凸、凹模進行鍍鈦處理處理，增加凸、凹模的耐磨性能與光潔度，防止凸、凹模刮花制件表面；第三種方案是將成形Ⅰ的凸、凹模尺寸適當做小一些，通過成形Ⅱ的擴張作用，消除成形Ⅰ在制件表面留下的皺紋。

6 結論

適當減少級進模的步距，可以減少原材料的浪費。但是減少步距后，必將導致壓邊圈尺寸減小，在拉伸、成形時，將會引起制件表面產生皺紋。為了消除制件表面的皺紋，在成形Ⅰ和成形Ⅱ的凹模采用氮氣彈簧結構，增加壓邊力，以確保拉伸、成形時制件表面不會發(fā)生皺紋。另外，為了消除制件表面產生刮痕，對拉伸、成形工序模的凸、凹模進行鍍鈦處理，提升模具凸、凹模的耐磨性和光滑性，使制件表面不會產生刮傷現(xiàn)象。

經生產實踐證明，該304不銹鋼燈罩的雙向拉伸級進模的結構設計合理，制件外觀無皺紋，無刮傷，滿足制件的外觀要求，原材料的利用率高，浪費少，模具能滿足批量生產的要求。