旋耕機(jī)防塵罩沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)深析

常州東風(fēng)農(nóng)機(jī)集團(tuán)有限公司 馬德龍

1 旋耕機(jī)防塵罩零件的沖壓工藝性分析

圖1 所示為旋耕機(jī)防塵罩零件圖，材料是厚度t=2mm 的冷軋板Q235-A，該零件用于1GN230 旋耕機(jī)對(duì)軸承進(jìn)行密封防護(hù)，減少沙粒和土塊進(jìn)入軸承。該旋耕機(jī)年生產(chǎn)約3000 臺(tái)，每臺(tái)使用2 件，該防塵罩年需求約6000 件。經(jīng)分析，尺寸Φ140+10和Φ1500-1與軸頭和軸承座有配合、密封要求，這兩個(gè)尺寸精度要求較高，其余尺寸精度要求一般，該零件形狀較復(fù)雜，涉及的沖壓工序較多。

圖1 旋耕機(jī)防塵罩零件圖

2 工藝方案的確定

經(jīng)分析成形此旋耕機(jī)防塵罩零件需經(jīng)過多種工序（落料、拉深、擴(kuò)口、沖孔）來完成沖壓成形。為了減少模具數(shù)量，提高沖壓工序的復(fù)合程度以及后道沖壓工序定位的準(zhǔn)確性，對(duì)此沖壓件擬采用先落料拉深擴(kuò)孔沖孔復(fù)合沖壓，再?zèng)_6-Φ13 孔的單工序沖壓。

3 工藝計(jì)算

3.1 計(jì)算坯料展開尺寸

查閱有關(guān)手冊(cè)或通過三維軟件，經(jīng)過計(jì)算得出坯料展開直徑為D=204mm。

3.2 判斷能否通過一次拉深成形

旋耕機(jī)防塵罩零件的坯料相對(duì)厚度t/D=2/204=0.98%，從筒形件帶壓邊圈時(shí)的拉深系數(shù)表中查得第一次拉深的極限拉深系數(shù)為m[1]min=0.53～0.55，該零件的總拉深系數(shù)為m=d/D=144/204=0.706＞m[1]min，所以該零件可以通過一次拉深成形。

3.3 計(jì)算落料沖裁力、沖孔沖裁力、拉深力、壓邊力

落料沖裁力和沖孔沖裁力按照P=1.3Ltτ 計(jì)算，式中：P—沖裁力（N）；L—沖裁件受剪切線長度（mm），落料時(shí)的剪切線長度為πD=3.14×204=640.56mm、沖Φ80 孔時(shí)的剪切線長度為 3.14×80=251.2mm、沖6-Φ13 孔時(shí)的剪切線長度為6×3.14×13=244.92mm；t—沖裁件的厚度（mm）；τ—材料的抗剪強(qiáng)度（Mpa）（從相關(guān)手冊(cè)中查得Q235-A 在未退火狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度τ=304～373MPa，為了保險(xiǎn)起見，材料的抗剪強(qiáng)度τ 取373Mpa）。將有關(guān)數(shù)值代入P=1.3Ltτ，計(jì)算得出落料沖裁力為62.1 噸，沖Φ80 孔的沖裁力24.4 噸，沖6-Φ13 孔的沖裁力為23.8 噸。

筒形件有壓邊圈拉深時(shí)的拉深力按照P=Kπdtσb計(jì)算，式中：P—拉深力（N)；d—筒形件直徑（mm）（d=144mm）；t—沖裁件的厚度（mm）；σb—材料強(qiáng)度極限（MPa）（從相關(guān)手冊(cè)中查得Q235-A 在未退火的狀態(tài)下的強(qiáng)度極限σb=432～461MPa，為了保險(xiǎn)起見，材料的強(qiáng)度極限σb取461Mpa）；K—修正系數(shù)（根據(jù)m=0.706，利用表1 中的數(shù)值采用線性插值法計(jì)算得到K=0.585），將有關(guān)數(shù)值代入P=Kπdtσb，計(jì)算得出拉深力為24.4 噸。

表1 修正系數(shù)K 的值

壓邊力按照P=Fq 計(jì)算，式中P—壓邊力（N）；F—在壓邊圈下坯料的投影面積 （mm2），F(xiàn)=3.14×（2042-1462）/4=15935.5mm2；q—單位壓邊力 （MPa）（從表 2 中查得q=2.0～2.5MPa，為保險(xiǎn)起見取 q=2.5MPa），將有關(guān)數(shù)值代入P=Fq，計(jì)算得出壓邊力為4.0 噸。

表2 部分材質(zhì)的單位壓邊力q 取值

3.4 沖壓設(shè)備的選用

落料沖裁力、沖Φ80 孔沖裁力、拉深力、壓邊力之和為62.1＋24.4＋24.4＋4.0=114.9 噸，經(jīng)查沖裁時(shí)的卸料力和推料力僅為沖裁力的5%左右，落料、沖Φ80孔、拉深三道工序并沒有同時(shí)進(jìn)行，故進(jìn)行落料、沖Φ80 孔、拉深、壓邊所需沖壓力小于114.9×（1＋5%）=120.6 噸；沖 6-Φ13 孔所需沖壓力為 23.8×（1＋5%）=25 噸。結(jié)合公司現(xiàn)有沖壓設(shè)備的實(shí)際情況以及模具大小，落料拉深擴(kuò)口沖孔復(fù)合模具選用型號(hào)為DP21-160 的 160 噸帶有氣墊的機(jī)械壓力機(jī)，沖6-Φ13 孔的沖孔模具選用型號(hào)為JC23-63 的63 噸機(jī)械壓力機(jī)。

3.5 落料、沖孔間隙和拉深間隙的選用

選擇一個(gè)合理的沖裁間隙，可以獲得沖裁件尺寸精度高、斷面質(zhì)量好、沖裁力小、模具壽命長的綜合效果。通過查表得知2mm 厚的Q235-A 板的沖裁單面間隙為0.12～0.16mm，由于沖裁間隙隨著凸模和凹模的磨損而增大，故模具初始沖裁單面間隙取0.12mm。

只有拉深間隙在合理的范圍內(nèi)才能得到精度高、質(zhì)量好的制件。該制件是采用有壓邊圈的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉深，經(jīng)查表可知拉深間隙可以按照Z=（1.0～1.1）t進(jìn)行選取，在這里取拉深間隙為Z=1.05t=1.05×2=2.1mm。

3.6 工步排樣設(shè)計(jì)

由于該零件年生產(chǎn)約6000 件，數(shù)量不算很大，結(jié)合公司實(shí)際情況，使用剪板機(jī)剪料，剪料尺寸為1475×（214±1）的條料，采用人工送料，每張條料可沖7 件，圖2 所示為落料排樣圖。

圖2 落料排樣圖

4 落料拉深擴(kuò)口沖孔復(fù)合模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 所示為落料拉深擴(kuò)口沖孔復(fù)合模結(jié)構(gòu)圖，模具外形尺寸為480mm×310mm×378mm，該模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

圖3 落料拉深擴(kuò)口沖孔復(fù)合模結(jié)構(gòu)圖

（1）定位裝置采用了三個(gè)定位銷進(jìn)行定位。

（2）上卸料采用了彈簧進(jìn)行卸料，該卸料裝置既起到卸料作用又起到壓料作用，彈簧可以直接采購。

（3）模具導(dǎo)向裝置采用了兩對(duì)導(dǎo)柱導(dǎo)套進(jìn)行導(dǎo)向，兩對(duì)導(dǎo)柱導(dǎo)套采取斜對(duì)角布置，可以提高模具的穩(wěn)定性和導(dǎo)向精度，并能減小模具尺寸。

（4）型號(hào)為DP21-160 的機(jī)械壓力機(jī)的裝模高度范圍是290～400mm，為了方便模具的裝夾將模具的閉合高度設(shè)計(jì)成了378mm，下部采用墊腳將模具墊高，并為沖孔廢料漏料提供空間。

（5）為了保證擴(kuò)口尺寸的準(zhǔn)確性，在上部采用了限位裝置，只要每批次試沖時(shí)調(diào)整到位即可。

（6）拉深壓邊力由壓力機(jī)的氣墊來提供，該壓力機(jī)的氣墊提供的壓力最大可達(dá)14.5 噸，能夠滿足壓邊力的要求，壓邊力大小可根據(jù)試模生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；該壓力機(jī)的氣墊最大行程為80mm，滿足該沖壓件拉深所需的行程。

該模具的沖壓動(dòng)作過程是：首先將模具裝夾調(diào)整到位，之后將條料以三個(gè)定位銷定位放置在模具中，模具的上半部分在滑塊的帶動(dòng)下先進(jìn)行落料，之后繼續(xù)下行在壓邊圈和落料凸模、拉深凹模的壓緊下進(jìn)行拉深，在拉深即將結(jié)束時(shí)進(jìn)行擴(kuò)口和沖Φ80 孔，到達(dá)下死點(diǎn)之后模具上半部分在滑塊帶動(dòng)下開始上行，取出工序件，重復(fù)以上動(dòng)作，每沖一次可得一個(gè)工序件，所得工序件的工序圖如圖4 所示。

圖4 落料拉深擴(kuò)口沖孔后的工序件圖

5 沖6-Φ13 孔模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 所示為沖6-Φ13 孔模具結(jié)構(gòu)圖，模具外形尺寸為390mm×220mm×215mm，該模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

圖5 沖6- Φ13 孔模具結(jié)構(gòu)圖

（1）定位裝置采用了三個(gè)定位銷以Φ80 孔進(jìn)行定位。

（2）卸料裝置采用了彈簧進(jìn)行卸料，彈簧可直接采購。

（3）模具導(dǎo)向部分采用了兩對(duì)導(dǎo)柱導(dǎo)套進(jìn)行導(dǎo)向，導(dǎo)柱導(dǎo)套采取了斜對(duì)角布置，可以減小模具尺寸。

（4）凹模采用了6 個(gè)圓凹模鑲嵌到固定板中的結(jié)構(gòu)，便于后期維修和更換。

（5）沖孔下來的廢料可直接從壓力機(jī)臺(tái)面上的孔中漏下。

該模具的沖壓動(dòng)作過程是：首先將模具裝夾調(diào)整到位，之后將前序沖壓下來的工序件以三個(gè)定位銷通過Φ80 孔進(jìn)行定位放置到模具中，模具的上半部分隨著壓力機(jī)的滑塊下行進(jìn)行沖6-Φ13 孔，之后模具的上半部分隨著壓力機(jī)的滑塊上行后將工件取出，重復(fù)以上動(dòng)作，每沖一次可得一個(gè)工件。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過對(duì)沖壓件進(jìn)行工藝分析，制定了沖壓工藝方案，設(shè)計(jì)了落料拉深擴(kuò)口沖孔復(fù)合模和沖6-Φ13 孔兩副模具，并介紹了模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和動(dòng)作過程。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明，此零件的沖壓工藝和所設(shè)計(jì)的兩副模具結(jié)構(gòu)合理，能夠沖壓出合格的工件，該沖壓件裝配到旋耕機(jī)上能夠滿足使用要求，實(shí)現(xiàn)了利用較少的沖壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種工序（落料、拉深、擴(kuò)口、沖孔）的有效結(jié)合，提高了生產(chǎn)效率。截至目前，已經(jīng)沖壓生產(chǎn)2 萬余件，模具運(yùn)行狀況良好，所沖壓的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，圖6 所示為沖壓所得的旋耕機(jī)防塵罩實(shí)物圖。

圖6 旋耕機(jī)防塵罩零件實(shí)物圖