某托架冲压工艺与模具设计

陈颖樱

1 引言

冲压工艺近年来有许多的新发展，精密冲压件使用越来越广泛的，由平板精冲件延伸到精密的弯曲，拉伸和三维精密成形等。另外，探究极限及成形性能，发展冲压件成形难度的分析预告技术，都标志着我国的冲压成形技术已从以前的经验阶段，尝试分析阶段入手走上科学的冲压指导阶段。为了适应零件的大批量生产并且保证其高质量，各种自动送料，卸料机构被普遍使用在各种各样模具或者设备上面。在生产大批量的中、小冲压件方面，现已普泛使用高速压力机，多工位级进模或多工位压力机。

随着中国工业的发展，工艺的复杂化、冲压制件类型，我们发现，以往的手工已逐步由自动送料取代。因为手动送料效率比较低，而且速度比较慢，特别是安全方面是要特别注意的。因此只有采取自动送料装置可以很好提高生产效率以及产品的质量。冲压生产的自动化主要的是包括冲裁料传送、零件或者废料从模具中排出凸模，凹模的更换，还得调整冲床当机器遇到紧急情况时会进行监测，只有这些技术应用到模具加工过程的每个环节，才是实现模具生产的自动化。自动送料机是关键的部分，没有自动送料机如何达成自动送料装置的工作原理是将材料按照步距一个一个传送，然后送到指定地点完成在该位置的工作。例如：冲孔，弯曲等等。在级进模设计中，有多种送料装置：辊式的、夹持式等。

2 工艺分析

2.1 零件介绍

2.1.1 托架零件

托架零件是一个尺寸较小的零件，见图1所示。依据零件图上标注的尺寸大小，以及零件的精度要求，选用的是IT10级的精度，一般而言普通冲裁完全可以冲出来。零件材料Q235钢，因为综合性能较好，，塑形性能较好，强度性能较好，而且含碳适中，用途很是普遍。并且零件形状比较简单，翻孔多，弯曲部分形成较小，普通的弯曲难以实现。

图1 托架零件

1mm厚度的材料零件，要求大量生产。从托架零件图中分析其零件结构，该零件展开图是一个类似于"T"字形零件，中间有两个圆孔和一个翻孔，外加一个弯曲，由于带有翻孔，排样的时候要特别注意翻孔部分，防止卡死在模具里以及最后材料如何脱离模具，如图2所示。

图2 托架展开图

2.1.2 托架零件3D造型

托架零件通过UG进行三维造型，如图3所示。零件弯曲的部分具体视图，如图4所示。

图3 托架三维图

图4 托架弯曲部分视图

综合考虑，要完成该零件的生产预计需通过多次冲裁、落料、弯曲和切边等工序。为提高生产效率，本文将采用多工位级进冲压工艺生产零件。

2.2 工艺分析及工艺方案的确定

2.2.1 工艺分析

冲裁工艺性：零件原料为Q235钢，力学性能良好，厚度1mm材料属于薄膜材料。冲压部分包括孔部分和外部剩余材料，冲压性能好，尺寸精度低。

弯曲的工艺性：弯曲半径、孔边距等会影响弯曲件的工艺性。零件弯曲的部分左右一致，确保弯曲板的物料平衡，防止偏移量的产生。同时Q235材料的力学性能较好，弯曲工艺性好。

翻孔的工艺性：影响翻孔件的主要原因有翻孔的角度，半径，径向力等必须先预冲孔，同样材料性能要良好。

综合考虑，该零件主要可以分为四个工艺:(1)冲孔；(2)翻孔；(3)落料；(4)弯曲。各个工艺其实还是有点难度，第一个冲孔工艺主要是冲一些圆孔，例如：零件上的两个孔，导正销孔，翻孔用的预冲孔和八个冲裁孔；第二个翻孔那个工艺中对于材料的要求较低，此外零件对落料工艺的要求比较低料孔容易与镶块相干涉；最后一个弯曲工艺,因为是对称的要考虑他的回弹，是否容易卡住所以需要设计推杆

2.2.2 工艺方案的确定

上述过程的全面分析，制定以下方案：

方案一：采用单工序模；

方案二：复合模；

方案三：采用级进模。

表1 各类模具结构及特点比较

该零件形状简单，但需通过多次冲裁、弯曲、翻孔等工序才能完成，并且还要求大批量生产，所以不能采用单工序模；复合模虽然生产效率高，但带有弯曲，并且弯曲半径较小需整形等，所以不用复合模；级进模可减少模具和设备的数量，自动送料，生产效率高，更好的安全性和材料的厚度小，在大批量生产中效果很好，所以它可以用在级进模设计。

2.3 压力中心的确定

压力中心是指冲压力合力的作用点。为了能使冲模能安全的加工冲裁，冲模的压力中心应该和模柄中心重合，以及和压力机的滑块中心线相重合，这样很好的减少导向零件的损耗，提高模具和压力机的使用寿命，避免压力机导轨的磨损及压力机的精度。

x0=(L1x1+L2x2+L3x3+…+Lnxn)/(L1+L2+L3+…Ln)

(2.6)

y0=(L1x1+L2x2+L3x3+…+Lnxn)/(L1+L2+L3+…Ln)

(2.7)

式中

x、y——坐标数值，

L——工件的轮廓。

因此可以计算出：

x0=175mm；

y0=101mm

对模具中心 (175mm,101mm),通过冲压力的平衡我们可知：在排样时冲压加工的压力中心应与模具中心尽可能一致，当然最好在同一点上。但实际情况中是不完全吻合，往往有一点点偏差。

因此，冲模压力中心满足设计要求。

3 排样图的设计

在进行级进模设计时，排样图的设计是级进模设计时的一个重要依据。在某方面说派杨图设计的好坏直接影响着整体的设计，假如排样图的设计是错误的的，零件将无法加工出来甚至损坏机器。排样图一旦确定，也就确定了被冲制零件各部分在模具中的冲裁顺序、模具有多少个工位、零件的排样方式、模具的步距的大小、载体形式的设计形式等一系列问题。

3.1 零件毛坯排样

(1)由于零件的翻孔和弯曲，故排出这样对称的排样方案如图5所示：

图5 零件排样图

从托架形状可以看出，此零件一边只需要一次弯曲，并且需要对称排，所以考虑级进成形，但是这样排样方式材料利用率不是很高，并且由于工件的弯曲和翻孔不方便自动送料机送料，所以考虑翻孔的一边朝上，因为此种方式适用于工位较少有弯曲有翻孔的零件，同时对称排可以同时出两个零件，因此排样方式可以采用。

(2)考虑零件的侧排方式，如图6所示。

图6 零件排样图

该排样虽然可以得到很高的材料利用率，由零件形状可以看出，此零件则变为了在侧边弯曲的零件，考虑到我们需要级进模成形，但是此排样相对上面的对称排利用率还是低同样生产两件零件不仅耗时而且耗材料。

通过上述两种排样的比较，发现第一种排样更具有优势，并且设计思路简单。

3.2 工位排样

多工位级进模设计的关键是多工位级进模的工序排样设计，它是决定级进模优劣的主要因素之一。根据以上的分析零件的要求和工艺特点,设计多工位级进模工序排样方案。如图7所示：

图7 工位二维排样图

其具体工位设定如下：

工位1 冲孔翻孔预冲孔冲导正孔

工位2 翻孔

工位3 冲异形孔

工位4 冲方形孔

工位5 切边

工位6 切边2

工位7 弯曲

工位8 切断

图8 工位三维排样图

3.3 排样相关参数的确定

3.3.1 步距

步距是冲压过程种条料每冲裁一次，条料在模具上向前送进的距离，其值旧市排样是沿进给方向的两个相邻的空白之间的最小距离值。

S=L+a

(3.1)

式中

S——冲裁的步距；

L——沿着条料送进方向，毛坯的最大外形尺寸；

a——沿着送进方向的搭边值；

由于此排样的特殊性，零件的材料得到有效的利用，L并不是零件的最大值，为计算方便，理想的整数，这一步是确定为：L= 22mm，a= 4mm，得到：S=L+a= 26mm，其中：S取整，S=26mm。

3.3.2 条料宽度

条料宽度指根据排样的结果确定的毛坯所需条料的宽度方向的最小尺寸。根据参考文献[12]公式，条料宽度可按下式计算：

B=D+2b+δ

(3.2)

式中

B——条料宽度的理论值

D——垂直于送料方向毛坯的最大轮廓尺寸，它随毛坯排样的方位变化

b——侧搭边值

δ——条料与板料之间的间隙

该零件条料宽度的确定：

B=27.5 + 2×4.65 + 3.2=40mm

3.3.3 定距方式

级进模的定距方式有好多种，例如：侧刃定距、定位钉定距、导正钉定距和送料机构定距等四种，适用于不同的场合，同样它们也可以单独使用，它们也可以互相配合着使用,当然相互配合使用会更好。根据前面我们对该工件的成型工艺分析，由于工序较少，故此在本模具中采用自动送料机构和导正销作精定距，可以满足在高速冲床上连续自动作业。

3.3.4 材料利用率

材料的利用率是指冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比，它是评价是否合理利用材料的重要指标之一。

材料的利用率根据参考文献[12]公式可知

η=A/(BS)×100%

(3.3)

式中

η——材料的利用率

A——产品的外形面积

B——条料的宽度

S——冲裁的步距

该零件材料利用率为：η=43.4%

4 模具总体结构

托架级进模具装配图如图所示：

1-下模座 2-螺钉 3-销钉 4-垫板 5-凹模固定板 6-承料板7-导料板 8-螺钉 9-卸料板 10-卸料板背12-凸模固定板13-垫板、14-上模座 15、16、17、18、20、21、22、25、-凸模19-导正销 23-模柄24-止转销 25-螺钉27、31、32、33、34、35、36、37、38、47、46-凹模镶块 28-浮顶器 29-弹簧 30-螺塞39-导套 40-小导柱41-弯曲凸模 42-卸料螺钉 43-弹簧44-销钉45-螺钉46-导柱47-弹簧

图9 模具总装图

4.1 模具结构

该模具是一套九工位的级进模(图9)，闭合高度为231mm，模具长400mm，宽125mm，步距26mm。模具通过自动送料装置定位，导正销精定位，利用18个浮顶器完成送料，完成冲孔、翻孔、弯曲、落料等一系列工序。模具采用刚性滚动四导柱钢板模架，模板内装四个小导柱作为内导向。凸模固定板12用于安装所有弯曲凸模、冲孔落料凸模；凹模固定板4用于安装所有弯曲凹模镶块、冲孔落料凹模镶块等；卸料板9与凸模固定板12之间用小导柱进行导向；模具采用弹性卸料提供卸料力。

4.2 模具工作过程

该设计的是一个冲裁翻孔弯曲多工位级进模，模具的工作原理阐述如下：合模时，条料从左到右送进后借助导料板进首次定位,在第一个工位进行冲孔，冲出两遍导正孔。第二个工位进行冲裁圆孔和翻孔预冲孔。第三个工位为翻孔，从第四工位开始主要是外形余料的冲切，如一些异形槽，异形孔，这一些部分对凸凹模的尺寸要求都比较严格，同时对定位的要求也比较高，可以依靠两边定位销来定位。第八个工位是弯曲，弯曲是90°的弯曲角，但由于弯曲容易卡住，所以我设计了一个推杆，保证弯曲和送料的顺利进行。最后一工位冲裁将产品顶出落料。之后在弹簧力的作用下使零件分离，特别是两次斜楔机构弯曲，为了方便斜楔机构和凸凹模的安装，在前后都留有空工位。随着上模的下行，凹模板抵住卸料板，这时卸料板起来压料作用，凸模逐渐进入凹模，同时，冲裁、弯曲等各工序同时完成，模具闭合时冲裁工位上板料分离，由下模座上的孔直接落下。开模时，模具的下模移动，保持原位，弹性卸料板在弹簧力的作用下，顺利返回。同时，卸料板将卡住的工件从凸模往下推出。弹性卸料板上升浮动至工件成形的最大高度12mm，卸料螺钉将局限其不断的上行。下模座中抬料部分的弹簧在上模上行过成形最大高度时弹簧都恢复其预压缩的高度，抬料钉处于最高位置，成形部位所有都顶出。而上模继续向上顶时，开模行程终了。

4.3 卸料机构

在工件平直度较高，厚度为1mm较薄，卸料力小，弹簧脱模卸模比刚性更方便，可以看见条料在模具中的送进动态，且弹性卸料板对工件施加的是柔性力，工件表面不会损伤，所以使用弹性卸载。该模具的设计中卸料方式采用的是弹性卸料。卸料板与弹性卸料板各加工形孔应当与凹模形孔同心。这个要求应该从模具设计和工艺保证。另外，卸料板的各形孔与对应凸模的配合间隙比对应凸模与固定板的间隙小，从而引导和保护冲床，但差距较小，导向效果越高，模具的寿命相对较高，但相应的制造难度较大。现在模具的加工技术发展的也很快，可以用线切割加工其实就完全可以达到我们所要求的。

图10 卸料板

5 结论

某托架冲压模具设计及改进包含有整形、冲孔、落料、弯曲等工位的级进模。在设计过程中，冲裁部分应尽量遵循由小向大，由中间到两边的冲裁顺序；托架的外形比较复杂，而且零件小而薄，经过多次冲裁，将复杂的外形划分成相对比较简单的形状，这样关键解决了凸模设计的强度问题，也提高的模具的互换性。