汽车夹形件冲压模具设计*

张 巍，鄢 勇，赵小娟

（1.武昌工学院智能制造学院，湖北 武汉 430065；2.武汉思凯精冲模具有限责任公司，湖北 武汉 430205）

冲压是指在常温下靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的加工方法[1]。冲压在工业生产中占据着重要的地位，例如板料冲压成型就是一种十分重要的制造技术，在汽车、航空、电器和国防等工业中都有广泛的应用[2]。相对于传统的机加工方法，冲压生产效率非常高，而且产品的尺寸精度高、材料利用率高，同时，由于产品与模具之间“一模一样”的特点，制件的互换性好。但是，随着模具行业迅速发展，用户对产品的质量要求越来越高，传统的冲压工艺已经满足不了现代化生产的需要，对产品的成本进行控制、生产效率进行提高已经成为冲压件行业改革的重要因素之一[3]。课题组以某工程项目汽车夹形件零件作为研究对象，利用计算机辅助设计软件Pro/E对夹形件冲压模具的设计过程进行了详细阐述，主要从三个方面展开设计：首先，依据提供的夹形件零件图纸，分析冲压零件的工艺性并制订冲压件工艺方案，确定了采用复合模的设计方案；其次，对模具的主要工艺参数进行计算，如冲压工艺力、工作部分尺寸、凸模和凹模间隙等，确定了模具的尺寸；最后，利用Pro/E绘制模具图并进行组装。

1 工艺分析

夹形件零件如图1所示，材料为10号钢，材料厚度t=1 mm，大批量生产。

图1 夹形件零件图

该零件结构对称，两侧各有一个60°的弯角，在中心位置有一个φ4的孔，其孔边与边缘之间保持相同的一定距离，且孔边距（2 mm）大于1.5倍的板厚（1.5 mm），可以有效地避免冲孔时凸模受水平推力而折断。工件的弯曲半径r为1 mm，不同金属材料在不同状态下最小弯曲半径的数值如表1所示[4]，由表1查得rmin=0.5t=0.5 mm，能够一次弯曲成功，且r/t大于rmin/t时，可以有效地控制弯裂。

表1 不同金属材料在不同状态下最小弯曲半径的数值（部分）

若孔的尺寸过小，相应的凸模刃口尺寸也会过小，其结构细长会因强度的限制容易折断或者压弯。因此，要确定冲孔的尺寸是否为最小冲孔尺寸。冲孔的最小尺寸如表2所示[5]，由表2可以得知φmin=1.0t=1 mm，弯曲件中心孔直径为4 mm，大于1 mm，可以利用自由凸模冲孔。

表2 冲孔的最小尺寸

该工件是弯曲角度小于90°的闭角形弯曲件，当r/t<5时，回弹对圆角半径的影响不大。因此，该产品符合一般弯曲的经济精度要求。根据以上对加工零件的工艺性分析，该工件的弯曲和冲裁工艺良好，适合进行冲压加工。

2 工艺方案的制订

根据汽车夹形件零件图可知，该冲压件成形需要冲孔、弯曲两道基本工序。根据零件的工艺特点和工艺要求，设计的冲压成型方案有以下三种。

1）方案1：先弯曲，后冲孔，采用单工序模加工。

2）方案2：冲孔-弯曲级进模，采用级进模加工。

3）方案3：弯曲-冲孔复合模，采用复合模加工。

方案1单工序模的模具结构相对来说比较简单，但是需要两套模具，生产效率比较低，同时，生产过程中会叠加两次安装误差，因此冲裁件质量较差；方案2级进模结构最为复杂，同时，两道工序中会积累定位误差，因此冲裁件的质量相对也不是很高；方案3复合模只需要设计一套模具，生产效率高，并且定位精度容易保证，冲裁件质量很好，同时，满足最小孔边距条件，可以利用活动式回转凹模的结构来完成弯曲成形。详细工艺方案对比如表3所示。

表3 冲压工艺方案对比

综上所述，结合零件的材料特性、结构特点、生成批量、生成工艺以及模具成本，选择方案3更为合理。

3 展开尺寸计算

该零件是r>0.5t的弯曲件，根据相关资料[6]，利用弯曲前后毛坯中性层尺寸不变的原则来计算展开长度，弯曲部分展开草图如图2所示。

图2 展开尺寸图

展开长度L的计算公式如式（1）所示：

其中，α——弯曲件角度；ρ——中性层弯曲半径。

该零件两边对称弯曲，计算时先按二分之一尺寸计算。其中，已知参数a=12 mm、b=13.5 mm、r=1 mm、α=60°、t=1 mm，x为应变中性层位移系数，如表4所示。ρ=r+xt=1 mm+0.3×1 mm=1.3 mm。

表4 应变中性层位移系数x值

毛坯展开图如图2所示，其一半弯曲部分展开长度为：

即该工件毛坯展开总长度为L总=2L=56.44 mm。

4 冲压力的计算

4.1 弯曲力

工件的弯曲回弹在冲裁、弯曲、拉深等冲压工序中影响最大，其对工件的质量有很大的影响。本次设计中采用校正弯曲，大大地减少弯曲回弹，提高工件的质量。校正弯曲时校正力远大于压弯力，一般只计算校正力，F校计算公式如式（2）所示：

其中，弯曲件上被校正部分在垂直于弯曲力方向平面上的投影面积用A表示，单位校正力q如表5所示，得值为40 MPa。

表5 校正弯曲时单位校正力q值

弯曲力由公式（2）计算得F=8.64 kN。

4.2 冲裁力

对于通常的冲裁力来说，其冲裁力F冲一般计算公式如式（3）所示：

其中，L表示冲裁周边长度；t表示材料厚度；τb表示材料的抗剪强度，10钢的抗剪强度为300 MPa；K表示安全系数，一般取1.3。

冲裁周边长度为L=2πr=2×π×2 mm=12.57 mm，计算得冲裁力F=4.9 kN。

4.3 顶件力

弯曲模中设有顶件装置，其顶件力F顶计算公式如式（4）所示：

其中，CD为顶件力系数，一般取值为0.2，计算得顶件力F顶=1.728 kN。

4.4 推件力

设有的推件装置作用是将冲孔废料从凸凹模孔中推出，其推件力F推计算公式如式（5）所示：

其中，n表示同时冲孔的个数，K推表示推件力系数，取值0.055，计算得F推=0.27 kN。

5 模具结构及工作过程

如图3所示为设计的弯曲冲孔复合模。该复合模采用正装式复合模结构，主要由刚性推件装置、弹性顶件装置、活动弯曲凹模、固定弯曲模、凸凹模、固定板、模板等零件组成。其中，弯曲凹模采用组合式结构，在凹模座内设计有一组转轴式回转活动凹模；冲孔凸模采用圆形台阶式结构，利用台阶紧压在固定板上，防止被拉出；凸凹模是同时具有冲孔凹模和弯曲凸模的工作零件，其形状和尺寸完全取决于所冲工件的形状和尺寸；采用手工送料方式，定位板定位毛坯；刚性推件装置推件；弹性顶件装置顶件，顶出箍在冲孔凸模上的工件，并同时提供顶件力，防止毛坯窜动。工作过程是在压力机的作用下，弯曲凸模受到向下的力，将毛坯件压弯成角度为90°的U形件；持续在冲压力的作用下，毛坯在活动凹模的凹槽中继续旋转形成弯曲角为60°的夹形弯曲；同时，冲孔凸模与落料凹模（凸凹模）共同作用，完成冲孔的工序；最后凸凹模在压力机和弹性顶件装置的作用下上升，顶出工件，提供顶件力，防止工件窜动，刚性推件装置将冲孔废料从凸凹模中推出，完成一个工作循环。

图3 模具装配图

6 结语

首先，课题组通过对某汽车夹形件零件的工艺进行分析，在兼顾生产效率及制造成本的基础上，确定了合理的工艺方案；其次，根据初始参数设计了弯曲冲孔正装复合模；最后，设计的模具经过试模，进行小批量加工生产实验。产品质量满足设计、工艺要求，目前已用于实际生产，极大程度地降低了零件生产成本，提升了产品质量，经济效益显著，对实际的模具设计有一定的借鉴意义。