陳樸

摘 要：介紹了摩托車燃油箱加注口的沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)，分析了工件的具體設(shè)計(jì)流程，計(jì)算了相關(guān)工藝中的參數(shù)，完成了模具主體以及各主要零部件的設(shè)計(jì)工作，并進(jìn)一步完善了部分細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞：沖壓工藝；模具設(shè)計(jì)；摩托車；沖壓工藝

中圖分類號(hào)：TG76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.010

近年來，沖壓技術(shù)越來越流行，密切關(guān)系著整個(gè)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。隨著沖壓工藝水平的逐漸提升和沖壓設(shè)備質(zhì)量的不斷提高，沖壓工藝中精密技術(shù)的水平也越來越高。多級(jí)自動(dòng)沖壓工藝，比如液壓成形、超塑成形等得到了快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，各種原材料的獲取較為容易，且多數(shù)模具使用的材料符合沖壓要求，加之各種處理技術(shù)不斷完善、沖壓設(shè)備質(zhì)量不斷提高，從而延長了模具的使用壽命。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)技術(shù)的要求在不斷提高，沖壓模具、沖壓設(shè)備也將占據(jù)更重要的地位。

1 工件工藝分析

工件的外形部分為圓筒，注油口的尺寸為54 mm。注油口的工藝要求非常高——不僅要求高精度，還要具有較高的光潔度。沖壓工藝的優(yōu)點(diǎn)較多，比如能提高生產(chǎn)質(zhì)量、保證工件工作時(shí)的穩(wěn)定性、降低整體工件的生產(chǎn)成本等。因此，采用該工藝能沖壓外形較為復(fù)雜的工件。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車制造、輕工業(yè)、國防、電器、家電和日用品等領(lǐng)域。從上述分析不難看出，注油口需要經(jīng)過落料、拉伸、預(yù)制沖孔、翻邊和修邊沖孔加工等工序，但其需要多次拉伸。因此，應(yīng)預(yù)先模擬沖孔設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是對(duì)翻邊相關(guān)參數(shù)的計(jì)算和沖側(cè)孔的布局。本次設(shè)計(jì)的精度要求不高，只要能滿足預(yù)定條件即可。

2 工件沖壓工藝

工件沖壓工藝主要分為2步：①計(jì)算毛坯尺寸，并在翻邊前記錄未完成工件的外形和體積。沖孔為54 mm，工件的制作不能完全依靠翻邊，還需要依靠拉伸來完成。②確定工藝方案。對(duì)于凸緣拉伸件，有很多處理辦法，比如工件拉伸后車去底部；工件拉伸后沖去底部；工件拉伸后預(yù)先沖孔，然后翻邊、拉伸，再?zèng)_孔，最后翻邊復(fù)合；工件落料、拉伸后沖孔復(fù)合，再翻邊。

上述工藝方案中，采用第一種方法能提高工件的制作質(zhì)量，但會(huì)降低生產(chǎn)效率，且在某些情況下，無法完全適應(yīng)沖壓條件；采用第二種方法需要增加塑型操作，但這樣無法保證工件質(zhì)量；采用第三種方案時(shí)涉及沖孔和翻邊，沖壓有一定的難度，有可能導(dǎo)致沖壓厚度不足，進(jìn)而導(dǎo)致工件強(qiáng)度較低；而采用第四種方案能有效彌補(bǔ)前三種方案的缺陷。此外，在具體沖壓過程中，翻邊工序的不同會(huì)導(dǎo)致工件的質(zhì)量不同，因此，第四種方案為本次設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。

3 復(fù)合模的設(shè)計(jì)和計(jì)算

3.1 各工序壓力的計(jì)算和壓力機(jī)的選定

式（6）中：K2為；n為同時(shí)卡在凹模里的廢料片數(shù)，設(shè)凹模直筒口徑高度h為4 mm，則n=h/t=4/0.5=8.

由于上述計(jì)算中選用的是彈性卸料結(jié)構(gòu)，所以，總壓力F總為各力的總和，其中包括卸料力。因此，F(xiàn)總=P1+ P2 + P4 +F沖+F推≈243 kN。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，安全系數(shù)取0.7，并選擇250 kN的開式壓力機(jī)。

3.2 確定相關(guān)工序中的水平高度

水平高度L為H1到H4的和。其中，H1為凸模固定板的高度，一般占到總高的40%，即30 mm；H2為卸載版的高度，一般設(shè)為12 mm；H3為導(dǎo)料板厚度，取4 mm；H4為附加長度，包括修模余量和安全長度，取28 mm。因此，L= 74 mm，即凹凸模的長度為74 mm。但該數(shù)值并不是最終長度，還需要經(jīng)過多次優(yōu)化后選定最終長度。

3.3 相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算

凹模弧度h的計(jì)算公式為：

h=K×b. （7）

凹模壁厚c的計(jì)算公式為：

c=1.5-2h. （8）

式（7）（8）中：K為固定系數(shù)，如果零件較為復(fù)雜，則取大值，反之則取小值；b為沖裁件的最大外形尺寸。

通過綜合計(jì)算得知，h為18.3 mm，c為41 mm。

3.4 模具選型和相關(guān)結(jié)構(gòu)的選擇

本次方案采用復(fù)合模的特點(diǎn)，在實(shí)際沖壓過程中能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的深度。其零件采用淺拉邊緣式加工，屬于落料、拉深、沖孔相互結(jié)合的復(fù)雜加工方式，落料、沖孔時(shí)使用正裝式，拉深時(shí)使用倒裝式；模具下方采用壓圈和頂件工序，并設(shè)置有推送器具。上述加工方式的好處在于整個(gè)零件的留出速度非常快、生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)化，適合在拉深深度淺、加工工藝要求不高的加工中采用。

設(shè)計(jì)上模時(shí)，為了保證零件底部不出問題，且零件不與其他影響因素相關(guān)聯(lián)，本設(shè)計(jì)采用了連接推桿專用工具來實(shí)現(xiàn)工件的進(jìn)出。在該程序中，拉深深度為12 mm，工件厚度為1 mm，因此，在實(shí)際裝載過程中優(yōu)先采用彈性裝置。此外，在模具下方裝有氣墊裝置，作用是使頂桿保持運(yùn)動(dòng)，從而確保壓邊圈的其他作用能正常發(fā)揮。比如，頂件、模上剛性壓件，以及一些輔助性、剛性的卸料板，可保證整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)嚴(yán)密。

在本次設(shè)計(jì)中，缺陷之一是由于拉深件可能卡在剛性卸板料中不易進(jìn)出，有時(shí)需要人為操作解決，進(jìn)而導(dǎo)致效率降低，因此，需要調(diào)整拉桿長度。在實(shí)際操作過程中，只要保證氣墊的氣壓充足，則可消除上述缺陷。此外，本次模架的選用綜合了其他模架的操作特點(diǎn)，選用了后側(cè)布置導(dǎo)柱的方式。

3.5 模具壓力中心分析

在制件過程中，經(jīng)過加工后的凹凸模比較規(guī)整，因此，整個(gè)工件的中心就是模具壓力的中心。本次設(shè)計(jì)中，建立標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系非常重要，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)在模具壓力的中心點(diǎn)上。

4 對(duì)翻邊模的設(shè)計(jì)和計(jì)算

4.1 翻邊力、頂件力的計(jì)算和壓力機(jī)的選定

計(jì)算翻邊力F翻的計(jì)算公式為：

F翻=1.1πt（D-d0）σs=17 601 N. （9）

頂件力設(shè)定為翻邊力的10%，則：

F頂=F翻/10=1 760 N. （10）

根據(jù)上述計(jì)算可知，總壓力F總的值為各個(gè)力的和，即F總= F頂+F翻≈20 kN。根據(jù)本次設(shè)計(jì)中的多種影響因素，安全系統(tǒng)選為0.8，并選擇160 kN的壓力機(jī)。

4.2 模具類型的選定和模具外形的設(shè)計(jì)

本次加工的主要工序是模具的翻邊處理，翻邊的垂直距離為10 mm，翻邊難度較大、精度較高。本次翻邊凹模被配置在模座上方，拉伸后的帶凸緣筒形件被裝配在翻邊凹模旁邊，并利用螺釘和銷釘將二者固定在模座上。在卸料時(shí)，推件桿可將胚料從翻邊的凹模中推出，這種方式非常快捷、方便。

翻邊凸模被裝在下模座上。在卸料時(shí)，壓邊圈與限位螺釘共同作用，且壓邊圈能通過拉桿將作用力送至指定位置。

4.3 對(duì)壓力中心分析

本次設(shè)計(jì)中模具的翻邊較為規(guī)整，模具的幾何中心就是壓力中心，設(shè)計(jì)中各個(gè)參數(shù)的設(shè)置和選定較為方便。

4.4 沖模閉合高度分析

在設(shè)計(jì)初步分析中，沖模的高度為172 mm，符合本次設(shè)計(jì)中壓力機(jī)閉合高度為144～215 mm的范圍要求。因此，初步選定的沖模高度值符合設(shè)計(jì)要求。

4.5 模座的選擇

本次模具上模座的規(guī)格為160 mm×160 mm×45 mm，下模座的規(guī)格為160 mm×160 mm×45 mm。

上模座具體的結(jié)構(gòu)尺寸為：L=160 mm，B=160 mm，t=45 mm，A2=195 mm，L1=170 mm，S=170 mm，A1=110 mm，R=42 mm，l2=80 mm，D（h7）=42 mm.

下模座具體的結(jié)構(gòu)尺寸為：L=160 mm，B=160 mm，t=45 mm，L1=170 mm，S=170 mm，A1=110 mm，A2=195 mm，l2=80 mm，R=42 mm，d（r7）=28 mm.

5 對(duì)垂直切邊模的選定

5.1 切邊力的計(jì)算和壓力機(jī)的選擇

切邊力F切的計(jì)算公式為：

F切= 1.3π×d×t×τb=110 009.9 N. （11）

廢料刀切斷廢料所需的力F1=4 550 N，因此，F(xiàn)總=F切+F1≈115 kN。

5.2 模具結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)

為了獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，在本次設(shè)計(jì)的最后環(huán)節(jié)進(jìn)行了模具的切割。在本次切割環(huán)節(jié)中，需要切下無用環(huán)裝材料，因此，采用廢料切刀切掉了環(huán)繞在模具周邊的廢料，這樣能減少卸料板的用量，從而使整個(gè)模具內(nèi)部簡(jiǎn)化，提高了加工效率，簡(jiǎn)化了加工流程。

6 結(jié)束語

經(jīng)過初步測(cè)試，本次設(shè)計(jì)中生產(chǎn)的模具可用于機(jī)床生產(chǎn)加工，且可保證各個(gè)零件的質(zhì)量和外表光滑度。實(shí)踐證明，采用本設(shè)計(jì)不僅減少了材料的浪費(fèi)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，還進(jìn)一步促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提高。

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〔編輯：張思楠〕