AFA—3G定位格架弹簧制造技术研究

叶远东 钟鸣 秦传玲

摘要：简要介绍了AFA-3G定位格架弹簧的种类和结构形式，分析了弹簧的结构及特点，针对弹簧的结构特点制定了弹簧级进模冲制工艺方案，详细介绍了弹簧的冲压工艺，并对弹簧冲制工艺的难点技术进行了阐述。重点介绍了模具的总体结构特点，最后作出了结论。

关键词：弹簧、冲压工艺、模具

中图分类号：TL352 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

AFA-3G燃料组件定位格架是组件中的关键部件之一，它是由条带、围板和弹簧三种零件构成，国内虽然引进了法国的AFA-3G燃料组件制造技术，但由于受条件的限制并未引进弹簧的冲制技术。由于零件的结构复杂，制造工艺难度大，长期以来一直依赖于进口法国成品零件，再由国内组装焊接成成品格架。这样在格架成本和知识产权上就受到了国外的制约，AFA-3G燃料组件定位格架的国产化，不仅能填补国内在该项目领域的空白，而且可节约大量外汇，同时为今后具有自主知识产权的高性能燃料组件研制奠定基础。本文是针对其中的弹簧制造工艺进行论述。

1 弹簧制造难点分析

图1 双弹簧示意图 图2 单弹簧示意图

弹簧分为两种，一种称为双弹簧，另一种称为单弹簧，双弹簧（图1）为两侧对称结构，每一侧有一个三弯成形区，单弹簧（图2）为两侧不对称结构。无论单、双弹簧，其成形区的圆弧半径、圆弧高度以及各圆弧间的中心距都有严格要求，是主要的有效工作区域，因此弹簧的制造难点是如何保证三弯成形区的精确成形，符合图纸的要求。

2 单、双弹簧制造方案的确定

单、双弹簧的长宽尺寸较小，属于小型零件，形状复杂，并且数量多，产量大，如采用单工序模制造方案，则零件定位困难且定位误差较大，生产时零件废品率较高，弹簧成形质量难以保证，而且效率低下，不适合大批量生产的要求，所以不能采用单工序模具进行冲制，只能采用级进模方案进行冲制。因此制定了如图3所示的单、双弹簧排级进模冲制方案。

图3 单、双弹簧排示意图

3 弹簧成形工艺

单、双弹簧其结构形状复杂，基本是由多段圆弧连接形成，其中最大圆弧的半径与料厚之比为45.8，因此材料成形后回弹量很大。由于弹簧是由多段圆弧连接形成，每一个圆弧在成形时都有其回弹量，多个圆弧的回弹互相影响，就给回弹量的计算和模具的调试造成很大的困难。因此圆弧特别是大圆弧不能用一个工步来完成，需采用预成形工步和校正成形工步完成，为方便模具调整，模具卸料板和凹模板中所有工作工步均应设计为拼块结构。

3.1 单、双弹簧展开尺寸的计算

弹簧展开尺寸的计算

在模具设计前，首先进行的工作就是计算出精确的单弹簧中性层展开尺寸，精确的展开尺寸可节省大量的模具后期调试工作。但生产中的实践经验得出，中性层的位置还与弯曲方法、模具结构、弯曲件形状以及弯曲件材料等多种因素有关。弹簧形状复杂，理论计算与实际操作中材料的延展不一定完全相符，微量的误差需要试模后进行调整。

以单弹簧为例：材料中性层展开尺寸计算如下：（单个圆弧展开尺寸计算公式）

L=l1+l2+1.57（r+x0t）

L---弯曲件的展开长度 r---弯曲件内弯曲半径

l1，l2---弯曲件直边部分长度 t---弯曲件原始厚度

x0---中性层内移系数

双弹簧中性层展开尺寸与单弹簧类似，理论计算与实际操作中材料的延展不一定完全相符，微量的误差需要试模后进行调整。

3.2 单、双弹簧排样图设计

排样设计是级进模设计的关键，模具合理的结构、材料利用率都取决于正确的排样，因此优化排样对级进模设计至关重要。首先根据已计算好的弹簧展开尺寸确定条料的宽度和步距，保证合理的材料利用率，然后根据零件形状、尺寸及技术要求对弹簧进行分析，确定单、双弹簧的排样图。

由于单、双弹簧的结构形状基本一致，并且宽度尺寸相同，成形原理和工艺基本相同，因此单、双弹簧的排样图基本一致，所不同的是在弹簧长度和打弯成形工步中模具零件的尺寸有所变化。

为尽可能保证条料的强度和送料的稳定性，排样图中前9个工步采用双载体双连接桥方案，第9工步后由于要冲出弹簧长度只能采用单边载体加连接桥方案。根据弹簧展开长度、双边导正孔位置的分布、侧刃冲裁量等多方因素的分析，确定条料的宽度为67（mm），步距为6（mm）。为确定合理的凹模分布及凹模强度，需设计足够的空工步为凹模留出足够的空间，因此总共设计为37个工步，其中工作工步有13个。

3.3 弹簧三弯成形工艺和1800折叠成形工艺

弹簧三弯成形工艺是个难点，打弯成形工步最重要也是较难以控制的，各打弯工步的次序安排是非常重要的，错误的打弯步骤将造成模具难以调整，从而不能达到产品技术要求。

通过对弹簧形结构形状的分析，首先确定在1200折叠打弯前要完成弹簧中所有圆弧的打弯成形。弹簧中圆弧成形的次序有两种方案（如图4所示），第一种方案如图4a所示，先完成上下两段圆弧的成形，再完成中部1800折叠处成形。这种方式成形较简单，又可减少工步使模具结构紧凑，但由于中部成形时材料延展和流动将会对上下两段已成形的三弯圆弧造成较大影响，并且由于材料流动将造成弹簧表面拉伤。第二种方案如图4b所示，采用由下至上逐段成形的方式，先成形下段三弯，材料由上部向下流动补充成形部位，完成中部成形，同时对已成形的下部三弯压紧保护，使材料只能由上部向下流动补充中部成形部位，最后完成上段三弯成形，同时对已成形的下部三弯和中部成形部位压紧保护，同样使材料只能由上部向下流动补充上段成形部位。这种成形方案避免了弹簧表面拉伤，材料变薄量增大的现象，逐段成形时，成形区内的材料补充始终是靠未成形区的材料进行补偿，避免了三段圆弧相互影响的现象，使导向定位更准确，成形质量易保证。

图4a 图4b

图4 圆弧成形次序示意图 图5 弹簧折叠成形示意图

根据弹簧形状分析，1800折叠不可能一次成形，另外折叠处并非死角，而是形成一个内径R0.25（mm）的半圆，为了在折叠处成形较好的半圆形状，折叠工艺需要多个步骤进行（如图5所示）。第1步如上述22工步先1200打弯，第2步如上述24工步将弹簧打弯为600，第3步如上述28工位将弹簧打弯为300，第4部如上述32工位对折叠部位整形，调整合适的折叠角度，使弹簧的开口部位保持在6～7（mm）的距离。

4 弹簧级进模设计

单、双弹簧模具采用精密四导柱滚动钢模架，在固定板、卸料板、凹模板三个重要板件间设计有四个精密小导柱，对凸、凹模精密导向。

弹簧形状复杂，成形部位既有上凸也有下凹，为保证条料平稳连续送进，并防止条料因有油污而粘在下模板上，设置了双排浮动导料、抬料钉，将条料整个托出凹模工作型面3（mm），从而保证了条料的连续平稳送进。模具工位较多，为保证条料送进的步距精度，采用侧刃粗定位和导正钉精定位相结合的定位方式，导正钉分布于13个工作工位中，更能有效的保证步距精度。该模具是自动送料连续冲压，一旦出现误送料时将损坏模具，造成巨大损失。为防止连续冲压过程中的误进给动作，设置了误送进给检测装置，当检测到有误进给动作时，能使冲床立即停止，避免损坏模具。

模具冲制出的产品并非单个弹簧，而是由42个单弹簧或双弹簧为一组的弹簧排，要实现这一要求，模具必需在冲床完成42次冲压行程时，模具的切刀完成1次切断动作。因此，模具设计必须考虑记数切断装置。模具采用了由气缸、电磁阀、计数器、抽插块、切断凸模等组成的自动切断机构。

红外线发射器和接收器安装在模具两侧，模具每闭合工作一次将阻挡发射器发射的红外线，接收器以此来收集信号，利用接收器收集信号并产生信号后传输给计数器，计数器接收42次信号后控制电磁阀工作1次，电磁阀改变压缩空气流向，气缸主轴正向运动并推动抽插块前进，在抽插块斜面的作用下推动切断凸模至工作位置，模具完成一次剪切。随后电磁阀在计数器的作用下又改变压缩空气流向，使气缸主轴反向运动并拉回抽插块，切断凸模在回位弹簧的作用下复位，处于不工作状态并等待下一次工作。

5 弹簧的检测

经模具冲压出的弹簧首先要经过外观及数据检测，以确定弹簧是否符合图纸及技术条件要求，经检测结果如下：

1）弹簧排外观检测平整，没有较大的弯曲，弹簧表面光洁，无伤痕、撞痕、压痕。

2）采用轮廓仪检测毛刺最大允许高度完全符合要求，该项目检测合格。

3）随机抽取10条弹簧排放大10倍进行外观检查，该项目检测合格。

4）弹簧成形尺寸检测。用座标纸绘制出单、双弹簧放大20倍的标准形状，再用投影仪将零件放大20倍进行比对，完全符合技术条件。

6 结论

本文针对形状复杂，冲压工艺难度系数高的AFA-3G定位格架单、双弹簧，进行了一系列的冲压工艺试验及相关试验，发现并攻克了多项复杂技术，研制了冲制单、双弹簧的2副级进模。冲出了完全合格的弹簧成品零件，设计的模具及夹具、选择的工艺参数、建立的检验方法是可行的，适用的。

参考文献：

[1] 肖景容、姜奎华主编：“冲压工艺学”，机械工业出版社，1992年

[2] 《冲模设计手册》编写组：“冲模设计手册”，机械工业出版社，1993年

[3] 孟少农主编：“机械加工工艺手册”，机械工业出版社，1992年

[4] 全国热处理标准化技术委员会编：“金属热处理标准应用手册”，机械工业出版社，1994年