（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

法蘭盤(pán)沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)的研究

王爽，董小瑞，李曉杰

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的法蘭盤(pán)的構(gòu)件配置，采用單工序模的加工工藝方案，通過(guò)零件圖的展開(kāi)，進(jìn)行排樣圖的設(shè)計(jì)，以此確定模具的結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用沖孔凸模固定在固定板上，而凹模則采用整體式固定在下模座上的方法，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)可確保模具工作運(yùn)行可靠，結(jié)論證明該沖壓法蘭盤(pán)的生產(chǎn)滿足其規(guī)格技術(shù)要求。

法蘭盤(pán)沖壓工藝設(shè)計(jì)

1 引言

法蘭盤(pán)用于管子與管子、管子與閥門(mén)的連接。法蘭盤(pán)上有螺孔，用螺栓和螺母將兩法蘭緊固。法蘭盤(pán)之間用密封墊進(jìn)行密封。墊片放在兩法蘭密封面之間，擰緊螺母后，墊片表面上的比壓達(dá)到一定數(shù)值后產(chǎn)生變形，并填滿密封面上凹凸不平處，使聯(lián)接嚴(yán)密不漏。帶法蘭盤(pán)的管子可由鑄造而成[1]，也可沖壓加焊接制造而成。法蘭聯(lián)接由一對(duì)法蘭、一墊片及若干個(gè)螺栓螺母組成。法蘭聯(lián)接是可拆聯(lián)接。法蘭連接在發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輛上應(yīng)用廣泛。沖壓生產(chǎn)的法蘭盤(pán)因其重量輕、成本低而受到設(shè)計(jì)師們的青睞。沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，工藝合理化能降低模具費(fèi)用、節(jié)約加工工時(shí)和降低材料費(fèi)。本文通過(guò)舉例來(lái)說(shuō)明。

2 工藝方案流程

圖1 法蘭盤(pán)制件

圖1 是由厚度為1 mm的材料沖壓成的法蘭盤(pán)零件。零件的長(zhǎng)度和寬度均76 mm，長(zhǎng)厚比較大，用IT14級(jí)精度的模具即可以滿足零件的精度要求。該零件是大批量生產(chǎn)零件，應(yīng)重視其模具材料和結(jié)構(gòu)的選擇，以保證一定的模具壽命。根據(jù)其材質(zhì)的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，該材料有足夠的強(qiáng)度，適用于沖壓生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)的分析研究以及對(duì)冷沖壓工序的分析，零件包括拉深、沖孔修邊、翻邊等工序，可擬定以下幾個(gè)沖壓工藝方案。

（1）方案1：拉深、落料、沖孔、翻邊。每個(gè)工序均分別采用1套模具生產(chǎn)，總共需要4套模具。

（2）方案2：采用沖孔修邊復(fù)合模，拉深和翻邊采用2套單工序彎曲模，共需要3套模具。

2種方案的分析如下：方案1模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于模具的設(shè)計(jì)和加工，工件各部分的形狀和尺寸都能得到保證，且投產(chǎn)快。然而生產(chǎn)工序過(guò)于繁多，占用設(shè)備也多，難以保證對(duì)工件表面的要求；大批量生產(chǎn)，工序太多會(huì)影響生產(chǎn)效率；模具的設(shè)計(jì)與加工需要花費(fèi)大量投資，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益不利。方案2模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易于模具的設(shè)計(jì)和加工，工件各部分的形狀及尺寸都能得到保證，定位準(zhǔn)確，且投產(chǎn)快。

綜上所述，由于零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，寬度與直徑比值較小，為了更好地保證尺寸精度，提高生產(chǎn)效率，采用方案2來(lái)設(shè)計(jì)模具。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，第1道工序設(shè)計(jì)為拉深，采用復(fù)合模；第2道工序設(shè)計(jì)為沖孔和修邊，采用復(fù)合模；第3道工序設(shè)計(jì)為翻邊，采用單工序模。其工序圖如圖2所示。此次設(shè)計(jì)主要對(duì)工藝方案中的工序1沖孔復(fù)合模進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。

圖2 零件工序圖

3 模型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 工藝參數(shù)的計(jì)算

材料在拉深時(shí),一邊壓縮變形，另外一邊會(huì)拉伸變形,但在材料彎曲過(guò)程中，對(duì)于彎曲件的展開(kāi)長(zhǎng)度是根據(jù)彎曲前、后中性層長(zhǎng)度不變的原則進(jìn)行計(jì)算[2]。該零件拉深內(nèi)腔為規(guī)則圓筒形，故按等面積原則，用解析概算法求該工件尺寸，無(wú)彎曲部分直接測(cè)量，有兩處彎曲部分，兩個(gè)均是R1的90°彎曲；由圓角半徑及彎曲件公式

式中，

φ——工件彎曲中心角；φ可以大于、等于或小于90°；

r——彎曲半徑/mm；

λ——中性層位移系數(shù)；

L——彎曲間展開(kāi)長(zhǎng)度/mm；l1、l2——彎曲件直邊長(zhǎng)度/mm。

對(duì)于彎曲件的展開(kāi)長(zhǎng)度是根據(jù)彎曲前、后中性層長(zhǎng)度不變的原則進(jìn)行計(jì)算。其展開(kāi)長(zhǎng)度等于直線部分的長(zhǎng)度和彎曲部分中性層展開(kāi)長(zhǎng)度之和。對(duì)于兩個(gè)R1的彎曲部分中性層位移系數(shù)取值為λ=0.2。所以毛坯的展開(kāi)尺寸為：

排樣時(shí)制件與制件之間以及制件與側(cè)邊之間留下的工藝材料，叫做搭邊。一般來(lái)說(shuō)，搭邊值的大小通常是由經(jīng)驗(yàn)所確定的。影響搭邊值大小的因素有材料的力學(xué)性能、材料的厚度、制件的形狀和尺寸、排樣的形式及其送料、擋料的方式等[3]。

對(duì)于一般金屬材料在沖裁時(shí)的搭邊值由手動(dòng)送料的非圓形零件的側(cè)搭邊amin=1.0 mm，兩工件之間的搭邊a1min=1.2 mm，所以最后取得a=1 mm，a1=1.2 mm。搭邊值的確定通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而確定，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下盡量取小些。

設(shè)計(jì)中，已知a=1 mm，a1=1.2 mm，則進(jìn)距h =b+a1=76+1.2=77.2 mm，B=c+2a=84+2=86 mm

式中，

b——制件的排樣寬度；

B——條料寬度；

c——制件的排樣長(zhǎng)度。

由制件展開(kāi)圖可以知道，要完成制件的加工，需要將帶料上的廢料沖裁掉，各工位沖裁掉廢料的外觀形狀即為凹模、凸模的刃口形狀；對(duì)于沖孔凸模，展開(kāi)圖中所取的目標(biāo)值即為凸模刃口的形狀尺寸。對(duì)于彎曲凹模和凸模的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參照國(guó)家模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)即可。各凹模和凸模的刃口形狀可查閱排樣圖所示。

排樣的目的是為了在保證制件質(zhì)量的前提下，合理利用原材料。衡量排樣經(jīng)濟(jì)性、合理性的指標(biāo)是材料的利用率。一個(gè)進(jìn)距的材料利用率的計(jì)算如下：

式中

A——沖裁件面積（包括廢料）/mm2；

n——一個(gè)進(jìn)距內(nèi)沖裁件數(shù)目；

b——條料寬度/mm；

h——進(jìn)距/mm。

3.2 各部分沖裁力的計(jì)算

在沖裁過(guò)程小，沖裁力的大小是不斷變化的，沖裁力是指板料作用在凸模上的最大抗力。對(duì)于普通刃口的沖裁，其沖裁力：

式中，

F——沖裁力/N；

L——沖裁件的周長(zhǎng)/mm；

t——材料厚度/mm；

τ——材料抗剪強(qiáng)度/MPa；

K——系數(shù)。

考慮到凸模，凹模刃口磨損，模具間隙波動(dòng)，材料力學(xué)性能變化及其材料厚度偏差等因素而增加的安全系數(shù)，針對(duì)本沖壓件，利用公式計(jì)算表明應(yīng)采用彈性卸料板卸料。

由于沖壓時(shí)候材料的彈性變形及其摩擦力作用，在一般的沖裁條件下，沖裁后材料發(fā)生彈性恢復(fù)，使落料件或者沖孔廢料梗塞在凹模內(nèi)，而板料則緊箍在凹模上[4,5]。為了使沖裁工作繼續(xù)進(jìn)行，必須將箍在凸模上的板料卸下，將卡在凹模內(nèi)的制件或者廢料向下推出或者向上頂出。卸料力、推件力和頂件力的材料力學(xué)性能、性能厚度、沖件輪廓的形狀、沖裁間隙、潤(rùn)滑情況、凹模洞口形狀等因素有關(guān)[6]。在生產(chǎn)中，都是采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算：

式中：Fs、Fe、Fk——分別為卸料力、推件力、頂件力，單位為N；

Kk、Fe、Ks——分別為頂件力系數(shù)、推件力系數(shù)、卸料力系數(shù)；

F——沖裁力/N;

h——凹模刃口直壁高度/mm；

t——料厚/mm。

取K卸=0.04，K推=0.055，K頂=0.06；

計(jì)算出F推=n K推F1，故F總=F沖+F推可取凹模刃口高度為h=6 mm。

沖裁間隙對(duì)制件尺寸精度的影響。落料和沖孔后，因發(fā)生彈性恢復(fù)，會(huì)影響制件的尺寸精度?？紤]到凸模和凹模的磨損，在設(shè)計(jì)和制造新模具時(shí)，取最小合理間隙。確定沖裁間隙的方法。常用的沖裁間隙確定方法有理論確定法和經(jīng)驗(yàn)確定法，在現(xiàn)場(chǎng)模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中通常用經(jīng)驗(yàn)確定模具的沖裁間隙。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：C=mt；

式中:

C——合理沖裁間隙/mm；

t——板料厚度/mm；

m——間隙比值/%（為料厚的百分之幾）。

沖裁間隙比值由《沖壓手冊(cè)》表2-26查得：結(jié)合國(guó)家模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將間隙值取為料厚的8%。則沖裁的間隙為：

C=mt=8%×1.2=0.096 mm。

條料寬度以及導(dǎo)尺間距:

可以按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算凹模高度h：

h=kb（h≥15 mm）。

式中，

k——系數(shù)；

b——最大孔口尺寸/mm；

凹模壁厚c=(1.5-2)h；凸模采用圓形沖孔凸模，采用固定板固定方式[7]。

可以查出δ凹、δ凸；磨損系數(shù)：根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出來(lái)：

所以凸、凹模尺寸計(jì)算可知：

凸凹模長(zhǎng)度L：

其中:

h——增加長(zhǎng)度（托桿伸出高度)；

p——凸凹模固定板厚度/mm；

q——卸料板厚度/mm。

凸凹模內(nèi)外刃口間壁厚校核：根據(jù)沖裁件結(jié)構(gòu)凸凹模內(nèi)外刃口最小壁厚為8.5 mm，根據(jù)強(qiáng)度要求查《沖壓模具設(shè)計(jì)與制造》表2.9.6知，該壁厚為5.0 mm即可，故該凸凹模側(cè)壁強(qiáng)度足夠。

沖孔凸模長(zhǎng)度：

其中：

m——凹模固定板厚；

n——凹模板厚度。經(jīng)強(qiáng)度校核，凸模不屬于細(xì)長(zhǎng)桿，強(qiáng)度足夠。

3.3 壓力機(jī)的選擇

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出數(shù)據(jù)選擇沖床，該設(shè)計(jì)采用J23-16型壓力機(jī)，沖壓機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。這些參數(shù)符合沖制該零件的要求。

表1 J23-16型壓力機(jī)主要參數(shù)

壓力中心的確定：由沖床的式樣可以知道：由于模具在工作時(shí)是將整個(gè)上模座固定在沖床的滑塊上，因此不必進(jìn)行壓力中心的計(jì)算。為了方便模具安裝在壓力機(jī)上，在上模座上設(shè)計(jì)一個(gè)模柄[8]，以起到模具在安裝時(shí)的定位作用。

3.4 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸凹模內(nèi)外刃口間壁厚校核：根據(jù)沖裁件結(jié)構(gòu)凸凹模內(nèi)外刃口最小壁厚為8.5 mm，故計(jì)算求得該凸凹模側(cè)壁強(qiáng)度足夠。

圖3 模具總體結(jié)構(gòu)圖

該模具的動(dòng)作過(guò)程是：當(dāng)上模(凸模)下行至凹模板和推件塊壓緊條料，凸模繼續(xù)下行完成落料、沖孔等工序；之后廢料由凸凹模下行將其從下漏料洞口推出。在此過(guò)程中，凹模板和推件塊將條料壓平，可使工件表面平整。上?；厣龝r(shí)，緊箍在凸凹模上的條料由卸料板推下，條料由浮料銷(xiāo)浮起以便條料的繼續(xù)送進(jìn)。隨著條料的送進(jìn)，此過(guò)程將從新繼續(xù)進(jìn)行。

圖4 凸緣模柄圖

為保證加工精度，應(yīng)使凸凹模固定板平面與凸凹模的中心線有良好的垂直度，而且基準(zhǔn)面的表面粗糙度為Ra=1.6μm，另一非基準(zhǔn)面可適當(dāng)降低要求。

在大批量生產(chǎn)中為了便于裝?；蛘咴诰纫筝^高的情況下，模具都采用導(dǎo)向裝置，保證精確的定位，提高沖件質(zhì)量及其模具壽命。在導(dǎo)板模中，以導(dǎo)板對(duì)凸模導(dǎo)向，導(dǎo)板既對(duì)凸模起導(dǎo)向作用又起卸料版作用，導(dǎo)板與凸模采用H7/h6配合，在沖裁過(guò)程中使凸模與導(dǎo)板始終保持配合。此設(shè)計(jì)是把原設(shè)計(jì)中靠螺栓預(yù)緊力而產(chǎn)生的摩擦力傳遞扭矩，改成靠螺紋傳遞扭矩。此時(shí)的螺栓僅起連接作用，不起傳遞扭矩作用，故不必進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可確保模具工作運(yùn)行可靠，以滿足沖壓產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)要求。模架采用標(biāo)準(zhǔn)模架，同時(shí)按照模具的沖裁力要求和模架規(guī)格選用了合適的沖壓設(shè)備。該設(shè)計(jì)對(duì)工作零件和壓力機(jī)規(guī)格均進(jìn)行了必要的校核驗(yàn)算。本模具性能可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。

（2）設(shè)計(jì)的模具為修邊、沖孔倒裝復(fù)合模具。為提高生產(chǎn)率，提升產(chǎn)品的多元化，可在本此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加拉深、翻邊等工序，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的模具，以便沖壓更為復(fù)雜的零件，以提高經(jīng)濟(jì)效益，降低生產(chǎn)成本。

（3）產(chǎn)品要求翻邊圓角R=1 mm，比理論設(shè)計(jì)的翻邊圓角小。參考有關(guān)資料和依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)決定從模具設(shè)計(jì)及制造精度方面加以解決，為此確定合適的預(yù)沖孔沖裁間隙為0.15-0.2 mm，這樣可以提高預(yù)沖孔粗糙度。

1張兵．曲軸銷(xiāo)孔徑向位置測(cè)量誤差分析及專用檢具設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械制造，2001，39（6）：50-51．

2孫鵬．穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法及其在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006．

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Research on Stamping Process for Flanged Part and Its Mold Design

Wang Shuang,Dong Xiaorui,Li Xiaojie
（School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China）

For a flanged part used in engine,a processing scheme of single process mold is adopted. The mold structure is determined with the developed pattern of the part drawing.The punching punch is fixed to a mounting plate,while the concave mold is designed as one piece and is fixed on the lower mold. The application of the mold shows that the mold structure can ensure its reliable operation,and the flanged part made with the mold satisfies its design specifications.

flange,punch,processing,design

來(lái)稿日期：2014-03-15

王爽（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠?chē)結(jié)構(gòu)仿真與制造工藝。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.013