汽车螺母板翻孔工艺及级进模设计

韩耀东，韩明彦

（武汉中人瑞众汽车零部件产业有限公司，湖北武汉 430073）

1 引言

翻边翻孔在冲压生产中属于典型的成形工艺，翻边主要分为内凹翻边（伸长类翻边）和外凸翻边（压缩类翻边），如图1所示。

翻孔最常见的是翻圆孔，如图2 所示。异形孔翻孔的原理也与翻圆孔类似。冲压工艺中，除了正常翻孔的形式外（一般情况下，翻孔后的壁厚大约是原材料的85%t），还有变薄翻孔工艺（壁厚比85%t小，甚至更小）。还有另外一种情况就是翻孔后进行反镦工艺，可以使翻孔的壁增厚（可以超过材料的原始壁厚）。翻孔的类型比较多，工艺也各不相同。在实际生产中，最常见的是先冲底孔再翻孔，还有直接刺孔翻孔、冲孔翻孔一体化、还有无预孔的直接翻孔、先拉伸再翻孔等多种工艺形式。

冲压件通过翻孔之后再攻螺纹的情况非常多，有些情况下，因为制件翻孔尺寸的要求和翻孔工艺的局限性，需要经过拉伸成形之后再冲孔翻孔。一方面是满足翻孔有足够的高度；另一方面是防止因翻孔变形太大，而导致翻孔开裂的情况发生，但这些工艺所产生的翻孔壁厚，往往都比原材料料厚薄。

汽车螺母板是汽车上比较常见的冲压件，不仅品种多，而且每车的使用数量也比较多，这种制件因为强度要求较高，往往需要螺纹孔的壁厚比较厚，以前很多是通过冲压件焊接螺母的形式实现，或者是通过螺母盒里面镶嵌活动螺母而实现。现在经过结构改进和工艺优化，汽车螺母板改进为纯冲压件，它是通过拉伸、翻孔、反镦、攻丝的工艺形式完成，这就是通常所说的螺母板冲压工艺。虽然是冲压件，但是螺母板的强度没有降低要求。汽车上车门的安装、安全带的安装、座椅的安装等，都用到了螺母板。螺母板的形式多种多样，这里以其中的一个品种作具体介绍。

2 螺母板简介

图3所示为某车型螺母板，材料QSTE420TM,料厚t=4mm，标准Q/BQB310-2009，属于高强度板；螺纹M8×1.25mm-6H，等级AC12，螺纹的加工方式是采用挤压丝锥成形，挤压螺纹的底孔尺寸为ϕ7.45±0.05mm。螺母部分的外部直径为ϕ18mm，壁厚为5.275mm（攻丝前），相当于比原始料厚增厚了1.275mm，这在冲压翻孔工艺里面属于比较困难的事情，一般情况下翻孔的壁厚为料厚的80%～85%，而且翻孔的高度为9mm，超过了正常的翻边高度。为此，需要针对性的设计特殊的冲压工艺手段，达到制件要求的效果。

3 成形工艺分析

图4所示的螺母板，材料强度较高，料厚较厚，翻孔直径小，翻孔高度高，而且壁厚要求增厚，按常规的翻孔工艺，显然是无法实现的。由于翻边高度不能达到要求，考虑用多次拉伸的方式，先储备材料，再翻孔，最后通过反镦的工艺方式，使壁厚变厚，完成螺母底孔的冲压工艺。由于制件的用量比较大，单工序生产无法满足生产要求，因此，考虑级进模的生产方式，解决生产的效率问题。从制件图纸看，螺母底孔的成形是这个制件冲压的关键所在，其它的镦苞、修边工序都属于常规的、简单的冲压工艺，所以，先从螺母底孔的成形分析开始探讨。

具体的成形工艺：先拉伸、再冲底孔、再翻孔（由于料太厚，孔太小，不需要进行翻孔，直接精修底孔到螺纹底孔尺寸）；然后利用反镦成形，使螺纹底孔的壁厚增厚。

（1）根据螺母板的制件图纸，采用等体积法的原理，计算出毛坯尺寸的大小，如图4所示。

（2）根据螺母底孔最终的尺寸，推算出反镦之前，制件所需要拉伸的形状，以及翻孔的形状（这里由于料厚较厚必须区域太小，不需要进行翻孔，采用冲孔的工艺方案可以直接替代翻孔）。拉伸、翻孔、反镦的局部尺寸，如图5所示。

（3）根据制件的毛坯尺寸和拉伸所需要的最终底孔尺寸要求，利用等体积法和材料的拉伸系数计算原理，推算冲压件的拉伸次数和各拉伸工序所要求的尺寸。经过初步计算，需要15道拉伸工序和1道整形、1道冲孔工序完成最终底孔的尺寸要求，具体拉伸次数和拉伸系数如表1所示。

表1 螺母板拉伸次数和拉伸系数计算值

（4）冲压件从毛坯开始，每道工序的拉伸工序图，如图6所示。

（5）螺母板经过拉伸整形冲孔工序后，开始几次反镦、拉伸、整形的工序。反镦是为了增加壁厚，拉伸是为了使壁厚平滑均匀避免折叠，整形是为了达到制件的最终尺寸要求。经过几次反复工序，使螺母板的壁厚逐步增加，其工序图如图7所示。

反镦主要是使翻孔的壁厚增厚，通过减小翻孔的高度和增大翻孔的外径实现壁厚增厚。内径因为要攻丝，其表面质量要求比较高，就不再参与成形，其目的是防止材料因成形过程中产生局部暗叠料或内孔形状轮廓不均匀，影响螺纹的形状和强度。

（6）经过冲压件的毛坯形状、拉伸次数、反镦工艺等综合分析，可以得到完整的级进模的料带工序图，考虑到模具的强度问题以及调试过程中的其它情况发生，在料带的排布过程中，采用了一模二件的形式，对称分布，同时设置了料带伸缩工艺切口，保证了导正销正常导正，并适当安排了空步工序。具体排样如图8所示。

4 螺母板级进模结构

螺母板的级进模结构如图9所示。

根据排样图，设计级进模的模具结构，模具的基本结构分为上模座、上垫板、凸模固定板、卸料板、凹模固定板、下垫板、下模座、下模支撑板、下模压板组成。整副模具采用8 个导柱导向，确保模具的精度。由于模具的总工步数是41步，考虑模具加工困难和变形等因素，把模具的内部结构分成5个小模块拼装在一起，每个模块都有4个独立的小导柱导向。每一工步都是独立的小单元模芯，可以单独拆卸和装配，方便制造、维修和更换部件。模具的分型面全长都设置有平衡块，防止模具在工作过程中产生不平衡的情况，确保模具整个过程平衡工作。最后是制件落料1模2件，制件从模具下方漏出，条料的废料从右边切断侧滑出。由于是高强度厚板料拉伸成形，所以，凸、凹模部分需要做表面涂覆处理，防止拉伤制件或凸、凹模的工作部分，凸、凹模部分需要设置有排气功能。厚板料拉伸，对应压料不是很关键，但每个工步必须设置有顶出功能，方便工序件脱模。

5 结束语

经过模具的设计、制造和调试，整个过程比较顺利，生产的制件满足要求。由于是级进模生产，又是一模二件，生产效率比较高，所以模具的表面涂覆、生产过程中使用润滑油显得非常重要。同时，模具的易损备件必须要有准备，随时可以快速更换。拉伸、翻孔工艺是冲压领域的常规工艺，而且在材料成形中占很大比例。但是，拉伸、翻孔使材料壁厚增厚的工艺方案并不多见。采用反镦成形工艺，使壁厚增加，又能实现级进模的高效生产方式，是一种比较新颖的工艺方案，尤其适用于螺纹孔的成形工艺。该制件的调试比较满意，实物如图10所示。

通过对材料拉伸、翻孔、反镦的成形分析，对级进模的排样方式以及每道序的工作内容进行综合考虑，最终形成了比较完善的螺母板的生产工艺，克服了螺母板翻孔壁厚变薄的问题，实现了壁厚增厚的要求，为类似制件的生产提供了一定的帮助。由于制件的强度高、尺寸小，生产效率高，在模具制造的过程中，对模具的制造精度、表面涂覆、模具冷却、润滑等都有严格的要求。该制件的螺纹加工是在另外的工序完成，这里不作介绍。如果要使生产效率进一步提高，还可以在模具里面设置模内攻丝机，直接完成整个成品的制造过程。这些先进的理念应用，会使生产效率得到显著提升。