王宏偉，肖峰，賈金偉，張金，王飛橋

(北方特種能源集團西安慶華公司，西安 710025)

1 低矮工件加工工藝

對低矮類型的工件(指相對高度h/d＜0.3的薄壁無凸緣工件或在下道工序不方便作夾持定位的工件)一般都是采取先落料、拉深，然后再做一次切邊的方法來滿足高度尺寸要求。例如:對于拉深后工件形狀為寬凸緣的，用模具對工件做環(huán)形切邊(或稱為擠口)的方法來切除修邊余量;對于拉深后為無凸緣的工件，則用水平切邊或?qū)I(yè)的切口設(shè)備來切除口部修邊余量。此方法對在下道工序能有效夾持定位且高度尺寸精度不高的工件是可行的，但對高度低，公差小的低矮類型工件來說卻顯得較為困難。如圖1所示的工件就屬于這種類型。對這些特殊的低矮工件，如果先拉深成形(按有凸緣或無凸緣)然后再切除預(yù)留的修邊余量，皆因工藝方法限制和定位困難等因素的影響，工件的高度很難達到技術(shù)要求，即使用跳步模具，效果也不一定好。為此借鑒典型復(fù)合模具的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了適用于低矮工件的落料、拉深、擠切邊復(fù)合模具。

圖1 工件Fig.1 Workpiece

2 擠切邊原理

用落料、拉深、擠切邊復(fù)合模沖制低矮類型的工件，其變形過程從剪切落料開始，接著進行拉深和擠切分離。當(dāng)拉深切邊凸模進入凹?？跁r，由于受到徑向拉力和切向壓力的作用，片狀坯料被拉深成寬凸緣的過渡坯件。當(dāng)寬凸緣形坯件的高度達到工藝要求時，拉深凸模的鋒利刃開始觸及寬凸緣坯件。在凸凹模的口部，因凸模和凹模之間擠切間隙較小，使金屬的流動在進入凹?？跁r受到強烈阻礙，在切向壓力、徑向拉力、剪切力的合力作用下，作為工藝過渡的寬凸緣坯件被分離為2部分。工件實體被推入凸凹模腔內(nèi)，廢料邊則套在拉深凸模上，至此落料、拉深和擠切分離過程結(jié)束。工件和廢料邊在壓力機滑塊回程時，分別用打料桿和壓邊圈將其推出模具外，用壓縮空氣吹到收集器具中，最后用篩子進行分選。落料拉深擠切模工作原理如圖2所示。

圖2 落料、拉深、擠切邊模工作原理Fig.2 The blanking，drawing，extrusion trimming die principle diagram

此模具適用于沖制內(nèi)、外徑尺寸及高度尺寸全部由模具尺寸保證的薄壁低矮類型工件。

3 模具設(shè)計要點

3.1 確定拉深毛坯尺寸D0值

拉深毛坯尺寸D0值依照工件擠切分離前的寬凸緣坯件尺寸計算得出，其中，寬凸緣部分是作為修邊余量存在的。為滿足擠切分離工藝要求，修邊余量應(yīng)按材料厚度的1.5～3倍確定。確定D0值后，還需要對照寬凸緣的極限拉深系數(shù)進行復(fù)核。

D0值關(guān)系到工件在初始成形時，能否順利地被拉深成形為寬凸緣坯件，以及工件與廢料邊之間能否順利地擠切分離。D0值大則修邊余量多，這不僅浪費材料，還可能在拉深過程引起底部R處斷裂;D0值小，則拉深后留作廢料邊的余量小，當(dāng)余量過小時工件的斷面可能出現(xiàn)撕裂狀的飛邊。

3.2 確定擠切間隙C2值

擠切間隙C2值可按圖3中材料的變形尺寸t2的7%～10%確定(t2值可通過電腦精確作圖測量得出)，也可依據(jù)t2值查閱《沖壓手冊》、《沖裁間隙執(zhí)導(dǎo)性技術(shù)文件》推薦的間隙值[1]。

圖3 普通沖裁與擠切分離的區(qū)別Fig.3 The difference between common blanking and extrusion shear

擠切分離的變形過程完全不同于普通沖裁變形，最明顯的區(qū)別是在凹模的口部形狀上，如圖3所示。普通沖裁的凹?？谑侵苯卿J棱，而擠切分離的凹?？趧t是R形狀的圓弧面。普通沖裁時材料與工件的分離是被垂直切斷的，材料的厚度t1沒有明顯的改變;在擠切分離時，材料在沖裁方向的厚度，因凹?？诓啃螤畹挠绊懽兂蓆2。因為t2＞t1，所以擠切間隙C2值應(yīng)該比普通的沖裁間隙C1值大。

因擠切變形特點的影響，擠切分離后的工件，斷面會有輕度毛刺，屬正常情況。只要擠切間隙C2值合理，這種輕度的擠切毛刺完全可以用滾光研磨的工藝手段消除(注意C2值不能過大，否則毛刺嚴(yán)重，不容易處理)。

3.3 模具關(guān)鍵件工作尺寸的設(shè)計

模具關(guān)鍵件工作尺寸的設(shè)計如圖4所示。

圖4 模具關(guān)鍵件工作尺寸Fig.4 The working sizes of key mould parts

1)拉深切邊凸模的設(shè)計。在拉深切邊凸模的頭部(指工作部分)，需要設(shè)計出與工件圖的深度尺寸相同的臺階形狀，凸臺的小直徑d1依據(jù)工件內(nèi)徑確定，凸臺的大直徑d2=D－2C2(D為凸凹模內(nèi)徑)，臺階高度h則依據(jù)工件內(nèi)孔的深度確定。確定h值時必須注意模具制造誤差和材料厚度公差對工件高度的影響。為使擠切斷面良好，要求拉深切邊凸模大徑與小徑的過渡臺面平齊，大徑的刃口保持鋒利狀態(tài)。拉深切邊凸模材料選擇Cr12MoV，熱處理硬度為59～63HRC，要求有較低的粗糙度。

2)凸凹模、落料凹模和壓邊圈的設(shè)計。凸凹模的外徑d0值和落料凹模的內(nèi)徑D0值，按照料片外形輪廓尺寸確定，兩者之間的沖裁間隙按常規(guī)設(shè)計要求取值，模具的刃口處需保持鋒利。凸凹模的內(nèi)孔尺寸D依據(jù)工件的外形尺寸確定，口部的R要滿足拉深變形要求。以上模具材料為Cr12MoV，熱處理硬度為59～63HRC。壓邊圈的外徑d0與落料凹模D0的配合選擇f6/H7，壓邊圈的內(nèi)徑D2與拉深切邊凸模外徑d2之間的配合選擇H7/h6，材料為CrWMn，熱處理硬度為58～62HRC。以上零件的表面粗糙度如圖4所示。

3.4 防止工件粘滯凸模的措施

在正常情況，擠切后的工件應(yīng)滯留在上模腔內(nèi)，在滑塊回程時用打料桿推出，但也會出現(xiàn)工件粘滯在拉深切邊凸模的故障，對模具的正常使用危害極大，對此應(yīng)采取如下措施。

1)在保證工件擠切斷面質(zhì)量的情況下，擠切間隙C2應(yīng)盡量在合理間隙的范圍內(nèi)取大值。因為擠切間隙C2增大，能使拉深切邊凸模的工作尺寸d2隨之減小，由于d2減小，與切邊凸模相配合的壓邊圈內(nèi)徑D2同樣跟著減小。D2的減小，實際上是增大了在卸料時壓邊圈的上端面與工件斷面的接觸面積。這個增減變化看起來微小，但確實提高了使用壓邊圈卸料的可靠性。由于經(jīng)過擠切變形之后的工件外徑等同凸凹模的內(nèi)徑D，且全部大于壓邊圈內(nèi)徑D2，只要切邊凸模外徑d2值與壓邊圈內(nèi)徑D2之間的配合適宜，卸料不成問題。由于低矮類型工件粘滯凸模的阻力一般都不會太大，所以即使工件粘滯在拉深凸模上，利用壓邊圈返回時的彈頂力，完全能夠?qū)⒐ぜB同廢料邊一起從凸模上卸掉。壓邊圈卸料的工作原理如圖5所示。

圖5 壓邊圈卸料Fig.5 Discharging by pressure pad ring

2)降低變形張力對卸料力的影響。因為拉深凸模的外徑?jīng)Q定工件的內(nèi)徑，凹模的內(nèi)徑?jīng)Q定工件的外徑。為了最大限度減小因工件壁部在拉深變薄時產(chǎn)生的變形張力對卸料力的影響，在設(shè)計拉深切邊凸模的工作尺寸d1值時，應(yīng)參考工件的最小極限尺寸確定，凸凹模的內(nèi)徑D參考工件的最大極限尺寸來確定。

3.5 模架的選擇

為克服設(shè)備精度的影響，設(shè)計模具時可以考慮配用標(biāo)準(zhǔn)模架。

4 沖模實例

圖6 盒蓋模具Fig.6 Cover mold drawing

一個兩端呈半圓的條形沖壓件如圖6所示，材質(zhì)為L3M鋁。由于工件的特殊性，為了降低拉深切邊凸模的制造難度，在設(shè)計時將其分解為拉深凸模和切邊凸模(對于簡單圓形工件可不分開)2部分，使用時用銷子和螺釘將其連接成一體。經(jīng)這樣處理后，所涉及的凸模和凹模及其它相關(guān)件，都可以直接用精密線切割設(shè)備切出，可以大大降低模具的制造難度。為了使被分解的模具零件滿足裝配和使用要求，在設(shè)計時應(yīng)對其關(guān)鍵的尺寸和部位提出形位公差要求，并在制造時嚴(yán)格保證。

在變形過程中，工件的中間(直線部分)主要受彎曲力，而兩端半圓形處則受切向壓力和徑向拉力。在計算拉深系數(shù)時，重點考慮兩端的變形及受力情況。在此例中可將兩端的半圓視為一個整圓來確定拉深系數(shù)m值(此例m=0.66，預(yù)留修邊余量為2.5 mm)。經(jīng)修正后的毛坯尺寸如圖6所示。

圖6中的模具為正裝形式的復(fù)合模，廢邊料用彈壓卸料板26卸下，工件用打桿30和卸料塊6從凸凹模7的模腔里推出(打桿30和卸料塊6用螺紋形式緊固連接)，壓邊形式為彈頂式并兼有輔助卸料功能。

上模中的凸凹模7及下模中的落料凹模10，分別裝入凸凹模套4和凹模套24中，用螺釘22，29固定在上模板2和下模板21上，凸凹模7和凸凹模套4之間的配合精度選擇n5/H6，再用螺釘5擰緊防止意外。為防止壓邊圈11冒出，在落料凹模9的中部安裝橫向卡銷23進行限位。對于其余的相關(guān)零件設(shè)計要素和裝配要求，全部按常規(guī)的復(fù)合模具設(shè)計要求處理。工作時將材料(條狀或帶狀)穿進導(dǎo)料板16中(導(dǎo)料板固定在凹模套的兩側(cè))，驅(qū)動滑塊下行，變形過程從落料開始，經(jīng)過拉深成形，工件與修邊廢料分離。在滑塊返程時通過相關(guān)機構(gòu)的動作，把工件及修邊廢料推出模外，再用壓縮空氣吹離模具工作區(qū)。如工件需要平底，可調(diào)節(jié)壓力機滑到所需要的位置。

5 模具技術(shù)要求及零件參數(shù)

模具技術(shù)要求和零件參數(shù)見表1和表2。

因為實例中的工件是一個非圓形回轉(zhuǎn)體，為了降低模具制造的難度，對拉深切邊凸模和凸凹模的形體結(jié)構(gòu)和裝配形式作了必要的改變，所以此模具的設(shè)計顯得略為復(fù)雜。在現(xiàn)實中如果工件是簡單的圓形回轉(zhuǎn)體，則可在設(shè)計模具時結(jié)合實際情況做適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

表1 模具技術(shù)參數(shù)Table1 Mold technology parameters

表2 零件技術(shù)參數(shù)Table2 Technical parameters of mold parts

6 結(jié)語

用落料拉深切邊復(fù)合模，在一個沖壓行程中，完成對低矮類型工件的落料、拉深、切邊(在個別情況下還可以平底)，避免了分工序生產(chǎn)的弊端。此模具不僅適合單件小批量，同樣可用于大批量自動化生產(chǎn)。

[1]王孝培.沖壓手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，1992.