新型全钢扣件的模具设计

李鹏博　李河宗　黄素霞

摘  要：扣件作为脚手架支撑系统稳定性的重要保证，对施工人员的安全和施工设备的使用寿命起着至关重要的作用。针对传统铸铁扣件刚性差、韧性低、抗滑性差，以及生产过程环境污染严重等缺点，设计开发了一种新型轻型全钢扣件，并对其进行模具设计，给出了扣件中典型零件的一整套成形模具设计方案，根据其结构特性，确定了成形工艺，采用弯曲冲压模具生产。较传统铸造工艺生产，冲压模具生产可显著提高生产效率，并且生产过程中绿色无污染。为类似的冲压零件在弯曲模设计方面提供了一种新思路。

关键词：新型全钢扣件;成形工艺;冲压弯曲模具

中图分类号：TG382         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）34-0022-03

Abstract： As an important guarantee for the stability of scaffolding support system， fastener plays an important role in the safety of construction personnel and the service life of construction equipment. In view of the shortcomings of traditional cast iron fasteners， such as poor rigidity， low toughness， poor skid resistance and serious environmental pollution in the production process， a new type of light and new all-steel fastener is designed and developed， and its die is designed. A set of forming die design scheme for typical parts in fastener is given. According to its structural characteristics， the forming process is determined and produced by bending stamping die. Compared with the traditional casting process， stamping die production can significantly improve the production efficiency， and the production process is green and pollution-free. A new idea is provided for the design of bending die for similar stamping parts.

Keywords： new all-steel fastener; forming process; stamping bending die

引言

隨着建筑行业的高速发展，扣件行业也在朝着生产效率高以及节能环保的方向发展。传统扣件生产效率低，污染大，并且本身的抗滑性能较差[1-3]。故设计开发了新型全钢扣件，改进生产工艺，减少环境污染。较传统铸造扣件的生产工艺，对新型全钢扣件采用冲压工艺生产，不仅提高其生产效率，而且操作简便，并能实现机械自动化生产，更有效的保证零件精度[4]。同时冲压工艺废料较少，塑性成形会产生硬化效应，进一步提高了扣件的强度和刚度。基于上述分析，开发了一套新型全钢扣件的成形模具，设计了生产工艺，采用冲压生产，提高了扣件刚性、韧性、抗滑移性能以及抗破坏性。新型全钢扣件示意图如图1所示。

1 工艺分析

该新型全钢扣件看似结构简单，但空间结构复杂，对其各个零件应逐个生产，并最后装配到一起。现选取扣件中的典型零件（见图2）为参考，进行工艺分析和模具设计，该零件直径为7mm，材料为Q235，是一种普通碳素钢，其抗剪强度为310-380MPa，伸长率为21%-25%，具有较高的塑性，适合进行冲压加工[5]。

考虑到该零件的空间结构特点，很难采用连续模和复合模生产，因此选择了相对简单的单工序模具。又因为单工序模具选择分为三种：（1）无导向单工序模具，其特点为结构简单，重量轻、模具制造相对容易、成本低廉。但模具寿命低，精度差，操作也不安全。（2）导板式简单模，其特点为精度高、寿命长，但制造比较麻烦。（3）导柱式简单模，其特点为模具准确可靠，能保证冲裁间隙的均匀，冲裁的工件精度较高、模具的使用寿命长，而且冲床上安装使用方便，适合大批量生产。故综合考虑下，该零件生产模具采用导柱式单工序模。从成形工艺分析，工件采用普通弯曲，完成工件的基本工序包含切断和弯曲等工序。

分析零件形状及尺寸，决定该零件分为四个工序成形，首先切断出符合计算长度尺寸的坯料，然后分为三步弯曲成形，成形工序如图3所示。故该零件的成形需要四套单工序模具，分别为切断模以及三套弯曲工序模。这种方案优点是模具结构简单，容易操作，对工人要求较低。

2 设计计算过程

2.1 基于Pro/E的坯料长度计算

当弯曲模具弯曲坯料时，会促使坯料中性层发生变形，一般是向内偏移，也就是向弯曲压缩方向偏移，但偏移量很难确定，因此该论文中仍按照应变中性层（中心线）长度确定坯料长度尺寸，并在Pro/E环境中完成。

在Pro/E中将三围模型展开，可以得到其弯曲部分计算公式为：

式中L为坯料展开长度;R为弯曲内侧半径;T为材料厚度（或直径）;θ为折弯角度;K为位移系数，在Por/E中系统的默认值为0.318310。

非弯曲变形区长度仍按照零件原始长度计算。

根据零件的具体尺寸参数，可得坯料的展开长度为266mm。

2.2 切断力

切断力计算公式为：

式中：L为剪断面面积，τb为材料抗剪强度，

查材料力学性能：τb=300MPa [5]

故Fb=41.563kN

2.3 弯曲力计算

采用自由弯曲方式进行弯曲，其弯曲力计算公式为：

式中：K为安全系数一般取K=1.3;S为弯曲件截面面积;t为弯曲件材料厚度;R为弯曲半径;？滓b为材料抗拉强度。

故第二道弯曲工序弯曲为：

第三道弯曲工序弯曲力为：

第四道弯曲工序弯曲力为：

2.4 卸料力

取F卸=0.5F自得

第二道工序卸料力：

第三道工序卸料力：

第四道工序卸料力：

2.5 凸凹模间隙

凸凹模间隙作为影响模具寿命的重要指标之一。如果间隙过大，可能会使坯料产生断裂，使表面粗糙，形成较多废料，如果间隙过小，会使模具的寿命降低。凸凹模的间隙和材料的属性、厚度和工件的外形都有关系，综合考虑，其凸凹模的间隙值为t×1%=0.07。

3 模具设计方案

3.1 切断模具设计

图4为坯料切断模。切断模具结构设计相对简单，方便操作，有利于提高生产，为了提高生产效率，用一次剪切九个件的方式。剪切时，两相邻剪切件之间要有一定的厚度，以满足强度的要求，两相邻零件间取15.4mm，采用后侧导柱模架。其工作过程为：线材从右向左送进模具，通过承料块、凹模进行导料，挡料块控制线材的送進距离，上模向下运动，线材被切断，承料块压缩弹簧对线材毛坯进行承载，上模向上运动，弹簧回复原状，坯料仍能沿其沟槽送入，当上模回到初始位置，人工取下零件。

3.2 预弯模具设计

图5为预弯模具图。预弯模具设计的目的是为了保证U形零件弯曲前，将坯料两端弯出相应对的角度，便于U形件加工后，人工弯成梯形结构，实现最后折弯。

3.3 U形弯曲模具设计

图6为U形弯曲模具图。为使模具工作过程保持平稳，模架在压力机上固定时，必须保证冲模的压力中心通过模柄中心并与滑块的中心线重合。否则，将导致零部件之间发生磨损碰撞，降低模具的使用寿命，严重时甚至会发生工作事故。因此，模架在安装时，必须首先确定压力中心。该线材坯料形状对称，故压力中心在线材中性层的中间位置。

切断好的线材放进模具时，采用凹模中的导料块的孔径和沟槽进行定位。值得注意的是，其孔径和沟槽的尺寸应大于线材直径，以使线材顺利放入。为了使凸模恰好作用在线材的压力中心上，在模具送料方向上设计挡块进行挡料。因为零件为大批量生产，为了提高生产效率，采用一次弯曲成形九个零件的方式。

3.4 压弯模具设计

图7为压弯模具图。压弯模具设计的目的是为了把端口弯曲成形后的梯形件进行压弯，由于弯曲的角度以及下小上大的开口形式，故可以直接压弯成形。

4 结束语

选取新型全钢扣件中典型零件，考虑冲压件强度大，加工时会产生硬化，能够提高扣件的硬度，有利于产品在实际应用的作用，以及扣件的整体结构，故决定采取冲压生产工艺。设计了扣件生产模具，并通过三维建模软件Pro/E建立了模具模型，较传统铸造工艺，提高了生产效率，在生产中更为环保。

参考文献：

[1]张渝，周杰，曹建国，等.基于逆向工程的脚手架扣件冲压模具设计[J].热加工工艺，2008，37（23）：55-57.

[2]曹玉宝.凸轮精冲工艺与模具设计[J].机械传动，2012，36（04）：64-66.

[3]袁雪霞.建筑施工模板支撑体系可靠性研究[D].浙江大学，2006，6.

[4]白香鸽，董燕飞.压铸工艺对ADC12铝合金建筑脚手架扣件力学性能和腐蚀性能的影响[J].热加工工艺，2018，47（01）：127-130.

[5]彭文飞，朱健，孙宝寿，等.工艺参数对楔横轧42CrMo/Q235复合材料层合轴界面剪切强度的影响[J].北京理工大学学报，2018，38（09）：881-887.