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勺形截面零件沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)

2020-11-21 08:30:30鐵科縱橫天津科技發(fā)展有限公司天津301700馬運(yùn)章
金屬加工(冷加工) 2020年10期
關(guān)鍵詞:落料拉延凹模

■ 鐵科縱橫(天津)科技發(fā)展有限公司 (天津 301700) 陳 家 馬運(yùn)章

如圖1所示,該零件是火車(chē)車(chē)輪上一種重要表面覆蓋類(lèi)零件,批量大,外觀要求較高,表面不允許存在劃傷、褶皺及破裂等缺陷,且對(duì)毛刺要求嚴(yán)格。零件材料為DC01,厚度為1mm。

圖1 勺形截面零件

1. 工藝分析

該零件是一種典型勺形截面零件,其主要特點(diǎn)是直徑大、薄壁、直徑收縮相對(duì)較小,且外圈以圓弧段結(jié)束,不存在水平飛邊,因此拉深成形時(shí)無(wú)法設(shè)計(jì)壓邊圈結(jié)構(gòu),只能使用無(wú)壓邊的成形方式。

與球形零件拉深類(lèi)似,勺形截面零件在拉深成形時(shí),不能使用拉深系數(shù)作為設(shè)計(jì)工藝的依據(jù)。因?yàn)樯仔谓孛媪慵诶畛尚螘r(shí),大部分坯料處于不受壓的自由狀態(tài),零件外圈處極容易產(chǎn)生周向失穩(wěn),從而出現(xiàn)褶皺。成形前坯料直徑D與成形后產(chǎn)品直徑d之差D-d越大,即徑向收縮越大,越容易出現(xiàn)褶皺。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知:當(dāng)D-d<10mm時(shí),勺形件無(wú)壓邊成形時(shí)不會(huì)產(chǎn)生褶皺;當(dāng)D-d>10mm時(shí),成形后產(chǎn)品周邊開(kāi)始出現(xiàn)褶印,該差值越大,褶皺越明顯;當(dāng)D-d>25mm時(shí),將發(fā)生坯料折疊現(xiàn)象。所以成形前坯料直徑D與成形后產(chǎn)品直徑d之差D-d非常關(guān)鍵,是評(píng)價(jià)勺形截面零件無(wú)壓邊成形難易程度的基準(zhǔn),也是設(shè)計(jì)拉深工藝的依據(jù)。

圖1中零件的落料料片直徑D根據(jù)公式D=L1+2L2+2L3計(jì)算。式中D為落料直徑;L1為R500mm圓弧弧長(zhǎng);L2為R1800mm單段圓弧弧長(zhǎng);L3為R30mm單段圓弧弧長(zhǎng)。

經(jīng)計(jì)算圖1中零件的落料料片直徑D為735.3mm,產(chǎn)品直徑d為700mm,其差值D-d=35.3mm>10mm,所以該零件一次成形不能獲得合格產(chǎn)品,將出現(xiàn)坯料折疊現(xiàn)象。因而設(shè)計(jì)其生產(chǎn)工藝路線為:下料→預(yù)成形→終成形。即板料先落料成圓片,然后預(yù)壓成形至一定的尺寸和形狀,最后再終壓成規(guī)定尺寸的產(chǎn)品。該工藝方法能避免因一次收縮過(guò)大而產(chǎn)生褶皺問(wèn)題,獲得合格產(chǎn)品,但還存在以下問(wèn)題。

1)成本高。模具數(shù)量多,需要3套模具——落料模、預(yù)成形模和終成形模,模具成本費(fèi)用高;配套的壓力機(jī)設(shè)備多,維護(hù)維修成本高。

2)工序多。從坯料到成品需要經(jīng)過(guò)3道工序——落料、預(yù)成形和終成形,不便于生產(chǎn)管理,且生產(chǎn)效率低,板料需要較長(zhǎng)時(shí)間周轉(zhuǎn),在夏季溫、濕度較高的環(huán)境下產(chǎn)品容易生銹,產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。

為了解決上述問(wèn)題,對(duì)該零件成形方式進(jìn)行工藝改進(jìn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證重新設(shè)計(jì)落料模,使之兼具預(yù)成形模及落料模的功能,從而省去預(yù)成形工序,即新模具落料后料片直接進(jìn)行終成形,獲得合格產(chǎn)品。

2. 模具結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

基于上述分析,對(duì)落料模進(jìn)行重新設(shè)計(jì),采用倒裝凸、凹模的結(jié)構(gòu)形式,如圖2所示,該模具名稱為拉延落料模,左側(cè)為模具開(kāi)模狀態(tài),右側(cè)為模具閉合狀態(tài)。具體工作過(guò)程為:液壓機(jī)滑塊上升,開(kāi)啟模具,此時(shí)將坯料(圖中彩色線條)放置于凸模11和卸料板12上;液壓機(jī)滑塊下降,上模下行,上壓料板9的外圈和凹模8最先接觸并壓住坯料邊緣;滑塊繼續(xù)下降,上壓料板9逐漸與凸模11完全閉合,此時(shí)坯料完成預(yù)成形;隨著滑塊繼續(xù)下降,在彈簧1和5的作用下,凹模8繼續(xù)下行,剪切坯料,直至下死點(diǎn),完成坯料的剪切;隨后滑塊上升,上模上升至開(kāi)模狀態(tài),成形好的料片在頂料桿10的作用下頂出,最后工人取走料片及廢料,繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)。

圖2 拉延落料模結(jié)構(gòu)

3. 模具主要零件設(shè)計(jì)

(1)凸模的設(shè)計(jì) 凸模11是該拉延落料模的重要零件(見(jiàn)圖3),材料為45鋼。采用加工中心進(jìn)行數(shù)控銑削加工,調(diào)制處理,硬度要求為26~32HRC,表面進(jìn)行氮化處理,氮化層深度為0.30~0.35mm。

根據(jù)凸模刀環(huán)3的外徑可確定凸模11直徑,凸模11外圈留出凸模刀環(huán)3的安裝空間即可。

(2)凸模刀環(huán)的設(shè)計(jì) 凸模刀環(huán)3是該拉延落料模的核心零件(見(jiàn)圖4),材料為Cr12MoV,硬度要求58~62HRC,表面進(jìn)行氮化處理,氮化層深度為0.30~0.35mm。

凸模刀環(huán)3與凸模11的形狀必須一起設(shè)計(jì),根據(jù)D-d的差值確定凸模刀環(huán)3的外徑(當(dāng)料片具備一定形狀時(shí),將產(chǎn)生加工硬化,增加料片強(qiáng)度,從而使得D-d的差值可以適當(dāng)增大,此處取該差值為15mm),然后根據(jù)面積相等原則確定其高度及弧長(zhǎng),最后考慮凸模刀環(huán)刃口的強(qiáng)度及使用壽命,確定外圈刃口橫截面的長(zhǎng)度以及刀環(huán)厚度。

(3)凹模刀環(huán)的設(shè)計(jì) 凹模刀環(huán)4設(shè)計(jì)與凸模刀環(huán)3設(shè)計(jì)類(lèi)似,均采用4個(gè)定位銷(xiāo)定位,8個(gè)螺栓緊固聯(lián)接在凹模8上,比較重要的尺寸為凹模刀環(huán)的內(nèi)徑尺寸,為φ715+0.03+0m m。材料為C r 1 2 M o V,硬度要求5 8~62HRC,表面進(jìn)行氮化處理,氮化層深度為0.30~0.35mm。

圖3 凸模結(jié)構(gòu)

圖4 凸模刀環(huán)結(jié)構(gòu)

圖5 上壓料板結(jié)構(gòu)

(4)上壓料板的設(shè)計(jì) 上壓料板9根據(jù)凸模形狀與坯料厚度進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖5所示。材料為45鋼,其形狀采用加工中心進(jìn)行數(shù)控銑削加工,調(diào)制處理,硬度要求為26~32HRC,表面進(jìn)行氮化處理,氮化層深度為0.30~0.35mm。需要注意的是。

1)凸、凹模需先裝配后加工。凸模刀環(huán)3及凸模11需先與下墊板和下模座裝配好,且使用合適規(guī)格的鐵棒填充滿凸模刀環(huán)3上的開(kāi)口孔后,再進(jìn)行數(shù)控銑加工,從而最大程度地保證模具精度,保證拉延后坯料表面無(wú)印記傷痕。凹模刀環(huán)4與凹模8的銑削加工與此類(lèi)似。

2)凸、凹模間隙需偏小。凸模11及凹模8的剪切間隙應(yīng)為0.05~0.07mm,使用液壓壓力機(jī),在參數(shù)為180t的壓力下落料后的產(chǎn)品毛刺小,產(chǎn)品成形后各尺寸符合圖樣要求,如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品實(shí)物

3)落料時(shí),在料片拉延開(kāi)始前為正常的沖壓速度,但當(dāng)開(kāi)始拉延時(shí),沖壓速度調(diào)制緩慢。此微調(diào)能提高拉延后半成品的質(zhì)量,減少邊緣褶皺的產(chǎn)生。

4. 結(jié)語(yǔ)

該拉延落料模模具結(jié)構(gòu)合理,動(dòng)作簡(jiǎn)單,且堅(jiān)實(shí)耐用,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,批量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品合格率高達(dá)100%,質(zhì)量穩(wěn)定。使用該模具生產(chǎn),不僅減少了一道工序,提高了生產(chǎn)效率,而且降低了零件的生產(chǎn)成本及工裝設(shè)備的維修成本,同時(shí)還保證了產(chǎn)品質(zhì)量。拉延落料模的設(shè)計(jì)為沖壓產(chǎn)品的落料模及工藝步驟設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

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