基于A1050板料的MP4前殼成形模設(shè)計(jì)

毛建冬， 肖國(guó)華，2， 李亞峰， 余健， 李興秀， 徐生， 楊少增，2

（1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 寧波 315412；2.寧波華寶智能科技股份有限公司， 浙江 寧波 315600；3.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與交通分院， 浙江 嘉興 314031；4.寧波德科精密模塑有限公司， 浙江 寧波 315600）

0 引 言

在復(fù)雜鈑金件沖壓生產(chǎn)中，沖模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)取決于多方面因素，包括模具制造成本、單件制件的模具費(fèi)用平攤、企業(yè)設(shè)備能力、模具制造部門(mén)或外協(xié)加工單位的模具制造能力等。因此在實(shí)踐生產(chǎn)中，模具設(shè)計(jì)工程師針對(duì)復(fù)雜沖壓件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，相同制件會(huì)有多種不同的沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)于復(fù)雜制件的成形，常用的模具設(shè)計(jì)方案分為2種：一種是多工序成形，采用多副單工序模具，經(jīng)組合后實(shí)現(xiàn)制件的多工序成形；另一種是多工序集成在單副模具內(nèi)進(jìn)行連續(xù)沖壓成形的級(jí)進(jìn)模。

現(xiàn)結(jié)合某MP4前殼的生產(chǎn)要求，針對(duì)制件難以采用級(jí)進(jìn)模連續(xù)沖壓成形的問(wèn)題，依據(jù)制件結(jié)構(gòu)及企業(yè)現(xiàn)有沖壓設(shè)備能力，決定采用單工序模分步實(shí)現(xiàn)制件的沖壓成形，為此設(shè)計(jì)了12道工序的成形工藝，并針對(duì)每道工序的成形任務(wù)設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的12副單工序模具。在其中一些模具中，設(shè)計(jì)了4種機(jī)構(gòu)用于難成形特征的成形，實(shí)現(xiàn)了制件的批量沖壓生產(chǎn)。

1 MP4前殼結(jié)構(gòu)

MP4前殼形狀如圖1所示，制件類(lèi)似矩形盒蓋，外觀面要求光亮，且基于成形鈑金特點(diǎn)而有多種其他商標(biāo)加工要求。制件內(nèi)表面設(shè)有一個(gè)腰臺(tái)e，腰臺(tái)e在制件正面形成腰臺(tái)凹槽a，如圖1（a）所示。腰臺(tái)e上設(shè)有腰臺(tái)中心腰孔d和矩形孔b，矩形孔b靠近唇邊d一側(cè)，切除腰臺(tái)切邊c，如圖1（b）所示。制件內(nèi)表面卡扣a～c為無(wú)側(cè)孔卡扣，卡扣d～g為有側(cè)孔卡扣。制件唇邊c、d上各有1個(gè)缺口，分別為缺口a、b。

圖1 MP4前殼

前殼尺寸如圖2所示，板料厚度為0.8 mm，板料公差為0.8+0.01-0.03mm。制件材料為A1050-H16，A1050鋁合金具有良好的延展性、強(qiáng)度和韌性，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，焊接性能良好，同時(shí)耐蝕性和耐磨性好。一般對(duì)沖壓件工藝性影響較大的是幾何形狀、尺寸和精度要求，從圖2可以看出，7個(gè)卡扣特征、腰形凹槽a和2個(gè)側(cè)邊缺口使制件結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，導(dǎo)致其成形困難，且4個(gè)卡扣有夾角加工需要，不利于沖壓成形。通過(guò)對(duì)所有標(biāo)示尺寸進(jìn)行成形精度計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，標(biāo)注公差的尺寸精度范圍在IT9～I(xiàn)T12。該制件的尺寸精度要求中等，用一般精度的模具可達(dá)到各特征的成形要求。制件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為其幾何中心，適合采用沖壓成形。成形后的制件端面必須平整，外觀不能有劃傷、翹曲、變形等缺陷；制件不需進(jìn)行噴砂處理，要求外觀法線及陽(yáng)極蝕刻處理；制件毛刺控制在0.05 mm以內(nèi)，生產(chǎn)中不使用含有環(huán)境管理物質(zhì)；表面處理使用陽(yáng)極暗香檳（近PANTONE 8402C∕偏暖色）圖案及文字蝕刻（凸出0.05 mm）。

圖2 前殼尺寸要求

從制件成形工藝性分析，由于卡扣有彎曲和側(cè)邊沖孔等要求，若采用級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)，工藝性差，不但材料損耗和廢品率會(huì)增加，甚至無(wú)法生產(chǎn)出合格制件。若采用多工序單工序復(fù)合模成形制件，工藝性較好，能滿足節(jié)省材料、工序較少、模具零件加工容易、使用壽命長(zhǎng)、操作方便及制件質(zhì)量穩(wěn)定等要求。

2 成形工藝方案

2.1 工藝難點(diǎn)

（1）腰形孔腰部塌角或底部斷裂問(wèn)題。如圖2中C-C剖面的問(wèn)題Q1，腰臺(tái)e上設(shè)置的腰臺(tái)中心腰孔d處成形斷差為1.2 mm，而材料厚度為0.8 mm，成形時(shí)會(huì)產(chǎn)生塌角或底部斷裂，模具量產(chǎn)困難，改為半拔方式（半拔高0.5 mm）或采用多級(jí)拉深成形。

（2）卡扣g根部成形問(wèn)題。如圖2中問(wèn)題Q2所指卡扣g處，因?yàn)檠_(tái)e凸包干涉無(wú)法成形，解決辦法是取消腰臺(tái)e凸包成形，改為平面上直接沖孔；如需保留腰臺(tái)e凸包成形，則卡扣g位置必須下移或優(yōu)化工序步驟。

（3）缺口a、b的裁切問(wèn)題。如圖2中問(wèn)題Q3，由于制件周?chē)鷤?cè)壁較低，由外向里沖裁，凹模強(qiáng)度低，解決辦法是采用由里向外沖裁，保證凹模強(qiáng)度，使毛刺面朝外，經(jīng)噴砂、陽(yáng)極化處理后，毛刺會(huì)被腐蝕去除，不影響外觀。

（4）壁厚變薄問(wèn)題。如圖2中問(wèn)題Q4，4個(gè)唇邊（唇邊a～d）及7個(gè)卡扣（卡扣a～g）都需進(jìn)行拉深，原始尺寸及公差為（0.8±0.10） mm，拉深時(shí)材料會(huì)變薄，故修改為（0.8±0.15） mm，否則無(wú)法達(dá)到制件設(shè)計(jì)成形要求。

2.2 成形工藝工序設(shè)計(jì)

對(duì)制件進(jìn)行展開(kāi)計(jì)算后，獲得的坯料形狀如圖3所示，制件按圖3所示工序進(jìn)行沖壓成形生產(chǎn)，共12道工序。工序Ⅰ實(shí)現(xiàn)中心腰孔d的沖孔和坯料落料，坯料紋理方向垂直于中心腰孔中心線；工序Ⅱ完成腰臺(tái)e和4個(gè)唇邊的粗拉深；工序Ⅲ完成4個(gè)唇邊和腰臺(tái)e的精拉深；工序Ⅳ完成唇邊a、c的部分切除成形，獲得卡扣a、b、c、e、f的形坯及缺口a；工序Ⅴ完成唇邊a、b的部分切除成形，獲得卡扣d、g的形坯及缺口b；工序Ⅵ完成腰臺(tái)矩形孔b的沖孔成形；工序Ⅶ完成腰臺(tái)切邊c的成形；工序Ⅷ對(duì)卡扣a、b、c進(jìn)行90°彎曲；工序Ⅸ對(duì)卡扣d進(jìn)行90°彎曲；工序Ⅹ對(duì)卡扣e、f進(jìn)行90°彎曲；工序Ⅺ對(duì)卡扣g進(jìn)行90°彎曲；工序Ⅻ對(duì)卡扣d、e、f、g上的孔進(jìn)行側(cè)沖孔成形，并完成制件外形的精整形。

圖3 工序排位設(shè)計(jì)

3 分工序與成形模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 工序Ⅰ沖孔落料復(fù)合模

工序Ⅰ模具為沖孔落料復(fù)合模，如圖4所示，第一步先沖中心腰孔d；第二步落料，成形坯料形狀及中心腰孔d。料帶排位為步距83.5 mm，料帶寬120.4 mm，邊距2 mm，搭邊寬3 mm。凸模5與凸凹模6上對(duì)應(yīng)的落料孔用于沖中心腰孔d，凸凹模6與凹模12配合用于坯料的落料成形。模具工作時(shí)，模具上模下行，壓料板13先壓住料帶，然后凹模12壓住卸料板11迫使其下行，凸模5沖裁中心腰孔d，隨著上模的繼續(xù)下行，凸凹模6將成形坯料反沖進(jìn)凹模12的成形槽內(nèi)而成形坯料。成形完畢后上模上行，卸料板11將料帶彈出，打桿1結(jié)合彈簧2的彈力通過(guò)推桿4而推動(dòng)壓料板13將坯料從凹模12中推出。

圖4 工序Ⅰ沖孔落料復(fù)合模

3.2 工序II倒裝式粗拉深模

工序Ⅱ?qū)ば颌癯尚魏蟮墓ぜM(jìn)行拉深以獲得4個(gè)唇邊及7個(gè)卡扣成形所需的坯料。工序Ⅱ的模具結(jié)構(gòu)如圖5所示，該模具為倒裝式粗拉深模，采用單次拉深，擬形圓整（獲得中間工序件拉深尺寸并進(jìn)行圓整）后拉深系數(shù)為0.763，符合材料的極限拉深系數(shù)限制。

圖5 工序Ⅱ與Ⅲ拉深模

模具工作過(guò)程：上模下行時(shí)，由于氣缸頂桿21作用，頂推卸料板25將坯料壓緊在粗拉深凹模17的底部，隨著上模的繼續(xù)下行，粗拉深凸模18和被彈簧22頂出的浮動(dòng)凸臺(tái)頂塊19將坯料向粗拉深凹模17頂部拉深，當(dāng)?shù)竭_(dá)凸臺(tái)拉深凸模16的底部時(shí)，凸臺(tái)拉深凸模16對(duì)制件的腰臺(tái)凹槽a進(jìn)行拉深成形，同時(shí)浮動(dòng)凸臺(tái)頂塊19克服彈簧22的彈力下行，拉深成形完成后，浮動(dòng)凸臺(tái)頂塊19借助彈簧22的彈力將制件的腰臺(tái)從粗拉深凸模18內(nèi)脫出。粗拉深完成后，由于所成形制件外壁設(shè)置了0.25°的脫模錐度，而內(nèi)壁沒(méi)有設(shè)置，上模上行時(shí)，粗拉深制件從粗拉深凹模17的凹腔內(nèi)脫出，留在粗拉深凸模18上，最后由氣缸通過(guò)氣缸頂桿21推動(dòng)頂推卸料板25而脫模。拉深過(guò)程中，氣缸頂桿21被往下壓回，粗拉深深度為19 mm。

3.3 工序Ⅲ倒裝式精拉深模

工序Ⅲ的倒裝式精拉深模結(jié)構(gòu)與工序Ⅱ模具結(jié)構(gòu)基本相似，不同的是該模具只針對(duì)制件4個(gè)唇邊的成形進(jìn)行精加工，如圖5所示，因而在上模只需設(shè)置精拉深凹模26即可，精拉深加工深度為1 mm。

3.4 工序Ⅳ側(cè)邊沖切模

工序Ⅳ使用側(cè)邊沖切模進(jìn)行加工，如圖6所示，設(shè)置了2組側(cè)沖切滑塊機(jī)構(gòu)S1、S2用于工件2個(gè)側(cè)壁沖裁成形，以獲得唇邊、卡扣、缺口特征，其中機(jī)構(gòu)S1用于唇邊a、卡扣a～c特征的沖切成形，機(jī)構(gòu)S2用于唇邊c、卡扣e～f和缺口a特征的沖切成形。機(jī)構(gòu)S1與S2結(jié)構(gòu)對(duì)稱，工作原理相同。以機(jī)構(gòu)S1為例，其工作原理：上模下行沖切前，機(jī)構(gòu)S1的側(cè)刃35和外壁凹模30狀態(tài)如圖6所示，當(dāng)上模下行時(shí)，彈壓板28先將工件壓緊在支撐塊36上，在插桿29下行過(guò)程中，其下端的右側(cè)斜面先驅(qū)動(dòng)外壁凹模30按F1'向壓緊毛坯外壁，之后隨著上模的繼續(xù)下行，插桿29下端的左側(cè)斜面驅(qū)動(dòng)側(cè)刃35按F1向沖切，實(shí)現(xiàn)唇邊a、卡扣a～c的成形。沖切完畢，上模上行復(fù)位，一個(gè)氣缸通過(guò)氣缸頂桿37推動(dòng)側(cè)刃35按F1'向復(fù)位，另一氣缸通過(guò)氣缸頂桿38推動(dòng)外壁凹模30按F1向復(fù)位，取件后開(kāi)始下一工作循環(huán)。

圖6 工序Ⅳ唇邊沖切模M4設(shè)計(jì)

3.5 工序Ⅴ側(cè)邊沖切模

針對(duì)唇邊b和唇邊d，使用圖7所示的唇邊沖切模進(jìn)行成形，該模具中也設(shè)計(jì)了2組側(cè)沖切滑塊機(jī)構(gòu)S3、S4，模具工作原理同圖6模具相同。

圖7 工序Ⅴ唇邊沖切模

3.6 工序Ⅵ沖孔模

針對(duì)腰臺(tái)矩形孔b，設(shè)計(jì)了沖孔模成形，如圖8所示，沖孔完成時(shí)，工件被凸模39從沖孔凹模41上帶出，最后由推板40從凸模39上推出，沖孔凹模41與凸模39的雙面間隙為0.04 mm。

圖8 工序Ⅵ沖孔模

3.7 工序Ⅶ側(cè)面刮切模

針對(duì)腰臺(tái)切邊c的成形，使用側(cè)面刮切凸模44進(jìn)行側(cè)切成形（見(jiàn)圖9），機(jī)構(gòu)組件包括件42～件47，工作時(shí)，在模具閉合，上模下壓過(guò)程中，壓緊凸模47先將工件壓緊在刮切凹模42內(nèi)，之后刮切驅(qū)動(dòng)插桿46的下端左斜面驅(qū)動(dòng)刮切凸模44和刮切滑塊45按F1向移動(dòng)進(jìn)行側(cè)向刮切工件，成形腰臺(tái)切邊c。刮切凸模44安裝在刮切滑塊45上，其按F1向移動(dòng)刮切工件，實(shí)施小加工量切料成形。

圖9 工序Ⅶ刮切模

3.8 卡扣彎曲機(jī)構(gòu)

對(duì)于帶彎曲卡扣的盒蓋鈑金件，卡扣成形一般使用彎曲機(jī)構(gòu)，保證卡扣達(dá)到尺寸和形狀的要求，需要做到兩點(diǎn)：①?gòu)澢鷷r(shí)需對(duì)卡扣兩面進(jìn)行夾緊；②彎曲后須進(jìn)行回彈修正?；诖?，設(shè)計(jì)的卡扣彎曲機(jī)構(gòu)如圖10所示，機(jī)構(gòu)組件主要包括件48～件58?？蹚澢鷷r(shí)，上模下行，彈簧48驅(qū)動(dòng)壓塊49先將工件壓緊在支撐鑲件61上，插桿59先接觸推頂滑塊57（D1位置），并迫使其按F1'向移動(dòng)，推動(dòng)夾緊塊55抵住工件右邊，之后插桿50接觸彎曲滑塊53（D2位置）迫使其按F1向移動(dòng)對(duì)工件左邊進(jìn)行推進(jìn)彎曲。彎曲滑塊53接觸工件左邊時(shí)，其上的活動(dòng)壓邊滑塊52先接觸工件，由于彈簧51的作用，壓邊滑塊52壓住工件左邊。彎曲滑塊53彎曲卡扣工件的同時(shí)，將迫使夾緊塊55壓縮彈簧56，保證夾緊塊55抵住工件右邊，直到彎曲動(dòng)作完成。彎曲完成后，插桿60接觸修正滑塊58（D3位置），迫使其按F1'向移動(dòng)，對(duì)彎曲后的工件進(jìn)行回彈修正，保證卡扣的成形尺寸。

圖10 卡扣彎曲機(jī)構(gòu)

3.9 工序Ⅷ～Ⅺ卡扣彎曲模

結(jié)合3.8節(jié)設(shè)計(jì)原理，針對(duì)工序Ⅷ～Ⅺ的各卡扣成形，設(shè)計(jì)了4副卡扣彎曲模，4副模具中彎曲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理同3.8節(jié)中的卡扣彎曲機(jī)構(gòu)原理一樣，只是彎曲卡扣數(shù)量和尺寸有所不同。

3.10 工序Ⅻ卡扣精修側(cè)沖孔復(fù)合模

對(duì)于卡扣上設(shè)置孔的特征，設(shè)計(jì)了二次成形滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工，如圖11所示，插桿62跟隨上模下行，其下端的斜面將推動(dòng)母體滑塊67按F1向移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中由于彈簧65的作用，卡扣精修滑塊63將先沖切彎曲工件上的卡扣，精修到位后，此時(shí)卡扣精修滑塊63不能繼續(xù)按F1向移動(dòng)而被卡扣擋住，母體滑塊67將彈簧65驅(qū)動(dòng)沖孔凸模64在卡扣上沖出卡扣孔。開(kāi)模時(shí)母體滑塊67帶動(dòng)沖孔凸模64先按F1向反向抽出，然后卡扣精修滑塊63離開(kāi)成形制件的卡扣。由于7個(gè)卡扣都需進(jìn)行精修，其中4個(gè)卡扣需要精修+沖孔，在工序XII模具中設(shè)置了3個(gè)二次成形滑塊機(jī)構(gòu)S5、S6、S7用于精修+沖孔，并設(shè)置了一次成形滑塊機(jī)構(gòu)S8，該機(jī)構(gòu)只需去除沖孔凸模64即可，結(jié)構(gòu)和工作原理同與二次成形滑塊機(jī)構(gòu)相同。

圖11 卡扣精修沖孔模

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合MP4前殼使用0.8 mm鋁板成形的要求，設(shè)計(jì)了12道工序成形工藝，包括一次沖孔落料、兩次拉深、兩次唇邊沖切、一次沖孔、一次刮切、四次卡扣彎曲、一次卡扣精修沖孔成形等，并設(shè)計(jì)了12副模具對(duì)應(yīng)各工序的成形。

針對(duì)唇邊直壁的切除成形，采用插桿驅(qū)動(dòng)型對(duì)向移動(dòng)滑塊切除機(jī)構(gòu)保證了成形后的唇邊無(wú)毛刺或少毛刺；針對(duì)狹窄區(qū)域孔邊直壁的切除成形，所設(shè)計(jì)的刮切成形機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)該特征的無(wú)損成形；針對(duì)卡扣的彎曲成形，設(shè)計(jì)了插桿多次驅(qū)動(dòng)型卡扣彎曲機(jī)構(gòu)，且經(jīng)過(guò)后續(xù)精修成形后，卡扣的成形精度達(dá)到IT9級(jí)，保證了制件的裝配使用精度要求。針對(duì)卡扣精修和沖孔的需要，設(shè)計(jì)二次成形滑塊機(jī)構(gòu)，利用合模沖壓力驅(qū)動(dòng)多滑塊復(fù)合機(jī)構(gòu)分兩次實(shí)現(xiàn)卡扣的精修和沖孔，保證了制件的成形精度。

制件成形工序布置合理，模具結(jié)構(gòu)合理，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效可靠，能為同類(lèi)制件的批量生產(chǎn)模具設(shè)計(jì)提供借鑒。