表芯蓋多工位級進(jìn)模設(shè)計(jì)*

孟 普，鮑方翔 ，程龍勝

（蚌埠學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

根據(jù)沖壓工序組合方式的不同，沖壓模可以分為單工序模、復(fù)合模和級進(jìn)模（跳步?；蜻B續(xù)模）[1-3]。如果零件尺寸較小、精度要求較高、具有多道沖壓工序，若采用單工序模，則需要多套沖壓模具。由于換模時零件的定位比較難，容易導(dǎo)致沖壓件精度滿足不了要求，且生產(chǎn)效率較低，模具成本較高?？紤]到工件形狀的復(fù)雜程度和精度要求，復(fù)合模只能完成部分工序組合的沖壓件生產(chǎn)，沖壓工序較多時，也需要多套模具，一套復(fù)合模很難完成。對于尺寸比較小、精度要求較高、沖壓工序較多和大批量生產(chǎn)的工件，通常采用多工位級進(jìn)模的沖壓方式生產(chǎn)[4-7]。此時，不需要考慮多套單工序模造成的定位誤差和復(fù)合模難以完成的復(fù)雜形狀工件，可以在保證工件精度的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)效率。進(jìn)行級進(jìn)模設(shè)計(jì)時，需要結(jié)合工件的形狀，合理安排工件的排樣方式，選擇合適的載體形式，確保每道工序之間的順利銜接[8-9]。表芯蓋尺寸較小，具有多道沖壓生產(chǎn)工序，生產(chǎn)批量較大，符合級進(jìn)模沖壓生產(chǎn)要求。故本文以表芯蓋為例，對其進(jìn)行多工位級進(jìn)模設(shè)計(jì)。

1 工藝性分析

材料為料厚t=2 mm 的08F 鋼，無尺寸、精度、等級要求，生產(chǎn)要求為大批量生產(chǎn)。工件整體要求表面光潔平整，沒有缺陷。表芯蓋零件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，結(jié)構(gòu)較為簡單，左右對稱，有利于沖壓生產(chǎn)。材料08F 鋼為沸騰鋼，碳含量為0.08%，具有良好的沖壓成形性能。表芯蓋無尺寸、精度、等級要求，可按IT14 選取，即落料尺寸為Φ43.80-0.4mm，沖孔尺寸為Φ150+0.2mm，按普通沖壓加工生產(chǎn)就可以完成要求。從表芯蓋的結(jié)構(gòu)、使用材料和尺寸精度分析可知，表芯蓋可以通過沖壓方式生產(chǎn)。

圖1 表芯蓋零件圖

2 確定沖壓生產(chǎn)方法

由圖1 可知，表芯蓋沖壓工序?yàn)槔睢_孔和落料。屬于寬凸緣拉深件，精度要求不高，有利于沖壓加工。料厚t=2 mm＞1 mm，按中徑選取參數(shù)。根據(jù)公式可得毛坯直徑為52.5 mm，由文獻(xiàn)[1]可得，拉深件的修邊余量δ=3.5 mm，實(shí)際毛坯件直徑D=56 mm。

確定沖壓方案之前，應(yīng)確定拉深次數(shù)。根據(jù)拉深系數(shù)定義，可得拉深系數(shù)0.16。毛坯的相對厚度為由文獻(xiàn)[10]可知，m1=0.51，m2=0.8，因?yàn)閙1＞m總，而m1×m2=0.51×0.8=0.41＜m總，所以判定該零件共需要兩次拉深。表芯蓋的圓角半徑R=1 mm＜t=2 mm，需要對拉深后的坯料進(jìn)行整形。

由以上分析可知，表芯蓋的生產(chǎn)需要多道工序。采用單工序模時，需要5 副模具，即首次拉深模、第二次拉深模、整形模、沖孔模、落料模。由表芯蓋的形狀可知，無法單獨(dú)采用一套復(fù)合模完成表芯蓋的沖壓生產(chǎn)，即使將落料和沖孔工序復(fù)合生產(chǎn)，仍需要4副模具，即首次拉深模、第二次拉深模、整形模、落料沖孔復(fù)合模。所以，無論是單工序模還是復(fù)合模，都需要多副模具，模具成本較高，工件精度不易控制，生產(chǎn)效率較低，比較適合采用級進(jìn)模生產(chǎn)。最終確定表芯蓋的生產(chǎn)方案為首次拉深—第二次拉深—整形—沖孔—落料的多工位級進(jìn)模。

3 工藝尺寸計(jì)算

3.1 排樣

由沖壓方案可知，表芯蓋的生產(chǎn)工序依次是首次拉深、第二次拉深、整形、沖孔、落料。由文獻(xiàn)[1]可知，毛坯直徑D=56 mm，厚度t=2 mm 的圓形零件的側(cè)面搭邊值a=2.5 mm，相鄰搭邊值b=2 mm，料寬B=D1+δ+2a=D+2a=56+5=61 mm，步距A=D+b=56+2=58 mm，最終可得生產(chǎn)表芯蓋的排樣方案及工位位置如圖2所示。

圖2 排樣方案及工位圖

3.2 工作部分尺寸計(jì)算

1）首次拉深工作部分尺寸計(jì)算。

由文獻(xiàn)[6]可知，Z1=1.1t=1.1×2=2.2 mm，σd1=0.08 mm，σp1=0.05 mm，則dd1=300-0.05mm，dp1=34.40+0.08mm。

2）第二次拉深工作部分尺寸計(jì)算。

由文獻(xiàn)[6]可知，Z2=0.975t=0.975×2=1.95 mm，σd2=0.06 mm，σp2=0.04 mm，則dd2=25.50-0.04mm，dp2=29.40+0.06mm。

整形模只起到整形作用，不涉及拉深問題，本設(shè)計(jì)中的整形模工作部分尺寸沿用第二次拉深模具工作部分尺寸。

3）沖裁模刃口尺寸計(jì)算。

落料尺寸為Φ43.80-0.4mm 時，D凹=43.60+0.02mm，D凸=43.360-0.014mm。

沖孔尺寸為Φ150+0.2mm 時，d凸=15.10-0.014mm，d凹=15.340+0.02mm。

3.3 沖壓力計(jì)算

第一次拉深的拉深力：F拉1=πd1tσbk1=85 452 N；第二次拉深的拉深力：F拉2=πd2tσbk2=51 900 N。

壓邊裝置分為彈性和剛性兩大類，這里選用彈性壓邊裝置。

沖裁力：F沖=1.04×47.2×2×400=39 270 N；F落=1.04×137.6×2×400=114 483 N。

總壓力F壓=F拉1+F拉2+FQ1+FQ2+F沖+F落=300 309N；滑塊行程S≥2h工件=2×9=18 mm；最大閉合高度Hmax＞H=60+50+20+25+24+10+50+2=241 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，最終選擇壓力機(jī)型號為JB23-63。

4 模具主要零部件設(shè)計(jì)

根據(jù)零件在模具中的不同功能和特點(diǎn)，可以將其分為工藝零件和結(jié)構(gòu)零件。

4.1 工藝零件

工藝零件是指直接參與完成工藝過程并和毛坯直接發(fā)生作用的零件，主要包括工作零件、定位零件、卸料和壓料零件。

凹模材料選用冷作模具鋼Cr12，熱處理后硬度為60 HRC～62 HRC。為了提高模具壽命，降低成本，凹模按照工位分別制作，即分別制作首次拉深凹模、第二次拉深凹模、整形模、沖孔模和落料模，然后通過凹模固定板將所有凹模固定起來，再通過螺釘和銷釘?shù)葘寄９潭ò骞潭ㄔ谙履Ｗ?，凹模的形狀、相關(guān)尺寸以及相對位置如圖3所示，總體高度為40 mm。

圖3 凹模形狀、相關(guān)尺寸及相對位置

拉深、整形、沖孔、落料時的凸模材料選用冷作模具鋼Cr12，熱處理后的硬度為58 HRC～60 HRC。為了防止拉深后工件吸附在凸模表面，在拉深凸模上開設(shè)出氣孔，由文獻(xiàn)[6]可知，出氣孔直徑選為5.0 mm。另外，首次拉深與末次拉深的工序件筒直徑部位尺寸存在一定差異，在進(jìn)行末次拉深時需采用壓料圈。

卸料板選擇315×200×20 JB/T 7643.2—2008，材料為Q235A。鑒于首次拉深的特殊性，將卸料板分成兩份，卸料板I 長239 mm，卸料板Ⅱ長74 mm。導(dǎo)料板選擇125×20×4 JB/T 7645.6—2008。

4.2 結(jié)構(gòu)零件

結(jié)構(gòu)零件指不直接參與完成工藝過程也不和毛坯直接發(fā)生作用的零件，主要包括導(dǎo)向零件、支撐零件、緊固零件和其他零件。

設(shè)計(jì)的模具為多工位級進(jìn)模，不適合選用中間導(dǎo)柱模架，故選擇對角導(dǎo)柱模架。由圖2和圖3可知，凹模四周應(yīng)大于269 mm×61 mm。由文獻(xiàn)[6]可知，選擇315×200（220～260）I GB/T 2851—2008型模架，其凹模尺寸為315 mm×200 mm，閉合高度為220 mm～260 mm。上模座選擇315×200×45 GB/T 2855.1—2008，下模座選擇315×200×55 GB/T 2855.2—2008，材料均為HT200。導(dǎo)柱I選擇A35×210 GB/T 2861.1—2008，導(dǎo)柱Ⅱ選擇A40×210 GB/T 2861.1—2008；導(dǎo)套I 選擇A35×115×43 GB/T 2861.3—2008，導(dǎo)套Ⅱ選擇A40×115×43 GB/T 2861.3—2008，材料均為20鋼，進(jìn)行滲碳處理。模柄選擇B32 JB/T 7646.3—2008 凸緣模柄，材料為Q235A。

凸模固定板有圓形和矩形兩種，尺寸除了應(yīng)保證能安裝凸模外，還應(yīng)能安放銷釘和螺釘，厚度取凹模高度的60%～80%，這里選擇矩形凸模固定板315×200×24 JB/T 7643.2—2008，材料為45 鋼。凸模墊板選擇315×200×10 JB/T 7643.2—2008，材料為45鋼，凹模板選擇315×200×50 JB/T 7643.2—2008，材料為T10A，凹模板適當(dāng)加長，用作進(jìn)料臺，最后確定凹模板規(guī)格為366×200×50。凹模墊板選擇315×100×10 JB/T 7643.2—2008，修改后規(guī)格為300×80×10，材料為45鋼。

5 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

5.1 模具結(jié)構(gòu)

結(jié)合對表芯蓋沖壓工藝性分析、沖壓工藝計(jì)算、排樣設(shè)計(jì)、模具主要零部件設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的表芯蓋多工位級進(jìn)模具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 模具裝配圖

5.2 模具工作過程

將模具通過固定裝置固定在壓力機(jī)上，采用自動送料裝置。工作時，將條料置于下模，通過導(dǎo)料板進(jìn)行定位。首次拉深時，通過目測進(jìn)行定位，完成第一次拉深后，通過調(diào)整步距，采用自動送料裝置將條料送到第二次拉深的位置，用彈壓卸料板上開設(shè)的定位臺階軸插入到第一次拉深后的孔內(nèi)進(jìn)行定位，然后由拉深凸模和凹模共同作用完成拉深，后續(xù)的工序分別通過整形模的凹模和導(dǎo)正銷進(jìn)行定位。運(yùn)行到第五工位落料時，由導(dǎo)正銷對第四工位產(chǎn)生的孔進(jìn)行定位后，由落料凸模和凹模作用沖出凸緣部分，完成零件的加工。

6 結(jié)束語

通過對表芯蓋的沖壓工藝進(jìn)行分析，選擇沖壓方案，計(jì)算工藝尺寸，進(jìn)行模具零部件的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出表芯蓋生產(chǎn)的首次拉深—第二次拉深—整形—沖孔—落料多工位級進(jìn)模，該模具在保證完成任務(wù)的前提下，具有成本低、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，能夠有效節(jié)約生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本。