王　靜

(江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,江蘇 揚州　225101)

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密封圈級進模設(shè)計

王靜

(江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,江蘇 揚州225101)

摘要：級進模又稱連續(xù)模、跳步模，是指壓力機在一次行程中，在模具的幾個不同位置同時完成多道沖壓工序的沖模。設(shè)計的沖壓件為某壓力容器密封墊，通常情況下墊圈類零件多采用復(fù)合模生產(chǎn)，但受零件尺寸的限制，擬采用級進模加工生產(chǎn)，并對墊圈的排樣方案進行了重點設(shè)計。

關(guān)鍵詞：級進模;排樣;壓力中心;凹模;標(biāo)準(zhǔn)模架

級進沖壓是指在壓力機的一次行程中，通過坯料按步距間歇移動，在等距離的不同工位上完成不同的沖壓工序，得到一個完整零件(或半成品)的過程。級進沖壓特別適合于工序較多的小型零件。相對于同為組合工序的復(fù)合模來說，級進模設(shè)計時工序可以分散，避免了復(fù)合模中的最小壁厚問題，因而模具工作零件強度相對較高，模具壽命長;此外在操作級進模時，人手不必進入危險區(qū)域，安全性也較高。本文通過一個密封圈的級進模設(shè)計，介紹其設(shè)計步驟。

1沖壓件工藝分析

1.1　工件的原材料分析

沖壓件形狀尺寸如圖1所示(圖中單位均為mm，下同)，材質(zhì)為普通鋁，料厚為2 mm。鋁塑性好、耐高溫、耐高壓、耐磨損，具有優(yōu)秀耐腐蝕性能和加工性能，且材料易得;與密封性好的紫銅相比，鋁的價格便宜，特別適合沖壓生產(chǎn)。此外，鋁墊片厚度不同，密封效果也不同，2 mm厚度的鋁墊片密封效果良好，而1 mm厚度時，密封效果較差。在高壓試驗時，鋁制墊圈能起到填充的作用，滿足高壓容器的密封性能。

圖1　產(chǎn)品零件圖Fig.1　Seal part drawing

1.2　產(chǎn)品形狀和精度分析

一般情況下，對沖壓零件工藝影響最大的是其幾何形狀、尺寸和精度要求。本沖壓件形狀簡單、對稱，尺寸公差未注，其制件的精度可按一般沖裁件能夠達到的尺寸精度IT12級即可。

2沖壓工藝方案的確定

沖壓工藝方案的確定也就是模具結(jié)構(gòu)形式的確定。模具選型時應(yīng)重點考慮零件的形狀、尺寸、生產(chǎn)批量、模具加工條件等多方面因素，同時兼顧其維修、操作方便、安全等問題[1]。完成該零件的沖壓加工所需要的基本工序只有沖孔和落料，因此采用的沖壓方案有：全部單工序生產(chǎn)；使用沖孔落料復(fù)合模生產(chǎn)；采用級進模生產(chǎn)?？紤]到制件作為密封墊圈是一次性使用產(chǎn)品，批量較大，且尺寸較小，單工序模生產(chǎn)時拿取工件不方便、不安全，故從提高生產(chǎn)效率和保證操作安全的角度出發(fā),宜選用復(fù)合模或級進模。

如果采用復(fù)合模，其中必有一個工作零件為凸凹模，它的形狀和大小與工件基本相同。從圖

2可見，凸凹模的最小壁厚只有2.45 mm，不能滿足工作零件的強度要求，模具壽命很難得到保證。

圖2　凸凹模壁厚Fig.2　Punches′ wall thickness

綜上分析，該沖壓件用級進模生產(chǎn)是最佳的選擇。

3模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1定位方式的選擇

由于級進模工位數(shù)較多，因而用級進模沖制零件，必須解決條料或帶料的準(zhǔn)確定位問題，才有可能保證沖件的質(zhì)量。根據(jù)定距方式的不同，級進模有2種基本結(jié)構(gòu)類型：用導(dǎo)正銷定距的級進模與用側(cè)刃定距的級進模[2]。用導(dǎo)正銷定距結(jié)構(gòu)簡單，但本設(shè)計中鋁板較軟，若以φ3.1的小孔進行導(dǎo)正,孔邊可能有變形；若以φ22的大孔進行導(dǎo)正，導(dǎo)正銷將會做得較大；若增加工藝孔作為導(dǎo)正用，將增加模具的制造難度與成本。因此本設(shè)計中采用側(cè)刃定距，同時利用導(dǎo)料銷進行送進導(dǎo)向。

3.2卸料、出件方式的選擇

由于工件為料厚2 mm的鋁板，材料相對較軟，故采用彈性卸料裝置卸下搭邊廢料，這樣卸料板不僅起卸料作用，也能起壓料作用，有利于提高沖裁件斷面質(zhì)量。沖孔廢料與工件都從機床漏料孔漏入料箱中。

3.3導(dǎo)向方式的選擇

為了保證上模相對于下模的正確運動，保證模具壽命以適應(yīng)大批量生產(chǎn)，選用導(dǎo)柱、導(dǎo)套的導(dǎo)向裝置。同時由于本級進模橫向送料，所以選擇對角導(dǎo)柱模架。

4工藝計算

4.1　排樣設(shè)計

在沖壓生產(chǎn)實際中，由于零件的形狀、尺寸、精度要求以及批量大小和原材料供應(yīng)等方面的不同，不可能提供一種固定不變的合理排樣方案。工藝流程決定排樣，但不是必須一一對應(yīng)的，在級進模內(nèi)工位是可以前后調(diào)整的，以保證模具設(shè)計空間的簡約或者帶料的強度，或者生產(chǎn)的穩(wěn)定。在決定排樣方案時應(yīng)遵循的原則是：保證在最低的材料消耗和最高的勞動生產(chǎn)率的條件下得到符合技術(shù)條件要求的零件，同時要考慮生產(chǎn)操作、沖模結(jié)構(gòu)、壽命以及車間生產(chǎn)條件和原材料供應(yīng)情況等?？傊獜母鞣矫鏅?quán)衡利弊，以選擇較為合理的排樣方案[2]。

本次排樣采用的是有廢料排樣。通過查表，得到工件間的最小搭邊值為1.5 mm，側(cè)搭邊值為1.8 mm[3]?？紤]到鋁材料較軟，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加搭邊值，最后取工件間的搭邊值為2 mm，側(cè)搭邊值為2.5 mm，所對應(yīng)的步距為40 mm。根據(jù)工序順序的不同，得到以下幾種排樣方案。

方案1：為了減少工位數(shù)，擬先同時沖6個φ3.1的小孔和φ22的孔，再落料φ38，如圖3所示。但工位1孔間距離太近，所對應(yīng)的凹模壁薄，強度不夠，影響模具壽命。

方案2：先沖6個φ3.1的小孔，接著沖φ22的孔，最后落料φ38，如圖4所示。同樣由于孔距太小，進行工位2沖孔時會使得工位1已沖的小孔變形。

方案3：先沖φ22的孔，接著沖6個φ3.1的小孔，最后落料φ38，如圖5所示，避免了方案1與方案2的不足。

選用方案3排樣，結(jié)合模具結(jié)構(gòu)中的側(cè)刃定距，得到最終的排樣圖，如圖6所示，條料寬度為46 mm。

條料寬度確定之后，還要選擇板料規(guī)格，并確定裁板方法(縱向剪裁或橫向剪裁)。值得注意的是，在選擇板料規(guī)格和確定裁板法時，應(yīng)綜合考慮材料利用率、操作方便和材料供應(yīng)情況等[2]。

4.2　計算沖裁力，初選壓力機

(1)沖孔力

F沖孔=kltτ=1.3×(6π×3.1+π×22)×2×98÷1000≈32.5 kN

圖3　排樣方案1Fig.3　Layout option Ⅰ

圖4　排樣方案2Fig.4　Layout option Ⅱ

圖5　排樣方案3Fig.5　Layout Option Ⅲ

圖6　排樣圖Fig.6　Final layout

(2)落料力

F落料=1.3×(π×38)×2×98÷1 000≈30.4 kN

(3)沖側(cè)刃力

F側(cè)刃=1.3×(40+3+3)×2×98÷1 000≈11.7 kN

(4)卸料力

F卸料=0.04×(32.5+30.4+11.7)≈3 kN

F總=32.5+30.4+11.7+3=77.6 kN

根據(jù)總的沖裁力結(jié)合工廠實際初選壓力機型號為JC23-63。

4.3　計算壓力中心(xo,yo)

模具壓力中心是指沖壓時各個沖壓力合力的作用點。為了確保壓力機和模具正常工作，應(yīng)使沖模的壓力中心與壓力機滑塊的中心相重合或在模柄正投影范圍內(nèi)。否則沖模與壓力機滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生過大的磨損，加速模具導(dǎo)向零件磨損，降低模具和壓力機的使用

壽命[2]。

本次模具壓力中心是根據(jù)排樣圖，以工位3大圓圓心為坐標(biāo)原點，通過合力矩定理計算出沖孔、落料包括側(cè)刃的壓力中心位置。

圖7　壓力中心Fig.7　Pressure center schematic

壓力中心的具體位置在圖7所示的工位3大圓φ38的圓心向上3.4 mm、向右39.4 mm處，可近似地取在工位2的圓心處，這樣就將模柄位置設(shè)置在上模對應(yīng)中心位置。

4.4　刃口尺寸計算

查表軟鋁，τ=98 MPa，t=2 mm，Z=0.1～

0.14?？紤]到工作零件的磨損，凸模與凹模的初始間隙一般取小值。

沖壓件零件圖未注尺寸公差為IT14級。根據(jù)入體原則，沖孔尺寸φ3.1+0.3，φ22+0.52， 所對應(yīng)的沖孔凸模尺寸

落料尺寸φ38-0.62所對應(yīng)的落料凹模尺寸

DA=(38-0.5×0.62)+0.03

4.5　確定凹模外形尺寸，選擇標(biāo)準(zhǔn)模架

根據(jù)文獻[4]，計算出凹模外形尺寸如下：

厚度H=Kb1=0.42×46≈19 mm

寬度B=b1+48×2= 46+96≈142 mm

長度L=119+48×2≈215 mm

為了縮短模具的制造周期，根據(jù)上述計算結(jié)果，可選用標(biāo)準(zhǔn)凹模板250×160×28 mm，并據(jù)此選用標(biāo)準(zhǔn)模架：Ⅰ級精度的滑動導(dǎo)向?qū)菍?dǎo)柱標(biāo)準(zhǔn)模架 250×160×(220～265)mm。

凹模主要視圖如圖8所示。

圖8　凹模主要視圖Fig.8　Cavity plate diagram

5校核壓力機

(1)查閱所選壓力機參數(shù)，得

壓力機最大閉合高度Hmax=360 mm

壓力機最小閉合高度Hmin=280 mm

壓力機工作臺面尺寸為 480 mm×710 mm(前后×左右)

所適應(yīng)的模具參數(shù)為

285 mm≤模具高度≤350 mm，模具長度≤610 mm，模具寬度≤380 mm

(2)所選模架的主要參數(shù)為

220 mm≤模架高度≤265 mm，模架長度=410 mm，模架寬度=320 mm

經(jīng)校核發(fā)現(xiàn)，所選標(biāo)準(zhǔn)模架的前后與左右尺寸均滿足機床要求，但閉合高度不足，須在機床上增加墊板，以滿足機床閉合高度的要求。

6模具裝配圖

由上可得模具結(jié)構(gòu)圖(省略導(dǎo)柱與導(dǎo)套)如圖9所示，凸模Ⅰ、凸模Ⅱ、凸模Ⅲ與凸模固定板采用過渡配合。

7結(jié)束語

級進模具有沖壓生產(chǎn)效率高、操作安全簡單、壽命長以及產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低等特點，在沖壓生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。對于形狀與尺寸精

度要求較高的沖壓件在用級進模進行生產(chǎn)時，可利用產(chǎn)品中的原有孔，或增加工藝孔，采用導(dǎo)正銷定位，但這會增加模具制造的復(fù)雜度。若級進模

的工位較多時，也可采取雙側(cè)刃定距，如此增加了定位的準(zhǔn)確性，也能提高材料的利用率。

參考文獻：

[1]張幼民.防松墊片沖孔落料級進模設(shè)計[J].金屬加工(冷加工),2013(11):59-61.

[2]楊關(guān)全，匡余華.冷沖壓工藝與模具設(shè)計[M].大連：大連理工大學(xué)出版社,2009.

[3]王孝培.沖壓手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社,2000.

[4]楊關(guān)全，匡余華.冷沖模設(shè)計資料與指導(dǎo)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社,2012.

(責(zé)任編輯：李華云)

Seals Progressive Die Design

WANG Jing

(Department of Mechatronic Engineering, JiangHai Polytechnic College, Yangzhou Jiangsu225101, China)

Abstract：Progressive die, also known as continuous die or jump die，refers to press die that can successively complete several process in different station during a trip of puncher，Progressive die accounts for 72% of stamping die. In this paper, stamping is the seal ring of pressure vessel. Usually such parts are made by compound dies. But this time, due to the size of the stampings, they are planed to be made by progressive dies. This article focuses on the design of layout simultaneously.

Keywords：Progressive die; layout; center of pressure; cavity plate; standard stand

作者簡介：王靜(1969-)，女，江蘇揚州人，工程師,主要研究方向為工裝、模具設(shè)計與制造。

收稿日期：2015-01-20

中圖分類號：TG241

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-5322(2015)02-0020-06

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201502004