劳保鞋防砸内包头冲压工艺分析及模具改进设计

2014-03-09胡兆国杨金凤冷祯龙

机床与液压 2014年8期

关键词：落料起皱坯料

胡兆国，杨金凤，冷祯龙

(四川工程职业技术学院，四川德阳 618000)

劳保鞋防砸内包头冲压工艺分析及模具改进设计

胡兆国，杨金凤，冷祯龙

(四川工程职业技术学院，四川德阳 618000)

分析了劳保鞋防砸内包头翻边时起皱的原因以及原内包头冲压工艺方案及模具设计存在的不足之处，并提出了相应的改进措施。改进措施经生产实践证明是恰当的。

劳保鞋;内包头;翻边;起皱;模具

劳保鞋又叫安全鞋，根据使用的场地不同，种类很多，但都有防止物体砸伤脚面和脚趾的功能。其护趾防砸的功能是靠图1所示的钢质内包头来实现的。内包头用抗冲击性好、强度高、质量轻的金属材料制成，其强度、抗冲击性能等都要经过严格的试验，达到规定的标准方可使用。

图1 防砸内包头零件图

1 零件的冲压工艺性分析

(1)零件材料的工艺性

该零件采用的是冲压性能良好的碳钢材料，因此，可用冲压的方法生产该零件。

(2)零件结构的工艺性

该零件的结构比较简单，形状不是很复杂，可以进行冲压加工。

(3)零件精度的工艺性

由于该零件是用于劳保鞋，其所有尺寸都没有标注公差，即精度要求很低，因此，在保证尺寸精度方面不是问题。

(4)其他方面的工艺性

该零件要求表面光滑、无皱折。

2 原冲压工艺方案及不足之处

2.1 原冲压工艺方案

原冲压工艺方案为:落料(圆形)→拉深(近似椭圆筒形)→剖切 (从近似椭圆筒形中间切开)→切边(原拉深后椭圆筒形口部处)→翻边 (切边处)。该冲压工艺过程并无不符合冲压成型规律之处，因此，生产出合格产品不是问题。不足处在于: (1)落料成圆形，材料利用率不高;(2)全部采用单工序模具，模具数量多、操作人员多、成本高。

2.2 改进后的冲压工艺方案

针对上述问题，作出如下修改:(1)落料成椭圆形，因拉深后的形状不是圆形，落料的形状没必要是圆形;(2)将原冲压工艺过程中的落料、拉深两道工序合并成一道工序采用落料、拉深复合模具生产。

3 原产品存在的主要问题

原产品存在的主要问题是图2所示的翻边处起皱(曲率最大地方附近)。

图2 翻边处起皱

4 解决问题的措施

从冲压成型理论可知起皱的原因是坯料内受到的压应力超过其承受能力所致。对于拉深时凸缘部分的起皱可采取设置压料装置、压料筋等措施来防止，此处的起皱不是拉深时凸缘部分的起皱，而是在曲面上翻边时起皱，因此，防止拉深时凸缘部分起皱的措施在此处并不适用。

4.1 从翻边前的坯料形状上采取措施

既然起皱的原因是坯料内受到的压应力超过其承受能力所致，也就是说坯料起不起皱与两方面的因素有关:(1)坯料内受到的压应力大小;(2)坯料承受压应力能力的强弱。那么，防止起皱的措施就可从减小坯料内受到的压应力和提高坯料承受压应力的能力着手。从冲压成型理论可知，坯料内受到的压应力大小与变形量有关，变形量越大，坯料内受到的压应力越大;坯料承受压应力能力的强弱与其厚度及变形部位的宽度有关，厚度越厚、变形部位的宽度越窄，坯料承受压应力的能力越强。显然，坯料的厚度是不能改变的，也就是不能通过增加坯料的厚度来增强坯料承受压应力能力。能否改变变形部位 (曲率最大地方附近)坯料的宽窄呢?表面看，好像也不能改变。但从塑性变形理论可知，变形前后的体积不变即3个方向的应变之和为零，用公式ε1+ε2+ε3= 0表示。该公式表明:一个方向上如果是最大压缩应变 (最大主应变，缩短)，另两个方向上一定是伸长应变 (增厚、变宽)。对此零件而言，沿图2翻边曲线即为最大压缩应变 (最大主应变，缩短)，那么，在翻边时坯料的厚度一定增厚、翻边后的宽度一定增宽。它们的变化量与两个方向上的变形阻力有关，阻力大，变形量小，反之就大。对该零件来说，宽度方向的阻力小于厚度方向，所以，翻边后的宽度增加量大于翻边部分的增厚量。既然翻边后翻边的宽度有一定的增加量，在翻边前对此处 (图2中曲率最大的地方)的宽度作一个俢形，使其稍微比其他地方窄一点，俢形量通过试验确定 (其原则是沿图2的曲线翻边后俢形处不能有明显的凹陷痕迹)。这样的好处在于:(1)根据前述，可以提高坯料承受压应力的能力;(2)由于宽度变窄，翻边时需要压缩的量减小，坯料内受到的压应力减小。俢形后一方面是提高了坯料承受压应力的能力，另一面又减小了坯料内受到的压应力，因此，对翻边时起皱处俢形可以防止其起皱。

4.2 从翻边模具上采取措施

从生产实际来看，通过对翻边时起皱处俢形大多数情况下可以防止其起皱，但偶尔仍会出现起皱现象。针对此种情况，仔细分析原来的模具结构及翻边凹模形状得出，原翻边凹模形状图3元件5在翻边时曲率最大的地方是最后才翻边，因而，曲率最大地方附近的材料需全部压缩在此范围之内而不能向其他地方转移，所以，曲率最大地方受到的压应力很大，容易起皱。由于翻边时总的压缩量是一定的，如能让压缩量不全部集中在曲率最大地方附近能够向其他地方转移一部分，翻边时曲率最大地方附近需要压缩的量相应地就减少了，进而，翻边时曲率最大地方附近坯料内受到的压应力也减小了，起皱的可能性就减小了。基于这样的指导思想，将原翻边凹模形状 (图 3)修改成图4元件5所示。从图4可以看出:该形状能使曲率最大的地方最先翻边，其他地方后翻边，这样，曲率最大地方附近的材料在压缩时有一部分转移到其以外的地方，减小了曲率最大地方附近材料的压缩量，进而减小了该范围内的压应力，因而，起皱的可能性就减小了。