勺形截面零件冲压工艺及模具设计

2020-11-21铁科纵横天津科技发展有限公司天津301700马运章

金属加工(冷加工) 2020年10期

关键词：落料拉延凹模

■ 铁科纵横（天津）科技发展有限公司（天津 301700）陈家马运章

如图1所示，该零件是火车车轮上一种重要表面覆盖类零件，批量大，外观要求较高，表面不允许存在划伤、褶皱及破裂等缺陷，且对毛刺要求严格。零件材料为DC01，厚度为1mm。

图1 勺形截面零件

1. 工艺分析

该零件是一种典型勺形截面零件，其主要特点是直径大、薄壁、直径收缩相对较小，且外圈以圆弧段结束，不存在水平飞边，因此拉深成形时无法设计压边圈结构，只能使用无压边的成形方式。

与球形零件拉深类似，勺形截面零件在拉深成形时，不能使用拉深系数作为设计工艺的依据。因为勺形截面零件在拉深成形时，大部分坯料处于不受压的自由状态，零件外圈处极容易产生周向失稳，从而出现褶皱。成形前坯料直径D与成形后产品直径d之差D－d越大，即径向收缩越大，越容易出现褶皱。根据经验可知：当D－d＜10mm时，勺形件无压边成形时不会产生褶皱；当D－d＞10mm时，成形后产品周边开始出现褶印，该差值越大，褶皱越明显；当D－d＞25mm时，将发生坯料折叠现象。所以成形前坯料直径D与成形后产品直径d之差D－d非常关键，是评价勺形截面零件无压边成形难易程度的基准，也是设计拉深工艺的依据。

图1中零件的落料料片直径D根据公式D＝L1＋2L2＋2L3计算。式中D为落料直径；L1为R500mm圆弧弧长；L2为R1800mm单段圆弧弧长；L3为R30mm单段圆弧弧长。

经计算图1中零件的落料料片直径D为735.3mm，产品直径d为700mm，其差值D－d=35.3mm＞10mm，所以该零件一次成形不能获得合格产品，将出现坯料折叠现象。因而设计其生产工艺路线为：下料→预成形→终成形。即板料先落料成圆片，然后预压成形至一定的尺寸和形状，最后再终压成规定尺寸的产品。该工艺方法能避免因一次收缩过大而产生褶皱问题，获得合格产品，但还存在以下问题。

1）成本高。模具数量多，需要3套模具——落料模、预成形模和终成形模，模具成本费用高；配套的压力机设备多，维护维修成本高。

2）工序多。从坯料到成品需要经过3道工序——落料、预成形和终成形，不便于生产管理，且生产效率低，板料需要较长时间周转，在夏季温、湿度较高的环境下产品容易生锈，产品质量风险显著增加。

为了解决上述问题，对该零件成形方式进行工艺改进。经过反复论证重新设计落料模，使之兼具预成形模及落料模的功能，从而省去预成形工序，即新模具落料后料片直接进行终成形，获得合格产品。

2. 模具结构及工作过程

基于上述分析，对落料模进行重新设计，采用倒装凸、凹模的结构形式，如图2所示，该模具名称为拉延落料模，左侧为模具开模状态，右侧为模具闭合状态。具体工作过程为：液压机滑块上升，开启模具，此时将坯料（图中彩色线条）放置于凸模11和卸料板12上；液压机滑块下降，上模下行，上压料板9的外圈和凹模8最先接触并压住坯料边缘；滑块继续下降，上压料板9逐渐与凸模11完全闭合，此时坯料完成预成形；随着滑块继续下降，在弹簧1和5的作用下，凹模8继续下行，剪切坯料，直至下死点，完成坯料的剪切；随后滑块上升，上模上升至开模状态，成形好的料片在顶料杆10的作用下顶出，最后工人取走料片及废料，继续下一个循环。

图2 拉延落料模结构

3. 模具主要零件设计

（1）凸模的设计凸模11是该拉延落料模的重要零件（见图3），材料为45钢。采用加工中心进行数控铣削加工，调制处理，硬度要求为26～32HRC，表面进行氮化处理，氮化层深度为0.30～0.35mm。

根据凸模刀环3的外径可确定凸模11直径，凸模11外圈留出凸模刀环3的安装空间即可。

（2）凸模刀环的设计凸模刀环3是该拉延落料模的核心零件（见图4），材料为Cr12MoV，硬度要求58～62HRC，表面进行氮化处理，氮化层深度为0.30～0.35mm。

凸模刀环3与凸模11的形状必须一起设计，根据D－d的差值确定凸模刀环3的外径（当料片具备一定形状时，将产生加工硬化，增加料片强度，从而使得D－d的差值可以适当增大，此处取该差值为15mm），然后根据面积相等原则确定其高度及弧长，最后考虑凸模刀环刃口的强度及使用寿命，确定外圈刃口横截面的长度以及刀环厚度。

（3）凹模刀环的设计凹模刀环4设计与凸模刀环3设计类似，均采用4个定位销定位，8个螺栓紧固联接在凹模8上，比较重要的尺寸为凹模刀环的内径尺寸，为φ715+0.03+0m m。材料为C r 1 2 M o V，硬度要求5 8～62HRC，表面进行氮化处理，氮化层深度为0.30～0.35mm。