表芯盖多工位级进模设计*

2023-11-28鲍方翔程龙胜

南方农机 2023年23期

孟普，鲍方翔，程龙胜

（蚌埠学院机械与车辆工程学院，安徽蚌埠 233030）

根据冲压工序组合方式的不同，冲压模可以分为单工序模、复合模和级进模（跳步模或连续模）[1-3]。如果零件尺寸较小、精度要求较高、具有多道冲压工序，若采用单工序模，则需要多套冲压模具。由于换模时零件的定位比较难，容易导致冲压件精度满足不了要求，且生产效率较低，模具成本较高。考虑到工件形状的复杂程度和精度要求，复合模只能完成部分工序组合的冲压件生产，冲压工序较多时，也需要多套模具，一套复合模很难完成。对于尺寸比较小、精度要求较高、冲压工序较多和大批量生产的工件，通常采用多工位级进模的冲压方式生产[4-7]。此时，不需要考虑多套单工序模造成的定位误差和复合模难以完成的复杂形状工件，可以在保证工件精度的基础上提高生产效率。进行级进模设计时，需要结合工件的形状，合理安排工件的排样方式，选择合适的载体形式，确保每道工序之间的顺利衔接[8-9]。表芯盖尺寸较小，具有多道冲压生产工序，生产批量较大，符合级进模冲压生产要求。故本文以表芯盖为例，对其进行多工位级进模设计。

1 工艺性分析

材料为料厚t=2 mm 的08F 钢，无尺寸、精度、等级要求，生产要求为大批量生产。工件整体要求表面光洁平整，没有缺陷。表芯盖零件结构图如图1 所示，结构较为简单，左右对称，有利于冲压生产。材料08F 钢为沸腾钢，碳含量为0.08%，具有良好的冲压成形性能。表芯盖无尺寸、精度、等级要求，可按IT14 选取，即落料尺寸为Φ43.80-0.4mm，冲孔尺寸为Φ150+0.2mm，按普通冲压加工生产就可以完成要求。从表芯盖的结构、使用材料和尺寸精度分析可知，表芯盖可以通过冲压方式生产。

图1 表芯盖零件图

2 确定冲压生产方法

由图1 可知，表芯盖冲压工序为拉深、冲孔和落料。属于宽凸缘拉深件，精度要求不高，有利于冲压加工。料厚t=2 mm＞1 mm，按中径选取参数。根据公式可得毛坯直径为52.5 mm，由文献[1]可得，拉深件的修边余量δ=3.5 mm，实际毛坯件直径D=56 mm。

确定冲压方案之前，应确定拉深次数。根据拉深系数定义，可得拉深系数0.16。毛坯的相对厚度为由文献[10]可知，m1=0.51，m2=0.8，因为m1＞m总，而m1×m2=0.51×0.8=0.41＜m总，所以判定该零件共需要两次拉深。表芯盖的圆角半径R=1 mm＜t=2 mm，需要对拉深后的坯料进行整形。

由以上分析可知，表芯盖的生产需要多道工序。采用单工序模时，需要5 副模具，即首次拉深模、第二次拉深模、整形模、冲孔模、落料模。由表芯盖的形状可知，无法单独采用一套复合模完成表芯盖的冲压生产，即使将落料和冲孔工序复合生产，仍需要4副模具，即首次拉深模、第二次拉深模、整形模、落料冲孔复合模。所以，无论是单工序模还是复合模，都需要多副模具，模具成本较高，工件精度不易控制，生产效率较低，比较适合采用级进模生产。最终确定表芯盖的生产方案为首次拉深—第二次拉深—整形—冲孔—落料的多工位级进模。

3 工艺尺寸计算

3.1 排样

由冲压方案可知，表芯盖的生产工序依次是首次拉深、第二次拉深、整形、冲孔、落料。由文献[1]可知，毛坯直径D=56 mm，厚度t=2 mm 的圆形零件的侧面搭边值a=2.5 mm，相邻搭边值b=2 mm，料宽B=D1+δ+2a=D+2a=56+5=61 mm，步距A=D+b=56+2=58 mm，最终可得生产表芯盖的排样方案及工位位置如图2所示。

图2 排样方案及工位图

3.2 工作部分尺寸计算

1）首次拉深工作部分尺寸计算。

由文献[6]可知，Z1=1.1t=1.1×2=2.2 mm，σd1=0.08 mm，σp1=0.05 mm，则dd1=300-0.05mm，dp1=34.40+0.08mm。

2）第二次拉深工作部分尺寸计算。

由文献[6]可知，Z2=0.975t=0.975×2=1.95 mm，σd2=0.06 mm，σp2=0.04 mm，则dd2=25.50-0.04mm，dp2=29.40+0.06mm。

整形模只起到整形作用，不涉及拉深问题，本设计中的整形模工作部分尺寸沿用第二次拉深模具工作部分尺寸。

3）冲裁模刃口尺寸计算。

落料尺寸为Φ43.80-0.4mm 时，D凹=43.60+0.02mm，D凸=43.360-0.014mm。

冲孔尺寸为Φ150+0.2mm 时，d凸=15.10-0.014mm，d凹=15.340+0.02mm。

3.3 冲压力计算

第一次拉深的拉深力：F拉1=πd1tσbk1=85 452 N；第二次拉深的拉深力：F拉2=πd2tσbk2=51 900 N。

压边装置分为弹性和刚性两大类，这里选用弹性压边装置。

冲裁力：F冲=1.04×47.2×2×400=39 270 N；F落=1.04×137.6×2×400=114 483 N。

总压力F压=F拉1+F拉2+FQ1+FQ2+F冲+F落=300 309N；滑块行程S≥2h工件=2×9=18 mm；最大闭合高度Hmax＞H=60+50+20+25+24+10+50+2=241 mm。根据文献[6]，最终选择压力机型号为JB23-63。

4 模具主要零部件设计

根据零件在模具中的不同功能和特点，可以将其分为工艺零件和结构零件。

4.1 工艺零件

工艺零件是指直接参与完成工艺过程并和毛坯直接发生作用的零件，主要包括工作零件、定位零件、卸料和压料零件。

凹模材料选用冷作模具钢Cr12，热处理后硬度为60 HRC～62 HRC。为了提高模具寿命，降低成本，凹模按照工位分别制作，即分别制作首次拉深凹模、第二次拉深凹模、整形模、冲孔模和落料模，然后通过凹模固定板将所有凹模固定起来，再通过螺钉和销钉等将凹模固定板固定在下模座上，凹模的形状、相关尺寸以及相对位置如图3所示，总体高度为40 mm。

图3 凹模形状、相关尺寸及相对位置

拉深、整形、冲孔、落料时的凸模材料选用冷作模具钢Cr12，热处理后的硬度为58 HRC～60 HRC。为了防止拉深后工件吸附在凸模表面，在拉深凸模上开设出气孔，由文献[6]可知，出气孔直径选为5.0 mm。另外，首次拉深与末次拉深的工序件筒直径部位尺寸存在一定差异，在进行末次拉深时需采用压料圈。

卸料板选择315×200×20 JB/T 7643.2—2008，材料为Q235A。鉴于首次拉深的特殊性，将卸料板分成两份，卸料板I 长239 mm，卸料板Ⅱ长74 mm。导料板选择125×20×4 JB/T 7645.6—2008。

4.2 结构零件

结构零件指不直接参与完成工艺过程也不和毛坯直接发生作用的零件，主要包括导向零件、支撑零件、紧固零件和其他零件。

设计的模具为多工位级进模，不适合选用中间导柱模架，故选择对角导柱模架。由图2和图3可知，凹模四周应大于269 mm×61 mm。由文献[6]可知，选择315×200（220～260）I GB/T 2851—2008型模架，其凹模尺寸为315 mm×200 mm，闭合高度为220 mm～260 mm。上模座选择315×200×45 GB/T 2855.1—2008，下模座选择315×200×55 GB/T 2855.2—2008，材料均为HT200。导柱I选择A35×210 GB/T 2861.1—2008，导柱Ⅱ选择A40×210 GB/T 2861.1—2008；导套I 选择A35×115×43 GB/T 2861.3—2008，导套Ⅱ选择A40×115×43 GB/T 2861.3—2008，材料均为20钢，进行渗碳处理。模柄选择B32 JB/T 7646.3—2008 凸缘模柄，材料为Q235A。

凸模固定板有圆形和矩形两种，尺寸除了应保证能安装凸模外，还应能安放销钉和螺钉，厚度取凹模高度的60%～80%，这里选择矩形凸模固定板315×200×24 JB/T 7643.2—2008，材料为45 钢。凸模垫板选择315×200×10 JB/T 7643.2—2008，材料为45钢，凹模板选择315×200×50 JB/T 7643.2—2008，材料为T10A，凹模板适当加长，用作进料台，最后确定凹模板规格为366×200×50。凹模垫板选择315×100×10 JB/T 7643.2—2008，修改后规格为300×80×10，材料为45钢。

5 模具结构及工作过程

5.1 模具结构

结合对表芯盖冲压工艺性分析、冲压工艺计算、排样设计、模具主要零部件设计，所设计的表芯盖多工位级进模具体结构如图4 所示。

图4 模具装配图

5.2 模具工作过程

将模具通过固定装置固定在压力机上，采用自动送料装置。工作时，将条料置于下模，通过导料板进行定位。首次拉深时，通过目测进行定位，完成第一次拉深后，通过调整步距，采用自动送料装置将条料送到第二次拉深的位置，用弹压卸料板上开设的定位台阶轴插入到第一次拉深后的孔内进行定位，然后由拉深凸模和凹模共同作用完成拉深，后续的工序分别通过整形模的凹模和导正销进行定位。运行到第五工位落料时，由导正销对第四工位产生的孔进行定位后，由落料凸模和凹模作用冲出凸缘部分，完成零件的加工。