不锈钢灯罩双向拉伸级进模设计＊

邹泽昌，谢宇玲

（福建船政交通职业学院机械与智能制造学院，福建福州 350007）

1 引言

2 制件结构分析

图1所示的灯罩俯视图呈圆形，材料为304不锈钢，尺寸为ϕ98×23mm，侧面为圆弧曲面，半径为R30mm，料厚为0.5mm，中间呈圆筒形，尺寸为ϕ70×18mm，底部圆弧半径为R2mm，在圆筒形底部有两个不规则的通孔。

图1 灯罩结构

由于制件上的两个圆角半径较小，其中圆筒形底部的圆角半径为R2mm，口部的圆角半径为R3mm，这两个圆角需要多次拉伸成形，其中R2mm的圆角半径应分3次拉伸，R3mm的圆角半径应分两次拉伸，否则材料会拉裂。圆筒形底部有两个孔，两个孔边缘之间的距离较小，仅为1.5mm，需要分两次才能冲出圆筒底部的两个孔。因此，按照单冲压工艺的生产流程，应由①落料、②拉伸Ⅰ、③拉伸Ⅱ、④拉伸Ⅲ、⑤成形Ⅰ、⑥成形Ⅱ、⑦冲孔Ⅰ、⑧冲孔Ⅱ、⑨整形等至少9道冲压工序才能冲出制件。生产的流程比较多，效率较低，无法批量生产。如果改由多工位级进模冲压该制件，将大幅度提高生产效率。

灯罩属于外观件，材料为304不锈钢，表面不允许有由冲压产生的拉伤、皱纹等不良现象。由于304不锈钢的硬度高，在拉伸时容易起皱。为了生产合格的制件，防止表面起皱纹，需要在拉伸、成形工序中采用压边圈。为了提高材料的利用率，应适当减小级进模步距。步距减少后，导致成形工序中的压边圈尺寸也会相应减小。压边圈尺寸减小后，将会导致压边力减少，使成形时制件表面容易产生皱纹。为了解决这个问题，在成形模的凹模上安装大功率氮气弹簧，加大对压边圈的压力，以此弥补由减少压边圈尺寸造成的压边力的损失，消除制件表面的皱纹。

3 冲压工艺分析

冲压灯罩的级进模主要由冲裁、正向拉伸、反向成形和冲孔等工序组成，共分为13个工步，排样图如图2所示。

图2 排样图

该多工序级进模的排样图分析如下：

（1）工步①：冲孔+冲裁月牙槽。该工步的主要目的是在料带的两侧冲压出4个月牙槽以及两个导正孔。月牙槽的作用是将用于拉伸的材料与料带分开，以便于拉伸时避免料带变形。导正孔的主要作用是定位，防止料带偏离预定的方向。在级进模冲压结束时，月牙槽和导正孔将随废料一起流入废料收集框中。

（2）工步②：冲裁。此工步是在月牙槽的基础上再次对料带进行冲裁，使月牙槽的两端仅有两条窄料与料带相连，其目的是防止拉伸时料带变形。工步②的凸、凹模如图3的阴影所示。由于工步①与工步②冲裁后的间隙非常小，凸、凹模位置基本重合，因此工步①与工步②不能合并成一个工序，必须分成两个工步。

截至2018年6月末，广西企业贷款余额14535.76亿元，同比增长11%，增速同比回落2.7个百分点，比各项贷款增速低2.25个百分点；企业贷款余额占各项贷款余额57.97%，占比比2013年下降3.35个百分点。2018年上半年企业贷款新增982.51亿元，同比少增337.06亿元，占各项贷款增量的53.7%，占比同比下降34.35个百分点。

图3 冲裁凸、凹模与月牙槽的位置关系

（3）工步③：空步。因为工步④的凸、凹模尺寸较大，为了不影响模板的强度，必须将工步③设为空步。

（4）工步④：切料。将用于拉伸的材料进一步与料带切开，使其仅剩4个宽度较窄的位置与条料相连，切料的目的是在拉伸时防止料带变形。在工步④中，凸、凹模反装，将凸模装在下模，凹模装在上模，凸、凹模结构如图4a所示，其中凹模镶件分为两块。当上、下模分开时，切开后的材料在离开凹模时，将会在凹模中形成真空而不能及时脱离凹模。为了将切开后的材料及时顶出，在下模中设置了10根直径为ϕ6mm的顶杆，在弹簧的作用下，顶杆可以将切开后的材料从凹模中顶出来。

图4 切料工序模凸、凹模结构a——俯视图 b——A-A剖视图1.凹模镶块 2.凸模 3.顶杆 4.上模座 5.上模垫板6.凸模固定板 7.止挡板 8.卸料板 9.凸模 10.凹模11.顶杆 12.下模垫板 13.弹簧 14.下模座

从图4a中可以看出，切料工序模的形状并不是一个整圆，右、左两边各有一段直线，这种结构是为了减少工步之间的距离，有利于提高原材料的利用率，降低浪费。根据制造同类模具的经验以及通过试制模具试模后的结果，将该级进模的步距设为135mm。

将切料工序模的凸模设计成直身，用螺栓直接固定在上模座上，而不是用沉头固定。当需要修模、改模时，从上模座上松开螺栓后，直接将凸模取出即可，而不需要将整副上模拆开才能取出凸模。这种结构的优点是在修模、改模时，拆装模具零件比较方便。

（5）工步⑤：拉伸Ⅰ。在拉伸Ⅰ工序模中采用反向结构，即将凸模装在下模，凹模装在上模。在凸、凹模的拉伸作用下，将切开后的材料拉伸出直径为ϕ70mm，深度为18mm的圆筒形。当拉伸完成后，在上模提升时，为了防止在凸模端面与拉伸后的材料之间形成真空，在凸模的中心设计直径为ϕ20mm的进气孔，以便于空气从进气孔中填充到材料与凸模之间的间隙中。为了便于拉伸后的材料与下模分开，在下模设计了8支直径为ϕ8mm的顶杆，用顶出方式将拉伸后的材料与下模顶开，拉伸工序模如图5所示。

图5 拉伸工序模凸、凹模结构1.顶杆 2.凸模 3.凸模固定板 4.上模座 5.上模垫板6.螺栓 7.凹模 8.下模垫板 9.下模座 10.弹簧

因为圆筒形底部的圆角半径为R2mm，该半径值标注在圆筒形的外表面，该制件的料厚为0.5mm，则凸模的圆角为R1.5mm，不能一次性拉伸成形，否则材料会开裂，需分多次拉伸才能拉伸出圆筒形底部的圆角（R2mm），在这个工序中，所拉伸的圆角半径为R3mm。

（6）工步⑥：拉伸Ⅱ。结构与拉伸Ⅰ类似，在拉伸Ⅰ圆角的基础上，进一步拉伸圆筒形底部的圆角半径，在这个工序中，所拉伸的圆角半径为R2.5mm。

（7）工步⑦：拉伸Ⅲ。结构与拉伸Ⅰ类似，在拉伸Ⅱ的基础上，进一步拉伸圆筒形底部的圆角半径，在这个工序中，所拉伸的圆角半径为R2mm。

（8）工步⑧：成形Ⅰ。在成形Ⅰ工序模中，将凸模设在上模，凹模设在下模。当上、下模合拢时，利用凸、凹模的挤压力，将材料挤压成形至制件要求的形状，制件顶部的圆角由凸模成形。

因为制件上表面的圆角半径为R3mm，该半径值标注在圆筒形的外表面，该制件的料厚为0.5mm，则凸模的圆角为R2.5mm。为了圆角处材料不开裂，分两次拉伸制件上表面的圆角（R3mm），在这个工序中，所拉伸的圆角半径为R3.5mm。成形Ⅰ工序模结构如图6所示。

图6 成形Ⅰ工序模结构示意图1.上模座 2.上模垫板 3.凸模固定板 4.成形凸模5.定位柱 6.凹模 7.氮气弹簧 8.下模垫板 9.下模座

为了防止制件中间已拉伸的圆筒变形，按照圆筒形的结构设计成定位柱，在成形时起定位作用。由于压边圈尺寸较小，为了防止成形时制件表面产生皱纹，在凹模的底部安装氮气弹簧，由氮气弹簧给凹模施加压力。为了防止在脱模时形成真空，在下模开设排气孔。

（9）工步⑨：成形Ⅱ。其模具结构与成形Ⅰ相同，在成形Ⅰ的基础上，再次对制件进行成形，有两个方面的作用：第一个作用是将制件上的圆角拉伸至R3mm，第二个作用是通过表面扩张消除第一次成形时制件表面产生皱纹。为了增加反向成形Ⅱ的压力的，在凹模底部同样需要安装氮气弹簧。

（10）工步⑩～工步○1：冲孔。在制件的中间位置有两个孔，其边缘的距离仅为1.5mm，需要分两个工序才能冲出两个孔，即先冲其中一个孔，再冲另一个孔。

（11）工步○12：落料。按落料模的结构，将制件与料带分开，同时将制件的轮廓修理整齐。制件沿夹具从模具中滑出，自动流入到成品收集框中。

（12）工步○13：切断。切断模安装在级进模的尾部，利用切断模，将料带切断，废料沿夹具从模具中滑出，自动流入到废品收集框中。

4 级进模结构

灯罩多工位级进模选用四导柱模架，如图7所示。各工位中装有导正销，冲压前先行冲孔从而实现精确定位，提高冲压精度。下模安装了弹顶装置，冲压前可以同上模一起压紧制件，冲压后将工序件从下模中顶出，使其随凸模上行，后由卸料板19卸下，使料带留在下模。模具结构示意图如图7所示。

图7 灯罩多工位级进模结构示意图1.冲导正孔+冲月牙槽 2.冲裁工序模 3.空步 4.裁剪工序模 5.拉伸Ⅰ工序模 6.拉伸Ⅱ工序模 7.拉伸Ⅲ工序模 8.成形Ⅰ工序模 9.成形Ⅱ工序模 10.冲孔工序模Ⅰ 11.冲孔工序模Ⅱ 12.落料工序模 13.切断工序模 14.上模脚 15.上模座16.上模垫板 17.上模固定板 18.止挡板 19.卸料板 20.料带 21.凹模板 22.下模垫板 23.下模座 24.下模脚

5 试模故障及其解决方案

在试模过程中，发现制件起皱纹以及制件表面出现拉花现象，制件起皱的原因是成形时压边圈尺寸较小，导致压边力不够，导致成形时容易起皱。制件表面出现拉花的原因是凸、凹模表面不够光滑，从而导致拉伸制件表面留下明显的划痕。

可以通过以下3种解决方案消除制件表面的皱纹：第一种解决方案是在成形时在压边圈的凸、凹模上安装大功率的氮气弹簧，加大压边力；第二种解决方案是将工步⑤～工步⑦的凸、凹模进行镀钛处理处理，增加凸、凹模的耐磨性能与光洁度，防止凸、凹模刮花制件表面；第三种方案是将成形Ⅰ的凸、凹模尺寸适当做小一些，通过成形Ⅱ的扩张作用，消除成形Ⅰ在制件表面留下的皱纹。

6 结论

适当减少级进模的步距，可以减少原材料的浪费。但是减少步距后，必将导致压边圈尺寸减小，在拉伸、成形时，将会引起制件表面产生皱纹。为了消除制件表面的皱纹，在成形Ⅰ和成形Ⅱ的凹模采用氮气弹簧结构，增加压边力，以确保拉伸、成形时制件表面不会发生皱纹。另外，为了消除制件表面产生刮痕，对拉伸、成形工序模的凸、凹模进行镀钛处理，提升模具凸、凹模的耐磨性和光滑性，使制件表面不会产生刮伤现象。

经生产实践证明，该304不锈钢灯罩的双向拉伸级进模的结构设计合理，制件外观无皱纹，无刮伤，满足制件的外观要求，原材料的利用率高，浪费少，模具能满足批量生产的要求。