空调外机卷边型顶盖的模具设计优化

摘 要：针对空调外机顶盖的产品特点，通过计算和数值模拟确定毛坯形状尺寸，采用合理的模具结构完成了产品的卷边。产品冲压成形采用6道工序（毛坯切角→拉深成形→四周切边→四角切角→全周侧向折边→全周卷边），本文重点介绍第1工序——毛坯切角的形状尺寸计算和第5工序——全周侧向折边的工艺、模具结构以及模具的工作原理。采用优化后的模具成形、改善了顶盖卷边外观，确保了产品质量的稳定性。

关键词：钣金卷边；冲压工艺；模具结构；设计要点

中图分类号：TG386

文献标识码：B

Optimization of die design for the hemmedtop panel of air conditionerexternal unit

ZHANG Jian

（Shanghai Mitsubishi Electric amp; Shangling Air-Conditioner And Electric Appliance Co.，Ltd，Shanghai 200135， China）

Abstract： onAiming at the product specifications of the top panel of the air conditioning external unit，the author determined the shape and dimension of the blank，and realized the hemming process of the workpiece by adopting reasonable die structure. The forming process of the product consists of 6 stages： blank corner cutting → deep drawing → edge cutting → corner cutting → circumference lateral flanging → circumference hemming. This article focuses on the determination of the shape and dimension in the 1st stage （blank corner cutting）， and the process，die structure and working principle of the the fifth project （circumference lateral flanging）. Using the optimized stamping die，the appearance of the top panel was improved，and the stability of product quality was ensured.

Key words： sheet metal curling; stamping process; mold structure; design points

0 引 言

空调外机顶盖对于保护外机、维持散热效果、减少阳光直射，以及提高产品整体美观性都起着重要作用。本文将着重研究顶盖的模具冲压工艺和模具，以保证在成形工件外表的美观，特别是顶盖4个角的部位，既不能出现皱纹和预涂膜裂纹，还要保证4个角部位置卷边均匀平整。零件内侧全周向内卷边，这不仅增加了成形难度，还使成形后的取件变得复杂。利用板料成形模拟软件Dynaform，对胚料进行模拟计算，模拟的结果为模具设计提供了理论依据，提高了模具设计的效率和质量，缩短模具制造周期。通过精巧的多斜楔机构联动实现模具向内全周弯折成形，为实现顶盖全周卷边后的优良外观奠定了基础。

1 冲压工艺分析

零件简图见图1。

该零件材料规格选用TDC54D+Z-C5-ZM-60/60-A-JD（宝钢材料牌号），厚度0.8 mm，是低碳冷轧热镀锌PCM钢板。该零件是盒装形式、左右前后非对称，四周密实卷边，左侧附提手功能，整体结构形状复杂，成形工艺包含冲裁、拉深、弯曲和卷边，应分别对工件的相关结构进行工艺分析和综合考虑。

2 各冲压工序的工艺特点

该顶盖模具由6个冲压工序组成。模具的冲压工艺如图2～7所示。

2.1 工序1：平板切角

这一工序通过理论计算、CAE数值模拟专用软件计算和多次割样品试冲得出合理的形状和尺寸，见图2。

2.2 工序2：拉深成形

此工序将左侧的提手、顶面的三条长方形的强度筋和四边翻边盒状一次成形，见图3。

2.3 工序3：横向切直边，横向冲孔

对于拉深完成的毛坯进行四边切边，设定左侧提手卷边前的毛坯形状、后侧凸台卷边前的毛坯形状、直边卷边对于翻边孔的让位等。两侧为后道工序成形翻边孔预先冲制光孔各2个，见图4。

2.4 工序4：横向切四角、侧面整形

将工序3切四边遗留下来的4个角切除，形状采用锯齿形的结构。工序4与工序3的切面交线处采用工序4横向切四角覆盖工序3横向切直边方案，见图5。

2.5 工序5：横向侧弯折边、横向翻孔

底部全周向内侧进行弯折边，包括左侧提手、后侧凸台、4边和4个角。弯折后的高度要求一致。左右两侧完成各2个翻孔成形，见图6。

2.6 工序6：竖向弯折卷边

底部全周内侧对工序5弯折边向上再次进行弯折，包括左侧提手、后侧凸台、四边和四个角，完成密实卷边成形，见图7。

3 冲裁及拉深模具结构的工艺性

3.1 拉深的结构工艺性

顶盖拉伸变形区是在切向压应力与径向拉应力的作用下产生拉深变形，要考虑变形区产生的拉应力与传力区的承载能力的问题^［1］。

3.2 顶盖毛坯形状和尺寸理论计算

盒形件拉深时，确定毛坯形状与尺寸的原则是在保证产品质量的前提下，尽可能节约原材料，且利于提高成形极限^［1］。

毛坯可用几何作图方法将盒形件直边部分和转角部分分别展开，使毛坯角部具有光滑过渡的轮廓。

为了4个角在拉伸时避免产生皱纹，选用4个角拉深后带有凸缘、四条直边拉伸后不带凸缘的方案。毛坯尺寸设计依据为产品的中性层，长宽分别是a′=796.2 mm和b′=281.2 mm，r_p=4.6 mm，r_d=2 mm，r′₁=10.1 mm，r′₂=18.1 mm， R_F1=10.1+5.0=15.1 mm，R_F2=18.1+5.0=23.1 mm，

计算与作图方法如下：

（1） 直边部分（无凸缘状态）按弯曲变形计算，其展开长度

L=h+0.57r_p=30.5+0.57×4.6=33.12 mm（1）

（2） 圆角部分（无凸缘状态），同时r′₁≠r_p和r′₂≠r_p，按1/4圆筒形件拉深变形计算，展开的角部毛坯半径

R=［R²_F+2rh-0.86×（r_d+r_p）-0.14×（r_d²+r²_p）］^1/2

，（2）

R₁=［R²_F1+2r₁h-0.86×（r_d+r_p）- 0.14×（r_d²+r_p²）］^1/2

=［15.1²+2×10.1×30.5-0.86×（2+4.6）- 0.14×（2²+4.6²）］^1/2≈29 mm，

R₂=［R²_F2+2r₂h-0.86×（r_d+r_p）- 0.14×（r²_d+r²_p）］^1/2

=［23.1²+2×18.1×30.5-0.86×（2+4.6）- 0.14×（2²+4.6²）］^1/2≈40 mm。

所以，得出毛坯尺寸数据如下：长M=a′-2r_p+2 L=796.2-2×4.6+2×33.12≈853 mm，宽N=b′-2r_p+2 L=281.2-2×4.6+2×33.12≈338 mm。

（3） 作出从圆角部分到直边部分呈阶梯形过渡的平面毛坯ABC-DEF（图8）^［1］。

（4） 从线段BC、 DE的中点分别向半径为R的圆弧划切线，并用圆弧圆滑过渡，使f₁=f₂，最后作成角部毛坯轮廓线，见图9。

通过以上理论计算，得出盒形件的（不含提手）毛坯形状与尺寸为853 mm×338 mm，前侧圆角半径为40 mm，后侧圆角半径为29 mm，见图9。

3.3 零件毛坯形状的数值模拟

Dynaform是一款为冲压产品及模具开发提供CAE整体解决方案技术支持的软件，可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹、成形刚度、表面质量，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助^［2］。

通过Dynaform软件得到毛坯形状与尺寸的步骤为：

（1） 通过Pre软件将顶盖的拉深件的中性层构成拉深工序的模具型面，并导出文件后缀为.igs的文件。

（2） 打开数值模拟Dynaform软件，导入.igs文件。

（3） 通过坯料工程（B）-预处理（P）-BSE新工程定义零件材料。

（4） 对零件进行曲面网格划分。

（5） 运用一步求解法，得到产品展开轮廓。

（6） 把展开轮廓文件（后缀为.igs）导出到Pre，然后再用DXF格式导出到AutoCAD，见图10。

3.4 综合分析和割片试验得出毛坯形状与尺寸

顶盖四周的切边需要进行卷边处理。通过侧切边和侧切角，保证了产品直边切边处纵向尺寸相同。顶盖提手功能处的凸台台阶的形状，理论计算无法精确计算出毛坯的形状和尺寸，通过预设几种毛坯形状与尺寸进行实际的冲压拉深试验；在理论计算和CAE软件分析的基础上对毛坯的外形尺寸和4个角部轮廓形状和尺寸不断进行调整，根据盒形件角部拉深后的外观情况，最后确定盒形件的毛坯尺寸为856 mm×340 mm，前侧圆角半径为76 mm，后侧圆角半径为30 mm，两圆弧之间直线相连，见图11。

把理论计算、CAE软件分析和实际试验后的毛坯尺寸叠合在一起进行比较，理论计算的结果用虚线表示，CAE软件分析的结果用实线表示，实际试验的结果用点划线表示，见图12。可见对毛坯的长和宽，理论计算和CAE软件分析对实际较结果基本吻合；对于角部，CAE软件分析结果与实际结果较为接近，而理论计算结果参考意义有限。

4 模具结构设计及工作原理

该顶盖产品需要6副模具来进行冲压成形。本文重点分析第5工序——横向侧弯折边、横向冲翻边孔的模具结构设计及工作原理。

工序内容见2.5。机械手从工序4的下模中吸取完成的胚料，准确套入工序5下模中的凹模型腔内。机械手撤回，模具冲压完成工序5——全周侧向折边、冲翻边孔。该工序是对胚料全周（4条边和4个角）进行侧面弯折，短边侧面进行翻孔成形。采用滑块移动结构，在水平方向进行侧推。

4.1 全周侧向折边、冲翻边孔模具结构设计

模具结构如图13所示，采用非标钢板结构。上模座（17）和下模座（40）采用整块45号钢。上模座尺寸：1 380 mm×700 mm×47 mm，下模座尺寸：1 380 mm×750 mm×52 mm。上模座（17）和下模座（40）之间使用了4套滚珠导向装置，确保上模与下模在冲压时的定位精准。合模以后，上模座（17）底面与下模座（40）顶面之间的距离是210 mm，选用规格MMYKP38-180含固定挡块的钢球型独立导柱组件（64）和独立导柱用衬垫（65）。导柱装在上模座（17）上。独立导柱用衬垫（65）安装在下模座（40）上，导套装在独立导柱用衬垫（65）上。上模压料板（18）底部形状吻合顶盖胚料上表面，利用8个卸料定位销通过8个卸料定位销固定块（14）与上模座（17）连接，选用24个压料弹簧（15）分布在上模压料板（18）上，其中外圈均匀对称分布22个压料弹簧、中心分布2个压料弹簧。每个弹簧中心配置弹簧导向保持器（16），弹簧导向保持器（16）固定在上模压料板（18）上。上模压料板的材料规格选用45#碳素结构钢。

角部侧弯折成形、侧面侧弯折成形和翻边孔冲孔成形凸模系统安装在下模外圈，角部侧弯折成形、侧面侧弯折成形和翻边孔冲孔成形凹模系统安装在下模内圈。

角部侧弯折成形、侧面侧弯折成形和翻边孔冲孔成形采用滑块的结构。侧面侧弯折成形和翻边冲孔成形用斜锲A（5）通过固定螺钉（4）固定在上模座（17）上。角部侧弯折成形用斜锲B（34）通过定位销（26）定位、固定螺钉（22）固定在上模座（17）上。斜锲A（5）和斜锲B（34）材料规格选用高耐磨韧性通用冷作模具钢SKD11，淬火硬度为HRC58。

下模外圈的侧面侧弯折成形和翻边孔冲孔成形凸模系统结构如下：下模侧面折弯滑动底座（61）用卸料螺栓（47）与弹簧挡板（49）固定连接在下模座，中间设置卸料弹簧（48），卸料弹簧（48）预压缩2.9 mm固定。在下模侧面折弯滑动底座（61）和下模座（40）之间设置耐磨板A（62）。侧面侧折弯凸模（55）与侧面侧折弯凸模固定座（59）用固定螺钉（57）固定。侧面侧折弯凸模固定座（59）利用固定在下模侧面折弯滑动底座（61）上的下模挡块A（3）和卸料定位销（1）连接，卸料弹簧（2）选用SWM35-10。滑块A（6）通过固定螺钉M10-30与侧面侧折弯凸模固定座（59）固定连接。下模脱料板A（12）利用卸料螺栓（7）与滑块A（6）固定，中间采用卸料弹簧（10），卸料弹簧（10）预压缩4 mm固定。翻边孔凸模挡块（8）与侧面侧折弯凸模固定座（59）利用固定螺钉（60）固定连接。翻边孔凸模固定块（9）底面嵌入侧面侧折弯凸模固定座（59），并以螺钉固定。侧冲翻边孔凸模（58）通过翻边孔凸模挡块（8）和翻边孔凸模固定块（9）固定，并且穿入下模脱料板A（12）中。在下模脱料板A（12）顶面设置上模脱料板挡块（11），起到了上模脱料板挡块（11）与上模压料板（18）互相导向稳定作用。

下模内圈的侧面侧弯折成形和翻孔成形凹模系统结构如下：固定键（53）总高20 mm，嵌入下模侧面折弯滑动底座（61）10 mm固定。侧面侧折弯凹模（54）通过固定键（53）定位和固定螺钉（50）与下模侧面折弯滑动底座（61）固定连接。侧面侧折弯凹模（54）中设置卸料顶杆（52），卸料顶杆（52）尾侧配置卸料弹簧（51）。目的是在成形结束后，给侧冲翻边孔凸模（58）辅助脱模推力，避免包料的情况发生。

侧冲翻边孔凸模（58）材料规格选用高耐磨韧性通用冷作模具钢SKD11，淬火硬度为HRC58～61。侧面折弯凸模（55）和侧面折弯凹模（54）材料规格选用高耐磨韧性通用冷作模具钢Cr12MoV，淬火硬度为HRC56～58。下模侧面折弯滑动底座（61）材料规格选用高耐磨韧性通用冷作模具钢Cr12MoV，淬火硬度为HRC54。下模挡块A（3）和滑块A（6）材料规格选用高耐磨韧性通用冷作模具钢Cr12MoV，淬火硬度为HRC58。

下模外圈的角部侧弯折成形凸模系统结构如下：下模角部折弯滑动底座（39）侧面与设置在下模挡块B固定座（31）内部的弹簧（35）连接，下模角部折弯滑动底座（39）的底部和下模座（40）之间设置耐磨板B（38）。角部侧折弯凸模（23）与角部侧折弯凸模固定座（28）用固定螺钉（24）固定。角部侧折弯凸模固定座（28）通过卸料螺栓（32）与下模挡块B固定座（31）固定连接，中间设置卸料弹簧（33），卸料弹簧（33）预压缩3 mm装配。下模挡块B固定座（31）嵌入下模座（40）15 mm，并且利用固定螺钉（36）与下模座（40）固定连接。下模挡块B（29）嵌入下模挡块B固定座（31），通过固定螺钉（30）与下模挡块B固定座（31）固定。滑块B（27）嵌入角部侧折弯凸模固定座（28）用固定螺钉（25）与角部侧折弯凸模固定座（28）固定连接。为了使角部侧弯折成形、侧面侧弯折成形时的滑块横向运动过程中，确保滑块受力不会产生上下颤动，在滑块的两侧顶面都分别设置了角部折弯导轨压板（66）、侧面折弯导轨压板A（67）、侧面折弯导轨压板B（68）和侧面折弯导轨压板C（69）。

下模内圈的角部侧弯折成形凹模系统结构如下：角部侧折弯凹模（21）通过固定螺钉（41）与下模角部折弯滑动底座（39）固定连接。

角部侧折弯凸模（23）的材料规格选用高耐磨韧性通用冷作模具钢Cr12MoV，淬火硬度为HRC58～62。角部侧折弯凹模（21）和角部侧折弯凸模固定座（28）的材料规格选用高耐磨韧性通用冷作模具钢Cr12MoV，淬火硬度为HRC56～58。下模角部折弯滑动底座（39）的材料规格选用高耐磨韧性通用冷作模具钢Cr12MoV，淬火硬度为HRC54。

下模中心胚料横向两处设置了卸料顶块（20），卸料顶块（20）内侧设置了卸料螺栓（19）固定到下模座（40），卸料顶块（20）底面与下模座（40）之间设置卸料弹簧（43）。

长边方向的侧面弯折成形结构与短边方向的侧面弯折成形相同。为了使长边方向的侧面弯折成形稳定，在下模的中线位置设置了运动方向的导向机构-V形导滑块（44）和V形导滑块（45）。通过凸凹两块导向块重合来保证所连接的上下两部分的直线导向。导向机构具有润滑作用以及优越的耐磨性外，同时通过凸凹面对左右方向进行运动限制，进一步提高直线导向的性能，确保长边方向的侧面侧弯折成形稳定性。

4.2 全周侧向折边、冲翻边孔模具工作原理

通过机械手把胚料套入角部侧折弯凹模（21）和侧面侧折弯凹模（54）组成的凹模集成中，卸料顶块（20）与胚料接触，托住胚料。

上模下行，卸料定位销（13）固定的上模脱料板（18）接触胚料后继续下行。卸料顶块（20）受到上模脱料板（18）传递给胚料的下压力，促使弹簧（43）受压压缩，上模脱料板（18）、卸料顶块（20）和胚料同步下移。

上模继续下行，固定螺钉（4）固定的斜锲A（5）的左侧斜面接触固定在下模侧面折弯滑动底座（61）上的下模挡块A（3）斜面后，随着上模继续下行，斜锲A（5）的左侧斜面与下模挡块A（3）的斜面作45°的滑动，使下模挡块A（3）连接的下模侧面折弯滑动底座（61）向外侧移动；穿过弹簧挡板（49）与下模侧面折弯滑动底座（61）连接的卸料螺栓（47）同步向外侧移动，移动过程中压缩弹簧（48）。利用卸料定位销（1）连接的侧面侧折弯凸模固定座（59）带动滑块A（6）、翻边孔凸模挡块（8）、下模脱料板A（12）、上模脱料板挡块（11）、侧冲翻边孔凸模（58）和侧面侧折弯凸模（55）同步向外侧移动；通过固定键（53）定位和固定螺钉（50）连接的侧面折弯凹模（54）随着下模侧面折弯滑动底座（61）向外侧移动而同步向外侧移动，直到侧面折弯凹模（54）移动到位，贴住胚料的内侧面。侧面折弯凹模（54）移动同时，利用侧面折弯凹模（54）水平方向的斜面与角部侧折弯凹模（21）的接触面滑动，带动角部侧折弯凹模（21）以1.4∶1位移比率向外侧移动，直到角部侧折弯凹模（21）移动到位，贴住胚料的内侧角部。利用固定螺钉（41）与角部侧折弯凹模（21）连接的下模角部折弯滑动底座（39）随着角部侧折弯凹模（21）移动而同步向外侧移动。下模角部折弯滑动底座（39）移动过程中，弹簧（35）受压压缩。

上模继续下行，弹簧（15）受压，通过上模脱料板（18）压紧胚料。斜锲B（34）的左侧斜面接触滑块B（27）的右侧斜面，进行45°斜面滑动，固定螺钉（25）M12-L50连接的角部侧折弯凸模固定座（28）进行水平方向向内侧移动，带动用固定螺钉（24）连接的角部侧折弯凸模（23）向内侧移动，配合角部侧折弯凹模（21）完成角部折弯。在角部折弯进行过程中，斜锲A（5）右侧斜面接触滑块A（6）左侧斜面延迟于角部斜锲B（34）的左侧斜面接触滑块B（27）的右侧斜面。角部折弯进行到末端时，滑块A（6）带动侧面侧折弯凸模固定座（59）向内侧移动，下模脱料板A（12）接触胚料侧面并逐渐加压。侧面侧折弯凸模固定座（59）继续向内侧移动，弹簧（10）受压压缩，固定在侧面侧折弯凸模固定座（59）上的翻边孔凸模挡块（8）翻边孔凸模固定块（9）同步向内侧移动，侧冲翻边孔凸模（58）完成侧面翻边孔的成形；固定在侧面侧折弯凸模固定座（59）上的侧面侧折弯凸模（55）向内侧移动，配合侧面侧折弯凹模（54）完成侧面折弯。直到上模和下模的冲压深度控制杆（63）碰住，上模下行停止，全周侧向折边、冲翻边孔成形完成。

上模上行，弹簧（15）逐渐解压，上模脱料板（18）对胚料的压料力逐渐减小。

斜锲A（5）随着上模上行，逐渐减少与滑块A（6）的接触面，在弹簧（2）的卸压作用下，通过卸料定位销（1）拉动侧面侧折弯凸模固定座（59）、翻边孔凸模挡块（8）、翻边孔凸模固定块（9）、侧冲翻边孔凸模（58）和侧面侧折弯凸模（55）一同向外侧移动。弹簧（10）在滑块A（6）的向外侧移动作用下逐步卸压，下模脱料板A（12）也逐步减少对胚料的压力，直至解除接触。

随着上模继续上行，斜锲B（34）逐渐减少与滑块B（27）的接触面，随着弹簧（33）卸压，通过卸料螺栓（32）拉动角部侧折弯凸模固定座（28）向外移动，带动角部侧折弯凸模（23）一同向外侧移动。直至斜锲A（5）与滑块A（6）的接触面完全脱离，斜锲B（34）与滑块B（27）的接触面完全脱离。上模继续上行，斜锲A（5）逐步减少与下模挡块A（3）的接触面，弹簧（48）逐步卸压，与下模挡块A（3）固定连接的下模侧面折弯滑动底座（61）被卸料螺栓（47）拉动向内侧移动。利用固定螺钉（50）与下模侧面折弯滑动底座（61）连接的侧面侧折弯凹模（54）同步向内侧移动，同时带动角部侧折弯凹模（21）向内侧移动，辅以弹簧（35）卸压推动与侧面侧折弯凹模（54）连接的下模角部折弯滑动底座（39）向内侧移动。侧面侧折弯凹模（54）和角部侧折弯凹模（21）完全与胚料脱离。

上模继续上行，上模脱料板（18）对与胚料分离，弹簧（43）卸压顶起卸料顶块（20），托起胚料。上模上行，回到起始点。机械手进入模具，吸住和取走胚料，运转到下一工序。

5 产品成形及装配效果

顶盖成形第5工序模具的创新设计和制造，显著改善了产品的成形质量，达到了预期效果。产品顶盖4个角和各自的侧面位置高度一致，卷边平整，与空调面板和后板的台阶面等距离贴合，整机装配后，间隙均匀，外形美观，见图14。

6 结 论

本文详细介绍了空调外机顶盖的坯料形状及尺寸的确定方法、成形工艺和模具设计。重点讲述了5工序横向侧弯折边的模具结构和工作原理。生产实践证明，模具能正常稳定工作，生产的顶盖产品美观，取得了良好的经济效益。

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