余 健，嚴(yán)婷婷

（1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與交通分院，浙江 嘉興 314031；2.嘉興市模具行業(yè)協(xié)會(huì)，浙江 嘉興 314001）

1 零件成形工藝分析

級(jí)進(jìn)模由于操作簡(jiǎn)單、安全方便、生產(chǎn)效率高且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于形狀復(fù)雜的中小型零件成形和加工，受到眾多企業(yè)的青睞，也代表了沖模的發(fā)展方向[1-3]。

某密碼鎖殼體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，材料為SUS304不銹鋼，厚度為0.5 mm，零件底部有凸包和圓孔，側(cè)面有2 個(gè)φ6.5 mm 呈平行布置的小孔，其成形工序主要有拉深、整形、正沖孔、側(cè)沖孔和修邊等。零件所有孔徑為11 級(jí)公差，其余尺寸按GB/T 15055-m，零件要求不能扭曲、變形，表面無(wú)劃痕，邊緣平整，毛刺高度小于0.06 mm。綜合考慮零件的工藝特點(diǎn)和技術(shù)要求，宜采用級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)，以保證零件的尺寸精度和批量生產(chǎn)要求。

零件可假設(shè)為不減薄拉深，拉深前后體積不變，運(yùn)用體積法計(jì)算零件展開后的毛坯直徑D為：

其中，v為拉深件體積，mm3；t為拉深件厚度，mm。運(yùn)用UG 軟件刪除拉深件的孔特征，測(cè)量拉深件體積為2 144.19 mm3，計(jì)算得出拉深件展開后的毛坯直徑為φ73.91 mm，毛坯相對(duì)厚度t/d×100%為0.676%，零件中徑與毛壞直徑的比值為0.6，接近不銹鋼材料首次拉深的理論極限拉深系數(shù)，為降低模具制造成本，考慮用一道拉深工序和一道整形工序完成零件外形的成形。

在拉深成形過程中，模具及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成帶料過度減薄甚至開裂等缺陷[4]。為保證模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性，運(yùn)用AutoForm 軟件對(duì)拉深工序和整形工序進(jìn)行有限元分析，預(yù)測(cè)零件成形過程，優(yōu)化成形工藝參數(shù)，將傳統(tǒng)模具的試制和返修2 個(gè)環(huán)節(jié)在模擬軟件中完成，使模具返修變?yōu)閹缀文Ｐ偷男薷?，降低模具的開發(fā)成本[5-7]。

2 零件拉深成形有限元仿真與分析

將在UG 軟件中處理好的拉深片體、整形片體和刺破后的板料線導(dǎo)入AutoForm，設(shè)置沖壓方向，選擇SUS304 不銹鋼材料，厚度為0.5 mm，零件過渡凸緣圓角半徑為R0.5 mm，壓料力設(shè)置為自動(dòng)模式，分別建立單動(dòng)拉深和整形有限元分析模型，如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

2.1 拉深工序有限元分析

板料拉深工序分段成形性模擬結(jié)果如圖3 所示，在離下止點(diǎn)14.6 mm 處出現(xiàn)拉深開裂，在離下止點(diǎn)10.8 mm 處板料被完全拉裂，經(jīng)分析是由于拉深凹模圓角半徑過小，僅有R0.5 mm，板料拉深過程中材料流入凹模的阻力過大所導(dǎo)致，應(yīng)考慮增大凹模圓角，凸緣處形狀通過整形工序獲得。將凹模圓角半徑增大到R3 mm 后，再次導(dǎo)入AutoFrom 進(jìn)行單動(dòng)拉深分析，板料成形性模擬如圖4 所示，無(wú)開裂點(diǎn)，開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積較小，僅占整個(gè)料片面積的1.25%，在每個(gè)開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)取2 個(gè)點(diǎn)，共計(jì)8 個(gè)點(diǎn)位，測(cè)量得最大減薄率為8.8%，小于安全值30%，結(jié)合應(yīng)變圖可判定將凹模圓角半徑調(diào)整到R3 mm 時(shí)，零件通過一次拉深成形的工藝方案可靠。

圖4 圓角半徑為R3 mm時(shí)拉深成形性模擬

由圖4（a）可知，增厚區(qū)占28.65%，測(cè)得最大增厚率為0.12%，主要集中在壓料面上，凸緣處增厚區(qū)面積較小。為提高凸緣處成形質(zhì)量，將壓邊力手動(dòng)調(diào)整為40 kN 后，成形性模擬如圖5 所示，圖5 所示中點(diǎn)集組成的塊狀區(qū)域并沒有向上超過曲線位置，表明增大壓邊力后材料在拉深過程中的變形程度沒有超出材料的成形極限，凸緣處基本無(wú)增厚區(qū)，開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積由壓邊力為29.6 kN 時(shí)的1.25%增加到2.55%，測(cè)得最大減薄率為11.0%，仍處于安全值內(nèi)。

圖5 壓邊力為40 kN時(shí)拉深成形性模擬

2.2 整形工序有限元分析

整形工序成形模擬及主應(yīng)變?nèi)鐖D6 所示，增厚區(qū)全部在壓料面上，開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積為3.39%，測(cè)得最大減溥率為13%，證明將成形密碼鎖殼體的拉深凹模圓角調(diào)整到R3 mm，壓邊力設(shè)置為40 kN，采用一次拉深，再經(jīng)一次整形的成形工藝方案可行。

圖6 整形工序成形性模擬

3 級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)

3.1 排樣設(shè)計(jì)

成形密碼鎖殼體包含沖導(dǎo)正孔、刺破、拉深、整形、正沖孔、斜側(cè)沖孔等多道工序，模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各工位工作零件的有效行程相差大，故將模具設(shè)計(jì)成上模2 段、下模3 段的多段式結(jié)構(gòu)。零件底孔和側(cè)孔均為裝配工藝孔，為了避免成形工藝造成孔周邊材料的流動(dòng)，提高孔的尺寸精度和位置精度，將正沖孔和側(cè)沖孔均安排在整形工序之后，具體排樣方案如圖7所示。

圖7 排 樣

3.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密碼鎖殼體級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)如圖8 所示，模具采用正裝結(jié)構(gòu)，四導(dǎo)柱滾動(dòng)導(dǎo)向模架，模具內(nèi)設(shè)計(jì)了由10 套小導(dǎo)柱導(dǎo)套構(gòu)成的模內(nèi)導(dǎo)向系統(tǒng)，在沖壓行程中對(duì)凸模及卸料板的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向，模具運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)外導(dǎo)向系統(tǒng)同時(shí)導(dǎo)向，保證沖裁間隙，提高沖壓精度[8]。

圖8 模具結(jié)構(gòu)

下模采用三段式結(jié)構(gòu)，第一段完成刺破和沖導(dǎo)正孔；第二段完成拉深；第三段完成整形、沖孔和落料。帶導(dǎo)料槽的浮動(dòng)導(dǎo)料銷控制送料方向，自動(dòng)送料裝置控制送料步距實(shí)現(xiàn)粗定位，導(dǎo)正銷孔在第一工位沖出，后續(xù)每一工位均設(shè)置了導(dǎo)正銷，通過導(dǎo)正銷實(shí)現(xiàn)帶料的精定位[9-10]。

3.3 模具工作過程

在壓力機(jī)滑塊的作用下，上模下行，氮?dú)鈴椈墒紫冉佑|下模第三段卸料板，并推動(dòng)卸料板下行，導(dǎo)正銷插入導(dǎo)正銷孔，對(duì)帶料進(jìn)行精定位，壓料板與第二段卸料板一起壓緊帶料，開始進(jìn)行工位4 的拉深，在拉深工序的末端同時(shí)完成整形、刺破、沖孔、切邊和切廢料，上模上行，卸料氣路中的高壓空氣將零件吹離凹模，在自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的作用下，帶料將零件推出模具，完成出件。

下模第一段刺破和沖導(dǎo)正孔工位高度較后續(xù)工位低，上模氮?dú)鈴椈?8彈力大于下模第三段卸料彈簧46的彈力，運(yùn)用工位差及彈簧彈力差在拉深末段拉深力較小時(shí)實(shí)現(xiàn)刺破、整形、沖孔、修邊及切斷，以降低總沖壓力，保證模具工作的平穩(wěn)性。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）帶料連接帶采用2 個(gè)工位4 組凸、凹模，運(yùn)用無(wú)廢料刺破方式?jīng)_裁成形，結(jié)構(gòu)如圖9所示，可提高圓形件單排排樣時(shí)材料的利用率，刺破凹模內(nèi)設(shè)計(jì)了彈性推件塊，帶料在彈性推件塊和卸料板的共同壓緊下完成刺破工序，可提高刺破后帶料的平面度，保證順利送料。

圖9 刺破結(jié)構(gòu)

（2）切邊工位在上夾板處設(shè)計(jì)了氣嘴及卸料氣路，借助高壓氣體將切邊后的零件吹出凹模，解決了切邊毛刺及模內(nèi)油液造成卸件困難的問題，提高了模具運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（3）滑塊及側(cè)凸模夾板與下模板接觸面磨削深約2 mm 的弧形儲(chǔ)油槽，結(jié)構(gòu)如圖10（a）所示，開設(shè)儲(chǔ)油槽可減小滑塊及側(cè)凸模夾板與下模板接觸面積，儲(chǔ)油槽內(nèi)的潤(rùn)滑脂能降低接觸面的摩擦系數(shù)，有效減小側(cè)沖時(shí)的摩擦阻力，延長(zhǎng)側(cè)沖機(jī)構(gòu)的使用壽命，降低側(cè)沖機(jī)構(gòu)的維護(hù)成本。

圖10 側(cè)沖機(jī)構(gòu)

（4）側(cè)孔直徑較小，側(cè)孔凸模長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為防止側(cè)孔凸模因剛度不夠而折斷，為側(cè)凸模設(shè)計(jì)了管位夾保護(hù)套。凸模端部切削刃口設(shè)計(jì)成圓弧形切削刃與平面切削刃相結(jié)合的刃口結(jié)構(gòu)，圓弧切削刃先進(jìn)行圓孔刺破，平刃口再完成余邊的持續(xù)沖切，以減少側(cè)孔毛刺，如圖10（b）所示。

（5）3 個(gè)正沖孔直徑較小，沖孔凸模強(qiáng)度較弱，為便于后期更換沖孔凸模和維修，將沖孔凸模設(shè)計(jì)成易拆卸的鑲件結(jié)構(gòu)，如圖11 所示。卸料塊1 的行程由壓塊9、10限制，卸料力由4個(gè)彈簧3提供，并通過4 個(gè)推桿5 作用于卸料塊，卸料力的大小可通過止付螺釘4 進(jìn)行調(diào)整。沖孔凸模6、7、8 由凸模夾板2 反鎖在上模，取下壓塊和卸料塊即可完成沖孔凸模的拆卸。

圖11 正沖孔鑲件結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

多工位拉深模設(shè)計(jì)中，在滿足零件技術(shù)要求的情況下，應(yīng)盡量使拉深系數(shù)接近零件極限拉深系數(shù)，以減少拉深次數(shù)，有效降低模具的設(shè)計(jì)與制造成本。通過運(yùn)用AutoForm 軟件對(duì)拉深凹模圓角、壓邊力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了零件主體采用一次拉深加一次整形的成形工藝方案。

實(shí)踐證明分段式布局可簡(jiǎn)化多工位拉深沖孔模的結(jié)構(gòu)，減少各工序間的成形干涉，提高零件成形后的尺寸精度，保證模具工作的平穩(wěn)性。上、下模采用多段式布局可借助工位差在拉深末段拉深力較小時(shí)完成刺破、整形、沖孔、修邊及切斷，能在一定程度上減小模具的沖壓力。