洗衣機(jī)外法蘭多工位級進(jìn)模設(shè)計(jì)

鄭 譚，沈 鋮,2，劉 健，周昊奕,2

(1.華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450000； 2. 浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018; 3. 寧夏大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 沖壓工藝性分析

級進(jìn)模也被稱之為連續(xù)模，是一種由多個(gè)工位組成，各工位按順序關(guān)聯(lián)完成不同加工的沖壓模，可在一副模具同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜沖壓件的沖裁、折彎、沖孔及翻邊等復(fù)雜工序[1]。級進(jìn)模操作安全、沖件精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，具有很高的生產(chǎn)效率，因此廣泛適用于大批量形狀較為復(fù)雜的中小型零件的沖壓生產(chǎn)[2]。

圖1和圖2分別為洗衣機(jī)外法蘭零件的二維視圖和三維圖，沖壓件的材料為304不銹鋼，厚度為2 mm，為大批量的生產(chǎn)零件。

圖1 外法蘭二維圖(單位：mm)

圖2 外法蘭三維圖

由圖1和圖2可以看出，外法蘭需分別進(jìn)行翻孔、沖孔和翻邊等多種復(fù)雜工序，成形難度適中。外法蘭的主要工藝要求為：零件表面平整光滑，不允許褶皺毛刺。外法蘭成形的主要技術(shù)難點(diǎn)有：1) 零件上存在多處翻孔，需解決毛坯精準(zhǔn)定位問題；2) 存在90°翻邊，需考慮工件的表面平整度和回彈量問題；3) 翻孔與翻邊工序完成后，工件易粘留在凸模上，模具需考慮卸料問題。

綜合考慮外法蘭零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝要求和技術(shù)難點(diǎn)，對板料進(jìn)行連續(xù)沖壓，可以提高零件的加工精度要求并實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)[3]。

2 排樣設(shè)計(jì)

洗衣機(jī)外法蘭的排樣布局如圖3所示，板料的總寬為94.2 mm，采用單排排樣，在板料中心對稱的兩側(cè)沖制導(dǎo)正孔，確定各工位間送料時(shí)的步距[4]。首先初步估計(jì)步距，然后通過沖壓成形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并優(yōu)化步距，再利用優(yōu)化后的步距進(jìn)行驗(yàn)證，如此往復(fù)，最終將送料的步距定為36 mm。

模具總共設(shè)有6個(gè)工位：沖孔與預(yù)成形、預(yù)沖孔、擴(kuò)孔、工藝剪切、空工步、翻邊與落料。

工位1：沖孔與預(yù)成形。在首個(gè)工位上，沖出一個(gè)直徑為13.65 mm的通孔，同時(shí)預(yù)成形3個(gè)凸包。在板料中心對稱兩側(cè)設(shè)置確定步距且直徑為6.2 mm的導(dǎo)正孔，用于對板料的精準(zhǔn)定位，同時(shí)位于零件有效區(qū)域之外，最終會跟隨廢料脫離零件。

工位2：預(yù)沖孔。此工位在板料中翻孔形成的凸包上預(yù)沖出3個(gè)尺寸分別為直徑5，6.5，5 mm的翻邊孔。

工位3：擴(kuò)孔。由于幾個(gè)底孔之間距離較遠(yuǎn)，因此可以在不影響凸模與凹模強(qiáng)度的前提下，在同一個(gè)工序中沖壓出3個(gè)精確的翻邊孔，直徑分別為8.7，6.65，8.7 mm。

工位4：工藝剪切。為了防止外法蘭外圈向上翻著的時(shí)候產(chǎn)生褶皺，該工部沿著材料尺寸輪廓裁剪板料，只剩下一部分區(qū)域與板料相連。

工位5：空工位。為降低模具成本，工位4與工位6采用了鑲拼結(jié)構(gòu)；為了保證鑲塊的強(qiáng)度，工位4與工位6均采用了尺寸較大的鑲塊，占用了較大的體積，因此為了預(yù)留足夠的空間，將工位5設(shè)計(jì)成空工位。

工位6：翻邊與落料。根據(jù)圖3所示結(jié)構(gòu)，對外法蘭的外圈進(jìn)行翻邊，隨后落料，得到外法蘭沖壓件。

圖3 排樣設(shè)計(jì)

3 有限元仿真分析

通過Dynaform有限元仿真軟件，對板料在級進(jìn)模中的沖壓成形過程進(jìn)行模擬分析，得到零件的厚度變化云圖和成形極限云圖，如圖4和圖5所示。

圖4 零件厚度分布圖

圖5 零件成形極限圖

結(jié)果表明，零件的成形性較好，材料流入量基本均勻，符合實(shí)際生產(chǎn)要求，因此模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。假設(shè)壓邊力為200 kN進(jìn)行沖壓時(shí)，法蘭邊上起皺現(xiàn)象較為嚴(yán)重，并且在翻邊的過程中法蘭邊上厚度變化較為明顯，與實(shí)際生產(chǎn)要求不符，因此需要在成形工藝中適當(dāng)調(diào)節(jié)模具沖壓過程的壓邊載荷和潤滑條件來改善這一成形缺陷。多次模擬仿真結(jié)果表明：在使用230 kN的壓邊力和油脂潤滑的條件下，可以極大程度上平衡材料的流入量,減少起皺，而且保證了沖壓件結(jié)構(gòu)的完整性，避免拉裂現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洗衣機(jī)外法蘭級進(jìn)模的總尺寸為450 mm×230 mm×198 mm，模具整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

級進(jìn)模采用順裝結(jié)構(gòu)，上模上的為各工位的凸模，下模上為各工位的凹模[5-7]。采用導(dǎo)料銷4實(shí)現(xiàn)對板料的進(jìn)料導(dǎo)向。經(jīng)過沖裁后運(yùn)用下模的落料孔保證廢料可以從下模落下，實(shí)現(xiàn)沖壓過程自動化。運(yùn)用四導(dǎo)柱模架，通過上模上的導(dǎo)套與下模上的導(dǎo)柱，解決模具在生產(chǎn)過程中運(yùn)動精度問題[8]。

如圖6所示，各工位凸模利用凸模固定板固定在上模，為了便于板料在沖壓生產(chǎn)線中可以實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，在上模處還設(shè)置有卸料板6，當(dāng)上模回程時(shí)，防止板料隨凸模一起移動，實(shí)現(xiàn)板料始終位于下模處，方便進(jìn)行下一工位的沖壓生產(chǎn)。

1-下墊板;2-導(dǎo)柱;3-凹模;4-導(dǎo)料銷;5-凹模鑲塊;6-卸料板;7-導(dǎo)套;8-凸模固定板;9-上墊板;10-凸模墊板;11～17,19,20-凸模;18-翻邊頂出;21-落料頂出;22-拉深頂出;23-落料頂出墊板;24-彈簧;25-定位銷

考慮外法蘭零件板料的厚度較薄，卸料力也較小，因此模具采用彈性卸料的方式[9-10]。

5 模具工作過程

洗衣機(jī)外法蘭級進(jìn)模的工作過程為：利用導(dǎo)料板將板料從模具左側(cè)導(dǎo)入，在第一工位預(yù)成形三個(gè)凸包并完成2個(gè)導(dǎo)正孔和1個(gè)內(nèi)孔的沖制，切除的廢料經(jīng)過下?？着c模具分離。工序完成后，上模返回至初始位置，采用卸料板防止板料上移，使得板料始終位于下模。采用導(dǎo)料銷4實(shí)現(xiàn)板料的方向定位，導(dǎo)正孔確定送料步距，將板料向前推至下一個(gè)工位。之后上模繼續(xù)向下運(yùn)動，使導(dǎo)正銷12與前一工位沖制的導(dǎo)正孔互相配合，從而實(shí)現(xiàn)板料的精準(zhǔn)定位[11-12]。同理，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)工位的工作。此外當(dāng)前零件進(jìn)入下一道工位時(shí)，下一個(gè)零件立即跟進(jìn)實(shí)現(xiàn)沖壓工作循環(huán)。

6 結(jié) 論

1) 模具采用順裝結(jié)構(gòu)級進(jìn)模，且部分凹模使用鑲塊，加工方便，易于修配，工位安排緊湊合理，在加工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)工件和廢料自動分離。

2) 借助沖壓計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件，對沖壓工藝壓邊力等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，生產(chǎn)實(shí)踐表明，沖壓件能夠滿足技術(shù)要求，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，符合實(shí)際生產(chǎn)要求，對生產(chǎn)有一定的參考價(jià)值。