馮曉杰

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512199）

0 引言

家用電器的鈑金件壁厚一般在1.0 mm以下，設(shè)計成形1.0 mm壁厚制件的模具時，其使用壽命一般要達到30萬沖次以上，凸、凹模材料一般選用Cr12MoV，熱處理硬度為58～60 HRC。但對于壁厚較厚的制件，模具結(jié)構(gòu)、模具零件材料及硬度與成形1.0 mm以下的制件都不同，特別是沖孔、落料等工序的凸、凹模，由于壓力機施加在模具上的力較大，模具在工作過程中所受的振動也較大，模具零件容易出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。在設(shè)計制件壁厚為3 mm以上的沖模時，為了使模具的使用壽命達到30萬沖次以上，凸、凹模一般選用DC53，熱處理硬度為60～62 HRC?，F(xiàn)以某電熱水器掛板為例，介紹壁厚較厚的沖模結(jié)構(gòu)。

1 制件結(jié)構(gòu)分析

電熱水器掛板結(jié)構(gòu)簡單，外形尺寸為205mm ×48mm ×19 mm，材料為 SPCC，壁厚為 3 mm。制件表面為異形曲面，分為2個區(qū)域，一個是平臺區(qū)域，一個是圓弧形曲面區(qū)域；制件有1個方形的通孔和2個橢圓形的通孔，如圖1所示。利用沖模成形該制件時，壓力機滑塊對模具的沖擊較大，模具的凸、凹模容易爆裂，如何防止模具零件爆裂是設(shè)計的重點。

圖1 制件結(jié)構(gòu)

2 排樣設(shè)計

如果采用單工序模成形該制件，需要落料、預(yù)成形、成形、拉深、沖孔、修邊等至少6副模具，工序多，流程復(fù)雜，不利于大批量生產(chǎn)；如果采用級進模成形該制件，能提高生產(chǎn)效率。制件上有2個區(qū)別明顯的特征，由于鈑金材料具有回彈的特性，不能一次成形制件的形狀，應(yīng)將其成形部分分為預(yù)成形、成形與拉深3個工序，其中預(yù)成形與成形工序是成形圓弧狀曲面，拉深工序是成形制件的平臺，制件成形共分為11道工序，如圖2所示。

圖2 排樣設(shè)計

工序1主要是在條料的兩邊沖出2個直徑為φ6 mm的定位孔及切斷，2個定位孔在毛坯輪廓以外的區(qū)域，作用是對條料進行定位，防止在送料過程中條料偏移，當(dāng)沖壓結(jié)束時，定位孔部位隨廢料一起進入廢料收集框中，切斷按照落料模的要求設(shè)計，防止材料在成形時發(fā)生塑性變形，引發(fā)周圍的材料向成形位置靠攏導(dǎo)致條料發(fā)生變形；工序2空工位；工序3由于材料厚度較厚，具有回彈特性，無法一次成形，先對條料進行預(yù)成形，成形制件的初步形狀，以便后續(xù)的成形工序?qū)Υ尚沃萍M行成形及定形；工序4空工位；工序5在預(yù)成形的基礎(chǔ)上成形待成形制件的曲面形狀；工序6空工位；工序7拉深待成形制件上的臺階，由于制件的厚度為3 mm，在成形與拉深工序中材料會變薄，變形較大，應(yīng)將拉深工序與成形工序分開，并且拉深工序的凸模形狀與成形制件內(nèi)表面形狀一致，在拉深時，由凸模壓住待成形制件，防止成形制件時變形；工序8空工位；工序9在成形工序中，材料會發(fā)生塑性變形，應(yīng)將沖孔工序安排在成形、拉深工序后，在沖孔工序中，壓料板的形狀應(yīng)與制件內(nèi)表面形狀一致，沖孔時，由壓料板再次對成形制件進行壓形；工序10將制件與條料分開；工序11廢料切斷后滑入廢料收集框中。上述工序中，工序1、9、10的凸模所用材料為DC53，熱處理硬度為60～62 HRC，其余工序的凸模所用材料為Cr12MoV，熱處理硬度為58～60 HRC，所有工序的凹模共用一塊模板，凹模板的材料為DC53，厚度＞50 mm。

3 關(guān)鍵工序分析

3.1 確定步距

級進模中確定不同工序之間的步距很關(guān)鍵，步距太長浪費材料，步距太短無法成形。該制件的形狀不規(guī)則，難以根據(jù)制件的形狀計算毛坯尺寸，導(dǎo)致步距也難確定。解決方法是通過多次試模獲得制件落料的精確尺寸：首先評估落料尺寸，接著用線切割得到毛坯件，之后用成形模對落料進行驗證，根據(jù)試模的結(jié)果修正落料的尺寸。為了防止成形制件起皺，將預(yù)成形、成形與拉深3個工序視為帶壓邊圈沖壓，落料尺寸需要適當(dāng)放大，在落料輪廓的基礎(chǔ)上單邊放大11 mm作為壓邊料，即合理的落料尺寸為225 mm×78 mm，如圖3所示，取搭邊料的寬度為4 mm，則設(shè)計級進模的步距為78+4=82 mm。

圖3 落料尺寸

3.2 切斷工序端面設(shè)計

制件成形時材料會發(fā)生塑性變形，即材料會向制件中心靠攏，為了不影響材料的平整性，必須按落料尺寸將材料切斷。由于材料較厚，沖裁力較大，沖裁力的計算公式為：

其中，F(xiàn)c為沖裁力，N；L為沖裁件輪廓長度，mm；t為材料厚度，mm；τb為材料抗剪強度，MPa。

落料工序零件輪廓長度約為606 mm，取材料的抗剪強度為300 MPa，如果將切斷工序的凸模端面設(shè)計成平面形狀，一次性將材料切斷，則沖裁力為：

凸模切入材料的瞬間，凸、凹模刃口受到545.4 kN的沖裁力，在材料被切斷的瞬間，該沖裁力消失，巨大的沖裁力出現(xiàn)又消失，對模具零件造成較大的振動，導(dǎo)致模具的凸、凹模刃口容易爆裂。因此為了防止沖裁力的突然出現(xiàn)又消失，將凸模的端面設(shè)計成折線形狀，當(dāng)凸、凹模閉合時，可以使落料的輪廓逐漸切斷，沖裁力逐漸增加，隨著凸模繼續(xù)下降，沖裁力又逐漸減小，直到最后消失。切斷工序的凸模結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，該結(jié)構(gòu)可以減少壓力機滑塊對模具零件的沖擊，降低振動，防止凸、凹模發(fā)生爆裂。為了使落料時與條料不完全斷開，落料時與條料之間還需要保留4個相連的位置，相連的寬度約為1～2 mm。在切斷工序的凹模上開設(shè)4條小槽，如圖4（b）所示，落料時小槽的位置與條料相連。

圖4 切斷工序模具零件

落料工序的工作過程：當(dāng)上模向下移動時，凸模的最高點首先接觸條料，然后與凹模一起將條料切斷，上模繼續(xù)向下移動，條料依次被撕裂，當(dāng)只剩下連接位置沒有切斷時，凸模停止向下移動，隨后向上移動。凸模離開凹模后，條料的4個連接位置將落料件抬起，向上移動與凹模脫離，之后條料向前移動一個步距，開始下一次沖壓。

3.3 切斷凹模結(jié)構(gòu)組件設(shè)計

為了達到模具30萬沖次的使用壽命要求，防止凸、凹模在成形過程中出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，在切斷工序中應(yīng)將凹模刃口邊緣與凹模鑲件外沿輪廓的距離設(shè)計為80 mm以上，凹模厚度設(shè)計為50 mm以上。為了防止切斷后的材料卡在凹模中，在凹模中設(shè)計推板、彈簧與限位桿，由彈簧和推板將材料推出，切斷工序的凹模結(jié)構(gòu)組件如圖5所示。模具的步距為82 mm，為了不影響模具零件的強度，將凹模板設(shè)計為整體式，不再設(shè)置凹模鑲件，對于成形工序，凹模應(yīng)采用同樣的結(jié)構(gòu)。

圖5 切斷工序凹模結(jié)構(gòu)組件

3.4 成形工序設(shè)計

制件上的圓弧形曲面形狀簡單，由于制件的厚度為3 mm，材料的回彈較大，一次成形困難，雖然成形的高度只有19 mm，但為了保證成形的制件形狀穩(wěn)定，防止回彈，將成形工序分為兩步，預(yù)成形工序和成形工序。在工序7拉深制件上的平臺時，還應(yīng)將拉深凸模設(shè)計成待成形制件內(nèi)表面的形狀，由拉深工序的凸模再一次對制件進行壓形。在工序9對制件進行沖孔時，應(yīng)將壓料板設(shè)計成待成形制件內(nèi)表面的形狀，由壓料板再次對制件進行壓形，使制件的圓弧形曲面形狀進一步穩(wěn)定。因此制件上的圓弧形曲面可以視為由4個工序先后壓形而成，經(jīng)過4次壓形后，成形制件表面的形狀趨于穩(wěn)定。

4 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

模具結(jié)構(gòu)如圖6所示。模具工作過程：條料5沿進料機構(gòu)和抬料銷進入模具中，到達沖孔切邊位置后，由切邊零件對條料進行裁剪，裁剪落料件的同時沖工藝孔。條料繼續(xù)送進到預(yù)成形工位，在預(yù)成形零件的作用下進行預(yù)成形，條料繼續(xù)送進到成形工位將其進行形狀的成形。條料繼續(xù)送進到成形臺階的工位，在成形臺階零件的作用下進行臺階成形，進入沖孔工位對條料進行沖孔，最后進入落料和切斷工位，將成形制件從條料上分離。

圖6 模具結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

設(shè)計成形壁厚較厚的制件沖模時應(yīng)與壁厚較薄的模具結(jié)構(gòu)不同，不同形狀的制件，其模具結(jié)構(gòu)也應(yīng)不同，在成形電熱水器掛板的模具設(shè)計中，為了防止模具零件爆裂，采用4個關(guān)鍵的模具零件結(jié)構(gòu)設(shè)計，該模具的開發(fā)對于壁厚較厚的制件成形具有一定的借鑒作用。