陳穎櫻

1 引言

沖壓工藝近年來有許多的新發(fā)展，精密沖壓件使用越來越廣泛的，由平板精沖件延伸到精密的彎曲，拉伸和三維精密成形等。另外，探究極限及成形性能，發(fā)展沖壓件成形難度的分析預(yù)告技術(shù)，都標志著我國的沖壓成形技術(shù)已從以前的經(jīng)驗階段，嘗試分析階段入手走上科學(xué)的沖壓指導(dǎo)階段。為了適應(yīng)零件的大批量生產(chǎn)并且保證其高質(zhì)量，各種自動送料，卸料機構(gòu)被普遍使用在各種各樣模具或者設(shè)備上面。在生產(chǎn)大批量的中、小沖壓件方面，現(xiàn)已普泛使用高速壓力機，多工位級進?；蚨喙の粔毫C。

隨著中國工業(yè)的發(fā)展，工藝的復(fù)雜化、沖壓制件類型，我們發(fā)現(xiàn)，以往的手工已逐步由自動送料取代。因為手動送料效率比較低，而且速度比較慢，特別是安全方面是要特別注意的。因此只有采取自動送料裝置可以很好提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量。沖壓生產(chǎn)的自動化主要的是包括沖裁料傳送、零件或者廢料從模具中排出凸模，凹模的更換，還得調(diào)整沖床當(dāng)機器遇到緊急情況時會進行監(jiān)測，只有這些技術(shù)應(yīng)用到模具加工過程的每個環(huán)節(jié)，才是實現(xiàn)模具生產(chǎn)的自動化。自動送料機是關(guān)鍵的部分，沒有自動送料機如何達成自動送料裝置的工作原理是將材料按照步距一個一個傳送，然后送到指定地點完成在該位置的工作。例如：沖孔，彎曲等等。在級進模設(shè)計中，有多種送料裝置：輥式的、夾持式等。

2 工藝分析

2.1 零件介紹

2.1.1 托架零件

托架零件是一個尺寸較小的零件，見圖1所示。依據(jù)零件圖上標注的尺寸大小，以及零件的精度要求，選用的是IT10級的精度，一般而言普通沖裁完全可以沖出來。零件材料Q235鋼，因為綜合性能較好，，塑形性能較好，強度性能較好，而且含碳適中，用途很是普遍。并且零件形狀比較簡單，翻孔多，彎曲部分形成較小，普通的彎曲難以實現(xiàn)。

圖1 托架零件

1mm厚度的材料零件，要求大量生產(chǎn)。從托架零件圖中分析其零件結(jié)構(gòu)，該零件展開圖是一個類似于"T"字形零件，中間有兩個圓孔和一個翻孔，外加一個彎曲，由于帶有翻孔，排樣的時候要特別注意翻孔部分，防止卡死在模具里以及最后材料如何脫離模具，如圖2所示。

圖2 托架展開圖

2.1.2 托架零件3D造型

托架零件通過UG進行三維造型，如圖3所示。零件彎曲的部分具體視圖，如圖4所示。

圖3 托架三維圖

圖4 托架彎曲部分視圖

綜合考慮，要完成該零件的生產(chǎn)預(yù)計需通過多次沖裁、落料、彎曲和切邊等工序。為提高生產(chǎn)效率，本文將采用多工位級進沖壓工藝生產(chǎn)零件。

2.2 工藝分析及工藝方案的確定

2.2.1 工藝分析

沖裁工藝性：零件原料為Q235鋼，力學(xué)性能良好，厚度1mm材料屬于薄膜材料。沖壓部分包括孔部分和外部剩余材料，沖壓性能好，尺寸精度低。

彎曲的工藝性：彎曲半徑、孔邊距等會影響彎曲件的工藝性。零件彎曲的部分左右一致，確保彎曲板的物料平衡，防止偏移量的產(chǎn)生。同時Q235材料的力學(xué)性能較好，彎曲工藝性好。

翻孔的工藝性：影響翻孔件的主要原因有翻孔的角度，半徑，徑向力等必須先預(yù)沖孔，同樣材料性能要良好。

綜合考慮，該零件主要可以分為四個工藝:(1)沖孔；(2)翻孔；(3)落料；(4)彎曲。各個工藝其實還是有點難度，第一個沖孔工藝主要是沖一些圓孔，例如：零件上的兩個孔，導(dǎo)正銷孔，翻孔用的預(yù)沖孔和八個沖裁孔；第二個翻孔那個工藝中對于材料的要求較低，此外零件對落料工藝的要求比較低料孔容易與鑲塊相干涉；最后一個彎曲工藝,因為是對稱的要考慮他的回彈，是否容易卡住所以需要設(shè)計推桿

2.2.2 工藝方案的確定

上述過程的全面分析，制定以下方案：

方案一：采用單工序模；

方案二：復(fù)合模；

方案三：采用級進模。

表1 各類模具結(jié)構(gòu)及特點比較

該零件形狀簡單，但需通過多次沖裁、彎曲、翻孔等工序才能完成，并且還要求大批量生產(chǎn)，所以不能采用單工序模；復(fù)合模雖然生產(chǎn)效率高，但帶有彎曲，并且彎曲半徑較小需整形等，所以不用復(fù)合模；級進模可減少模具和設(shè)備的數(shù)量，自動送料，生產(chǎn)效率高，更好的安全性和材料的厚度小，在大批量生產(chǎn)中效果很好，所以它可以用在級進模設(shè)計。

2.3 壓力中心的確定

壓力中心是指沖壓力合力的作用點。為了能使沖模能安全的加工沖裁，沖模的壓力中心應(yīng)該和模柄中心重合，以及和壓力機的滑塊中心線相重合，這樣很好的減少導(dǎo)向零件的損耗，提高模具和壓力機的使用壽命，避免壓力機導(dǎo)軌的磨損及壓力機的精度。

x0=(L1x1+L2x2+L3x3+…+Lnxn)/(L1+L2+L3+…Ln)

(2.6)

y0=(L1x1+L2x2+L3x3+…+Lnxn)/(L1+L2+L3+…Ln)

(2.7)

式中

x、y——坐標數(shù)值，

L——工件的輪廓。

因此可以計算出：

x0=175mm；

y0=101mm

對模具中心 (175mm,101mm),通過沖壓力的平衡我們可知：在排樣時沖壓加工的壓力中心應(yīng)與模具中心盡可能一致，當(dāng)然最好在同一點上。但實際情況中是不完全吻合，往往有一點點偏差。

因此，沖模壓力中心滿足設(shè)計要求。

3 排樣圖的設(shè)計

在進行級進模設(shè)計時，排樣圖的設(shè)計是級進模設(shè)計時的一個重要依據(jù)。在某方面說派楊圖設(shè)計的好壞直接影響著整體的設(shè)計，假如排樣圖的設(shè)計是錯誤的的，零件將無法加工出來甚至損壞機器。排樣圖一旦確定，也就確定了被沖制零件各部分在模具中的沖裁順序、模具有多少個工位、零件的排樣方式、模具的步距的大小、載體形式的設(shè)計形式等一系列問題。

3.1 零件毛坯排樣

(1)由于零件的翻孔和彎曲，故排出這樣對稱的排樣方案如圖5所示：

圖5 零件排樣圖

從托架形狀可以看出，此零件一邊只需要一次彎曲，并且需要對稱排，所以考慮級進成形，但是這樣排樣方式材料利用率不是很高，并且由于工件的彎曲和翻孔不方便自動送料機送料，所以考慮翻孔的一邊朝上，因為此種方式適用于工位較少有彎曲有翻孔的零件，同時對稱排可以同時出兩個零件，因此排樣方式可以采用。

(2)考慮零件的側(cè)排方式，如圖6所示。

圖6 零件排樣圖

該排樣雖然可以得到很高的材料利用率，由零件形狀可以看出，此零件則變?yōu)榱嗽趥?cè)邊彎曲的零件，考慮到我們需要級進模成形，但是此排樣相對上面的對稱排利用率還是低同樣生產(chǎn)兩件零件不僅耗時而且耗材料。

通過上述兩種排樣的比較，發(fā)現(xiàn)第一種排樣更具有優(yōu)勢，并且設(shè)計思路簡單。

3.2 工位排樣

多工位級進模設(shè)計的關(guān)鍵是多工位級進模的工序排樣設(shè)計，它是決定級進模優(yōu)劣的主要因素之一。根據(jù)以上的分析零件的要求和工藝特點,設(shè)計多工位級進模工序排樣方案。如圖7所示：

圖7 工位二維排樣圖

其具體工位設(shè)定如下：

工位1 沖孔翻孔預(yù)沖孔沖導(dǎo)正孔

工位2 翻孔

工位3 沖異形孔

工位4 沖方形孔

工位5 切邊

工位6 切邊2

工位7 彎曲

工位8 切斷

圖8 工位三維排樣圖

3.3 排樣相關(guān)參數(shù)的確定

3.3.1 步距

步距是沖壓過程種條料每沖裁一次，條料在模具上向前送進的距離，其值舊市排樣是沿進給方向的兩個相鄰的空白之間的最小距離值。

S=L+a

(3.1)

式中

S——沖裁的步距；

L——沿著條料送進方向，毛坯的最大外形尺寸；

a——沿著送進方向的搭邊值；

由于此排樣的特殊性，零件的材料得到有效的利用，L并不是零件的最大值，為計算方便，理想的整數(shù)，這一步是確定為：L= 22mm，a= 4mm，得到：S=L+a= 26mm，其中：S取整，S=26mm。

3.3.2 條料寬度

條料寬度指根據(jù)排樣的結(jié)果確定的毛坯所需條料的寬度方向的最小尺寸。根據(jù)參考文獻[12]公式，條料寬度可按下式計算：

B=D+2b+δ

(3.2)

式中

B——條料寬度的理論值

D——垂直于送料方向毛坯的最大輪廓尺寸，它隨毛坯排樣的方位變化

b——側(cè)搭邊值

δ——條料與板料之間的間隙

該零件條料寬度的確定：

B=27.5 + 2×4.65 + 3.2=40mm

3.3.3 定距方式

級進模的定距方式有好多種，例如：側(cè)刃定距、定位釘定距、導(dǎo)正釘定距和送料機構(gòu)定距等四種，適用于不同的場合，同樣它們也可以單獨使用，它們也可以互相配合著使用,當(dāng)然相互配合使用會更好。根據(jù)前面我們對該工件的成型工藝分析，由于工序較少，故此在本模具中采用自動送料機構(gòu)和導(dǎo)正銷作精定距，可以滿足在高速沖床上連續(xù)自動作業(yè)。

3.3.4 材料利用率

材料的利用率是指沖裁件的實際面積與所用板料面積的百分比，它是評價是否合理利用材料的重要指標之一。

材料的利用率根據(jù)參考文獻[12]公式可知

η=A/(BS)×100%

(3.3)

式中

η——材料的利用率

A——產(chǎn)品的外形面積

B——條料的寬度

S——沖裁的步距

該零件材料利用率為：η=43.4%

4 模具總體結(jié)構(gòu)

托架級進模具裝配圖如圖所示：

1-下模座 2-螺釘 3-銷釘 4-墊板 5-凹模固定板 6-承料板7-導(dǎo)料板 8-螺釘 9-卸料板 10-卸料板背12-凸模固定板13-墊板、14-上模座 15、16、17、18、20、21、22、25、-凸模19-導(dǎo)正銷 23-模柄24-止轉(zhuǎn)銷 25-螺釘27、31、32、33、34、35、36、37、38、47、46-凹模鑲塊 28-浮頂器 29-彈簧 30-螺塞39-導(dǎo)套 40-小導(dǎo)柱41-彎曲凸模 42-卸料螺釘 43-彈簧44-銷釘45-螺釘46-導(dǎo)柱47-彈簧

圖9 模具總裝圖

4.1 模具結(jié)構(gòu)

該模具是一套九工位的級進模(圖9)，閉合高度為231mm，模具長400mm，寬125mm，步距26mm。模具通過自動送料裝置定位，導(dǎo)正銷精定位，利用18個浮頂器完成送料，完成沖孔、翻孔、彎曲、落料等一系列工序。模具采用剛性滾動四導(dǎo)柱鋼板模架，模板內(nèi)裝四個小導(dǎo)柱作為內(nèi)導(dǎo)向。凸模固定板12用于安裝所有彎曲凸模、沖孔落料凸模；凹模固定板4用于安裝所有彎曲凹模鑲塊、沖孔落料凹模鑲塊等；卸料板9與凸模固定板12之間用小導(dǎo)柱進行導(dǎo)向；模具采用彈性卸料提供卸料力。

4.2 模具工作過程

該設(shè)計的是一個沖裁翻孔彎曲多工位級進模，模具的工作原理闡述如下：合模時，條料從左到右送進后借助導(dǎo)料板進首次定位,在第一個工位進行沖孔，沖出兩遍導(dǎo)正孔。第二個工位進行沖裁圓孔和翻孔預(yù)沖孔。第三個工位為翻孔，從第四工位開始主要是外形余料的沖切，如一些異形槽，異形孔，這一些部分對凸凹模的尺寸要求都比較嚴格，同時對定位的要求也比較高，可以依靠兩邊定位銷來定位。第八個工位是彎曲，彎曲是90°的彎曲角，但由于彎曲容易卡住，所以我設(shè)計了一個推桿，保證彎曲和送料的順利進行。最后一工位沖裁將產(chǎn)品頂出落料。之后在彈簧力的作用下使零件分離，特別是兩次斜楔機構(gòu)彎曲，為了方便斜楔機構(gòu)和凸凹模的安裝，在前后都留有空工位。隨著上模的下行，凹模板抵住卸料板，這時卸料板起來壓料作用，凸模逐漸進入凹模，同時，沖裁、彎曲等各工序同時完成，模具閉合時沖裁工位上板料分離，由下模座上的孔直接落下。開模時，模具的下模移動，保持原位，彈性卸料板在彈簧力的作用下，順利返回。同時，卸料板將卡住的工件從凸模往下推出。彈性卸料板上升浮動至工件成形的最大高度12mm，卸料螺釘將局限其不斷的上行。下模座中抬料部分的彈簧在上模上行過成形最大高度時彈簧都恢復(fù)其預(yù)壓縮的高度，抬料釘處于最高位置，成形部位所有都頂出。而上模繼續(xù)向上頂時，開模行程終了。

4.3 卸料機構(gòu)

在工件平直度較高，厚度為1mm較薄，卸料力小，彈簧脫模卸模比剛性更方便，可以看見條料在模具中的送進動態(tài)，且彈性卸料板對工件施加的是柔性力，工件表面不會損傷，所以使用彈性卸載。該模具的設(shè)計中卸料方式采用的是彈性卸料。卸料板與彈性卸料板各加工形孔應(yīng)當(dāng)與凹模形孔同心。這個要求應(yīng)該從模具設(shè)計和工藝保證。另外，卸料板的各形孔與對應(yīng)凸模的配合間隙比對應(yīng)凸模與固定板的間隙小，從而引導(dǎo)和保護沖床，但差距較小，導(dǎo)向效果越高，模具的壽命相對較高，但相應(yīng)的制造難度較大?，F(xiàn)在模具的加工技術(shù)發(fā)展的也很快，可以用線切割加工其實就完全可以達到我們所要求的。

圖10 卸料板

5 結(jié)論

某托架沖壓模具設(shè)計及改進包含有整形、沖孔、落料、彎曲等工位的級進模。在設(shè)計過程中，沖裁部分應(yīng)盡量遵循由小向大，由中間到兩邊的沖裁順序；托架的外形比較復(fù)雜，而且零件小而薄，經(jīng)過多次沖裁，將復(fù)雜的外形劃分成相對比較簡單的形狀，這樣關(guān)鍵解決了凸模設(shè)計的強度問題，也提高的模具的互換性。