高 欣 ，魏 穎 ，成亞寧 ，翟崇琳

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

近年來(lái)，高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)推動(dòng)了制造業(yè)的騰飛，模具作為制造業(yè)的重要基礎(chǔ)領(lǐng)域，被稱為“工業(yè)之母”，各種結(jié)構(gòu)件和內(nèi)飾件被高效率、大批量生產(chǎn)和應(yīng)用，沖壓模具市場(chǎng)需求巨大，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。本次設(shè)計(jì)的課題是金屬片沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)，材料為Q235，厚度為1.5 mm，要求大批量生產(chǎn)。工件圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)有明顯的Z形彎曲及3個(gè)橢圓形的孔，還有兩個(gè)加強(qiáng)筋。

圖1 工件圖

1 沖壓件工藝性分析

圖1所示的金屬片結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，整體為Z形彎曲，總高度為6 mm，寬度最大為40 mm，長(zhǎng)度為64 mm，展開(kāi)后的外形有1個(gè)長(zhǎng)度為58 mm、寬度為3 mm的缺口矩形，有3個(gè)寬度6 mm、半徑為3 mm的橢圓形孔，孔與孔之間的距離為40 mm，孔與邊緣之間的最小距離為4 mm。

沖裁件表面粗糙度查文獻(xiàn)[3]知，表面粗糙度Ra6.3 μm，所有尺寸公差取ST7級(jí)，適合進(jìn)行沖裁加工。

工件彎曲半徑為3 mm，查文獻(xiàn)[4]知，γmin=0.5t=0.75 mm，且r/t=2＜5，所以能一次彎曲成功并可以不考慮圓角半徑的回彈。其中，γmin為最小彎曲半徑，r/t為相對(duì)彎曲半徑，t為材料厚度。

金屬片中有2條寬度3 mm、長(zhǎng)度20.5 mm的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋主要作用是在不增加壁厚的情況下，增加零件的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)筋厚度應(yīng)小于壁厚，即取0.5 mm。

金屬片材料為Q235，查文獻(xiàn)[5]知，其抗拉強(qiáng)度為380 MPa～470 MPa，伸長(zhǎng)率為21%～25%，所以材料沖壓成形性能好。

綜上所述，該工件具有良好沖壓工藝性，適合沖壓加工。

2 沖裁工藝方案的確定

本課題金屬片由落料、沖孔、壓筋、彎曲四道工序組成，因此可以采用以下方案。

方案一：先落料，后沖孔，再?zèng)_制加強(qiáng)筋，最后進(jìn)行彎曲，采用單工序模生產(chǎn)。

方案二：落料沖孔復(fù)合沖壓，再進(jìn)行加強(qiáng)筋彎曲成形，兩副復(fù)合模生產(chǎn)。

方案三：按沖孔、加強(qiáng)筋、彎曲、落料順序沖壓，采用級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)。

若采用方案一，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但四副模具成本較高，生產(chǎn)效率低，不滿足效率要求；方案二模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)；方案三只有一副模具，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，同時(shí)滿足精度要求。通過(guò)以上分析，選用方案三比較合適。

3 工藝計(jì)算

3.1 排樣設(shè)計(jì)

工件長(zhǎng)度64 mm，寬度根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的方法計(jì)算，查文獻(xiàn)[3]可知在彎曲半徑為3 mm和2 mm的情況下，應(yīng)變中性層位移系數(shù)x分別為0.4和0.34，由文獻(xiàn)[3]中公式：ρ=(r+xt)，得ρ1=3.6，ρ2=2.5。α為3/4π，所以工件寬度：

即毛坯尺寸為64 mm×41.5 mm×1.5 mm，毛坯展開(kāi)圖如圖2所示。

圖2 毛坯展開(kāi)圖

為保證沖壓件精度和模具受力平衡，選用有廢料的直對(duì)排方式。條料寬度按文獻(xiàn)[3]中公式計(jì)算：

式中，ι為工件寬度，ι=41.5 mm；a為搭邊值，a=4 mm；e為條料與定位板之間的間隙，e=0.8 mm；代入公式得條料寬度為91.8-0.5mm。

步距為毛坯的長(zhǎng)度加上中間搭邊，即S=64 mm+4 mm=68 mm，排樣圖如圖3所示。

圖3 排樣圖

選用1 000 mm×2 000 mm的板料進(jìn)行縱裁，每條長(zhǎng)度為2 000 mm，一共可裁1 000/91.8=10.89條，取10條。每條可沖2 000/68×2=58.82個(gè)，取58個(gè)，毛坯展開(kāi)面積A=64 mm×41.5 mm=2 656 mm2。

查文獻(xiàn)[3]知，材料利用率計(jì)算公式：

式中，N為一塊板料上沖裁件的總個(gè)數(shù)，N=10×58=580個(gè)；A為毛坯展開(kāi)面積；L為板料長(zhǎng)度；B1為板料寬度。

3.2 工藝力計(jì)算及壓力中心確定

3.2.1 沖裁力、卸料力及推件力

查文獻(xiàn)[3]知，沖裁力：

式中，K為安全系數(shù)，取1.3；L1為沖裁件的周長(zhǎng)；t為材料厚度，t=1.5 mm；τ為材料抗剪強(qiáng)度，τ=350 MPa。

由文獻(xiàn)[3]知，卸料力系數(shù)和推件系數(shù)分別為0.045和0.055，卸料力和推件力為：

式中，n為卡在凹模洞口中的料的件數(shù)，n=h/t，h為凹模刃口高度，n=1.2。

3.2.2 彎曲力和壓筋力

本課題所設(shè)模具中彎曲部分采用校正彎曲，單位校正力q值為50 MPa，A1為校正面積，則彎曲力：

壓筋力：

式中，K為安全系數(shù)，取1.3；毛坯圖中筋輪廓長(zhǎng)度L2可以由AutoCAD軟件測(cè)得為355.5 mm；材料Q235抗拉強(qiáng)度σb取450 MPa；材料厚度t為1.5 mm。

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，總的沖壓力：

根據(jù)總的工藝力，初步選擇壓力機(jī)型號(hào)為J23-100。

3.2.3 壓力中心確定

根據(jù)排樣圖，在AutoCAD軟件中使用“域”功能，壓力中心為圖3的A處位置。

4 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用導(dǎo)料板導(dǎo)料、自動(dòng)送料和側(cè)刃粗定位、導(dǎo)正銷精定距。因金屬片厚度為1.5 mm，故可選擇彈性卸料，采用彈性頂出裝置，出件時(shí)以出件的方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，沿著斜坡將工件滑出。選用四角導(dǎo)柱導(dǎo)套模架，其導(dǎo)向精度高、操作空間大、穩(wěn)定性好[6-10]。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，凹模的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，它決定了模架尺寸及其他板的尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)，外形的大小可根據(jù)排樣圖的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，初步取值時(shí)長(zhǎng)度和寬度比排樣圖單邊大30 mm，由文獻(xiàn)[6]調(diào)整凹模外形尺寸為470 mm×240 mm×30 mm。模具結(jié)構(gòu)如圖4所示，條料由左往右送進(jìn)模具，上模下行，由導(dǎo)料板導(dǎo)料，進(jìn)入模具后第一工位側(cè)刃沖切料邊進(jìn)行粗定位，同時(shí)沖切橢圓形的孔及中間一個(gè)工藝定位孔。第二工位由導(dǎo)正銷進(jìn)行精確定位并進(jìn)行壓筋，第三工位沖中間孔，第四工位空工位，第五工位彎曲兩邊，使原來(lái)的工件由Z形變?yōu)閁形彎曲，第六工位切斷。彎曲結(jié)束后，由彈簧、卸料板、卸料螺釘組成的彈性卸料裝置將條料卸下[11-12]，產(chǎn)品自動(dòng)脫落。

圖4 模具結(jié)構(gòu)

J23-100型壓力設(shè)備最大裝模高度為480 mm，裝模高度調(diào)節(jié)量為100 mm，最小裝模高度為380 mm。本次設(shè)計(jì)模具的閉合高度H為209 mm，通過(guò)分析可知，模具閉合高度H不滿足：Hmin+10 mm＜H＜Hmax-5 mm，故需要增加15 mm墊板。模具外形尺寸為500 mm×250 mm，小于壓力機(jī)工作臺(tái)尺寸1 080 mm×710 mm，滿足要求。

5 結(jié)論

本次課題是對(duì)金屬片進(jìn)行沖壓工藝分析和模具設(shè)計(jì)，首先通過(guò)對(duì)沖壓件材料、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸精度進(jìn)行工藝性分析，得出沖壓件工藝性良好，并在此基礎(chǔ)上制定了工藝方案，采用級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)。其次，對(duì)金屬片進(jìn)行排樣設(shè)計(jì)、沖壓力計(jì)算及壓力中心確定，并初步選擇了壓力機(jī)，同時(shí)利用AutoCAD軟件確定了壓力中心。最后，根據(jù)排樣圖設(shè)計(jì)凹模并選擇模架，最終繪制了模具結(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行了校核。本課題設(shè)計(jì)最主要的特點(diǎn)是采用直對(duì)排，提高了生產(chǎn)效率，降低了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的難度，本研究對(duì)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。