不锈钢长圆形件多工位级进模设计

金龙建

松渤电器（上海）有限公司 上海 201323

1 序言

不锈钢长圆形件是某汽车上的配件，材料为SUS304不锈钢。该制件的传统工艺采用9副单工序模冲压成形，即：毛坯落料、拉深复合模（工序①）；二次拉深（工序②）；三次拉深（工序③）；整形（工序④）；外形落料、冲中间顶孔（工序⑤）；侧冲孔（工序⑥、工序⑦）；凸缘处成形（工序⑧）；整形（工序⑨）。单工序模冲压模具虽然具有结构简单、模具设计及维修方便等优势，但所需模具较多，冲压成本高，随着产量的日益增长及市场的激烈竞争，单工序模已经无法满足大批量生产需求，缺乏竞争优势。经分析，决定采用一副可以落料、拉深、侧冲及成形的多工位级进模进行生产，其生产出的制件质量稳定性好，生产效率高，同时也大大降低了制件的冲压成本。

2 工艺分析

如图1所示，该制件形状复杂，是一个带弧面凸缘的长圆形件，料厚t＝1.6m m，最大外形长为76.8mm、宽为44.5mm、高为30.6mm；拉深部分为长圆形，在长圆形的侧壁冲出一个2 1.5 m m×的方孔和一个的圆孔；凸缘处由R63.1mm的弧面与长圆形部分采用R3mm相切连接而成。

在多工位级进模上完成该制件的冲压成形，向上拉深成形较为合理，具体冲压工艺流程为：冲切毛坯外形→拉深→整形→冲顶孔及外形废料→侧冲孔→凸缘成形及整形→落料（制件与载体分离）[1]。

图1 不锈钢长圆形件形状及尺寸

3 工艺计算

3.1 毛坯尺寸计算

该制件凸缘处形状不规则，按相关理论公式计算较繁琐，计算结果与实际相差较大。因此用专业的展开软件进行计算，速度快且准确度高，计算出的制件毛坯如图2所示。

图2 制件毛坯

3.2 拉深工序计算及各工序尺寸绘制

（1）拉深工序计算[2]由图1 可看出，该制件为不规则异形凸缘的长圆筒形件，当时，属于高长圆形件。毛坯相对厚度时，拉深系数按长圆形毛坯形状查资料得：第一次拉深系数m1＝0.48～0.52（实取0.52）；以后各次拉深采用不压边的结构，查得第二次拉伸系数m2＝0.80，第三次拉深系数m3＝0.82，第四次拉深系数m4＝0.84。该长圆形件毛坯形状计算如下，公式中所涉及的代号可在图3中一一对应。

1）首次拉深工序尺寸计算。首次拉深形状按椭圆形过渡。

首次拉深高度按经验值预计算：

2）二次拉深工序尺寸计算。

二次拉深高度按经验值预计算：

3）三次拉深工序尺寸计算。

从A3、B3计算数据可以看出，该尺寸小于制件的尺寸，但与制件的中心线尺寸相差不大，因此，该工序的外形尺寸及高度按制件的外形尺寸及高度来绘制即可，即拉深高度H3＝29mm。需要说明的是，以上拉深高度为预估数据，具体值需在调试中做进一步调整。

（2）拉深工序简图绘制 根据以上计算，绘制出各工序的简易外形尺寸[3]，如图4所示。

图3 长圆形毛坯形状计算所涉及的尺寸

图4 简易外形尺寸

4 排样设计

（1）排样设计要点 排样设计是多工位级进模设计的核心环节之一，排样具体要点介绍如下：①冲压出的制件合格且稳定性好。②尽可能简化模具结构。③确保各凸、凹模有足够强度的前提下尽量减少工位数。④尽可能降低制造成本。⑤在保证带料送料稳定的前提下尽可能提高材料利用率[4]。

（2）排样要点分析 该制件冲压工艺比较复杂，具体步骤分析如下。

1）首先冲切出制件毛坯外形，留毛坯与载体搭边即可。该制件为拉深件，凸缘处是弧面。因此，载体与毛坯采用工艺伸缩带来连接过渡，这样可以确保载体不受毛坯在拉深、成形过程的影响而导致变形、扭曲，方便送料，同时也减小了成形时的阻力，载体及搭边设计如图5所示。

2）拉深工位布置。该制件先拉深，分3次完成，考虑到拉深的工作过程原理，在首次拉深前后各留一个空工位，方便压边圈设置及拉深动作的合理进行。

图5 载体及搭边设计

4）侧冲孔结束后再进行凸缘弧面的成形、整形工作，最后落料（制件与载体分离，分离后的制件从右边模面出件）。

（3）排样图设计 经过以上几点分析后，将该制件分为23个工位来排样，如图6所示，具体工位安排如下：在工位1上冲导正销孔、预切外形废料；在工位2、工位3上预切外形废料；工位4为空工位；在工位5上完成首次拉深；工位6、工位7为空工位；在工位8上完成二次拉深；在工位9上完成三次拉深；工位10用于整形；工位11为空工位；在工位12上冲顶孔、冲切外形废料；工位13用于冲切外形废料；工位14为空工位；在工位15上侧冲孔；工位16为空工位；在工位17、工位18上侧冲孔；工位19为空工位；在工位20上完成凸缘弧面成形；工位21用于凸缘弧面整形；工位22为空工位；在工位23上完成落料（即制件与载体分离）。

图6 制件排样

5 模具结构设计

（1）模具总体设计 模具结构如图7所示，该模具由1副大模架和6组模板组合而成，总长为2000mm，宽为650mm，高为450mm，各组的工作内容具体介绍如下[5]。

1）第一组冲切导正销孔及毛坯的外形废料。为了简化冲切毛坯外形废料的结构，并考虑到凸、凹模的强度，该毛坯外形分7个刃口进行冲切。

2）第二组完成首次拉深。为了方便调整压边力，该模具将首次拉深单独设计为一组。

3）第三组完成二次拉深、三次拉深及整形。

4）第四组精切外形废料。该外形废料除了留4个搭边，其余部分分4个刃口冲切而成。

6）第六组完成凸缘弧面成形、整形及落料。

图7 模具结构

（2）导柱、导套设计 为了提高模具的精度及使用寿命，在模座上设置4套φ60mm的外导柱、外导套和24套φ20mm的小导柱、小导套。

（3）导正销孔设计 该模具在两边载体及毛坯中间均设置导正销孔，均在工位1进行冲切，工位2采用3个导正销同时精确定位，后续根据每个工序的需要，将容易窜动的工位均设置成导正销定位。

（4）侧冲孔结构设计[6]侧冲孔结构是该模具的关键结构之一，从图1可以看出，该制件共有2处侧冲，即一个21.5m m×14+0.1+0m m 的方孔和一个φ2.1+0.1+0mm的小圆孔。为了增加方孔凹模的强度，将方孔分解成3个部分冲切。第一次侧冲为冲切方孔中间部分及对面的小圆孔，将此工序安排在工位15上完成；第二次与第三次侧冲方孔分别安排在工位17、工位18上完成。

以工位15的侧冲孔模具结构（见图8）为例做详细介绍。该部分结构比较特殊，左、右滑块均设置在带料的工位与工位之间来实现侧冲动作，斜楔垫块8、14埋在上模座9里面，斜楔6、17固定在斜楔固定板7上，滑块3、19吊装在卸料板垫板4上，各凸模分别固定在滑块及凸模固定块上，滑块复位采用氮气弹簧18来实现。

冲压动作：上模下行，导正销（图中未画出）先对带料进行定位，上模继续下行，滑块3、19底面接触到平行柱25、29的上平面后，上模继续下行至斜楔接触到滑块，使滑块3、19向中心滑动，对带料上的工序件27进行侧冲，模具回程时在氮气弹簧12、18的弹力下完成复位。

图8 侧冲孔模具结构

6 模具生产验证

该模具安装在3150kN的闭式压力机上进行试冲及大批量生产，经过生产验证，冲压速度可达到30冲次/min。结果表明，该制件采用多工位级进模来实现拉深、侧冲是合理可行的，大大提高了生产效率并降低了制件的成本，满足了大批量生产的需求，试冲出的料带实物如图9所示。

图9 料带实物

7 结束语

传统工艺采用9副单工序模冲压，该模具改用新工艺，采用1副多工位级进模来冲压，可完成冲切毛坯外形、拉深、侧冲及成形等工序，大大提高了生产效率且降低了制件成本。为了方便制造、维修及调试，该模具由1副大模架与6组模板组合而成。首次拉深单独设计1组模板，可以在压力机上直接调整压边力，方便维修及调试。为了增加侧冲方孔凹模的强度，将21.5mm×14+0.1+0mm的方孔分解成3个部分进行冲切，获得了成功。该模具的4个滑块均吊装在卸料板垫板上，解决了设置在带料左右方向的侧冲孔难以实现侧冲动作的难题。