法蘭盤沖壓工藝及模具設計的研究

（中北大學機械與動力工程學院，太原030051）

法蘭盤沖壓工藝及模具設計的研究

王爽，董小瑞，李曉杰

（中北大學機械與動力工程學院，太原030051）

針對發動機中的法蘭盤的構件配置，采用單工序模的加工工藝方案，通過零件圖的展開，進行排樣圖的設計，以此確定模具的結構，并運用沖孔凸模固定在固定板上，而凹模則采用整體式固定在下模座上的方法，結果顯示該結構可確保模具工作運行可靠，結論證明該沖壓法蘭盤的生產滿足其規格技術要求。

法蘭盤沖壓工藝設計

1 引言

法蘭盤用于管子與管子、管子與閥門的連接。法蘭盤上有螺孔，用螺栓和螺母將兩法蘭緊固。法蘭盤之間用密封墊進行密封。墊片放在兩法蘭密封面之間，擰緊螺母后，墊片表面上的比壓達到一定數值后產生變形，并填滿密封面上凹凸不平處，使聯接嚴密不漏。帶法蘭盤的管子可由鑄造而成[1]，也可沖壓加焊接制造而成。法蘭聯接由一對法蘭、一墊片及若干個螺栓螺母組成。法蘭聯接是可拆聯接。法蘭連接在發動機和車輛上應用廣泛。沖壓生產的法蘭盤因其重量輕、成本低而受到設計師們的青睞。沖壓生產過程中，工藝合理化能降低模具費用、節約加工工時和降低材料費。本文通過舉例來說明。

2 工藝方案流程

圖1 法蘭盤制件

圖1 是由厚度為1 mm的材料沖壓成的法蘭盤零件。零件的長度和寬度均76 mm，長厚比較大，用IT14級精度的模具即可以滿足零件的精度要求。該零件是大批量生產零件，應重視其模具材料和結構的選擇，以保證一定的模具壽命。根據其材質的抗剪強度和抗拉強度，該材料有足夠的強度，適用于沖壓生產。通過對零件結構的分析研究以及對冷沖壓工序的分析，零件包括拉深、沖孔修邊、翻邊等工序，可擬定以下幾個沖壓工藝方案。

（1）方案1：拉深、落料、沖孔、翻邊。每個工序均分別采用1套模具生產，總共需要4套模具。

（2）方案2：采用沖孔修邊復合模，拉深和翻邊采用2套單工序彎曲模，共需要3套模具。

2種方案的分析如下：方案1模具結構簡單，易于模具的設計和加工，工件各部分的形狀和尺寸都能得到保證，且投產快。然而生產工序過于繁多，占用設備也多，難以保證對工件表面的要求；大批量生產，工序太多會影響生產效率；模具的設計與加工需要花費大量投資，對企業的經濟效益不利。方案2模具設計結構較簡單，易于模具的設計和加工，工件各部分的形狀及尺寸都能得到保證，定位準確，且投產快。

綜上所述，由于零件結構簡單，寬度與直徑比值較小，為了更好地保證尺寸精度，提高生產效率，采用方案2來設計模具。在工藝設計時，第1道工序設計為拉深，采用復合模；第2道工序設計為沖孔和修邊，采用復合模；第3道工序設計為翻邊，采用單工序模。其工序圖如圖2所示。此次設計主要對工藝方案中的工序1沖孔復合模進行模具設計。

圖2 零件工序圖

3 模型數據設計要點

3.1 工藝參數的計算

材料在拉深時,一邊壓縮變形，另外一邊會拉伸變形,但在材料彎曲過程中，對于彎曲件的展開長度是根據彎曲前、后中性層長度不變的原則進行計算[2]。該零件拉深內腔為規則圓筒形，故按等面積原則，用解析概算法求該工件尺寸，無彎曲部分直接測量，有兩處彎曲部分，兩個均是R1的90°彎曲；由圓角半徑及彎曲件公式

式中，

φ——工件彎曲中心角；φ可以大于、等于或小于90°；

r——彎曲半徑/mm；

λ——中性層位移系數；

L——彎曲間展開長度/mm；l1、l2——彎曲件直邊長度/mm。

對于彎曲件的展開長度是根據彎曲前、后中性層長度不變的原則進行計算。其展開長度等于直線部分的長度和彎曲部分中性層展開長度之和。對于兩個R1的彎曲部分中性層位移系數取值為λ=0.2。所以毛坯的展開尺寸為：

排樣時制件與制件之間以及制件與側邊之間留下的工藝材料，叫做搭邊。一般來說，搭邊值的大小通常是由經驗所確定的。影響搭邊值大小的因素有材料的力學性能、材料的厚度、制件的形狀和尺寸、排樣的形式及其送料、擋料的方式等[3]。

對于一般金屬材料在沖裁時的搭邊值由手動送料的非圓形零件的側搭邊amin=1.0 mm，兩工件之間的搭邊a1min=1.2 mm，所以最后取得a=1 mm，a1=1.2 mm。搭邊值的確定通常是根據經驗而確定，在不影響產品質量的情況下盡量取小些。

設計中，已知a=1 mm，a1=1.2 mm，則進距h =b+a1=76+1.2=77.2 mm，B=c+2a=84+2=86 mm

式中，

b——制件的排樣寬度；

B——條料寬度；

c——制件的排樣長度。

由制件展開圖可以知道，要完成制件的加工，需要將帶料上的廢料沖裁掉，各工位沖裁掉廢料的外觀形狀即為凹模、凸模的刃口形狀；對于沖孔凸模，展開圖中所取的目標值即為凸模刃口的形狀尺寸。對于彎曲凹模和凸模的設計結構參照國家模具設計標準即可。各凹模和凸模的刃口形狀可查閱排樣圖所示。

排樣的目的是為了在保證制件質量的前提下，合理利用原材料。衡量排樣經濟性、合理性的指標是材料的利用率。一個進距的材料利用率的計算如下：

式中

A——沖裁件面積（包括廢料）/mm2；

n——一個進距內沖裁件數目；

b——條料寬度/mm；

h——進距/mm。

3.2 各部分沖裁力的計算

在沖裁過程小，沖裁力的大小是不斷變化的，沖裁力是指板料作用在凸模上的最大抗力。對于普通刃口的沖裁，其沖裁力：

式中，

F——沖裁力/N；

L——沖裁件的周長/mm；

t——材料厚度/mm；

τ——材料抗剪強度/MPa；

K——系數。

考慮到凸模，凹模刃口磨損，模具間隙波動，材料力學性能變化及其材料厚度偏差等因素而增加的安全系數，針對本沖壓件，利用公式計算表明應采用彈性卸料板卸料。

由于沖壓時候材料的彈性變形及其摩擦力作用，在一般的沖裁條件下，沖裁后材料發生彈性恢復，使落料件或者沖孔廢料梗塞在凹模內，而板料則緊箍在凹模上[4,5]。為了使沖裁工作繼續進行，必須將箍在凸模上的板料卸下，將卡在凹模內的制件或者廢料向下推出或者向上頂出。卸料力、推件力和頂件力的材料力學性能、性能厚度、沖件輪廓的形狀、沖裁間隙、潤滑情況、凹模洞口形狀等因素有關[6]。在生產中，都是采用簡單的經驗公式來計算：

式中：Fs、Fe、Fk——分別為卸料力、推件力、頂件力，單位為N；

Kk、Fe、Ks——分別為頂件力系數、推件力系數、卸料力系數；

F——沖裁力/N;

h——凹模刃口直壁高度/mm；

t——料厚/mm。

取K卸=0.04，K推=0.055，K頂=0.06；

計算出F推=n K推F1，故F總=F沖+F推可取凹模刃口高度為h=6 mm。

沖裁間隙對制件尺寸精度的影響。落料和沖孔后，因發生彈性恢復，會影響制件的尺寸精度。考慮到凸模和凹模的磨損，在設計和制造新模具時，取最小合理間隙。確定沖裁間隙的方法。常用的沖裁間隙確定方法有理論確定法和經驗確定法，在現場模具的設計和生產中通常用經驗確定模具的沖裁間隙。經驗計算公式為：C=mt；

式中:

C——合理沖裁間隙/mm；

t——板料厚度/mm；

m——間隙比值/%（為料厚的百分之幾）。

沖裁間隙比值由《沖壓手冊》表2-26查得：結合國家模具設計標準，將間隙值取為料厚的8%。則沖裁的間隙為：

C=mt=8%×1.2=0.096 mm。

條料寬度以及導尺間距:

可以按經驗公式計算凹模高度h：

h=kb（h≥15 mm）。

式中，

k——系數；

b——最大孔口尺寸/mm；

凹模壁厚c=(1.5-2)h；凸模采用圓形沖孔凸模，采用固定板固定方式[7]。

可以查出δ凹、δ凸；磨損系數：根據以上數據可以計算出來：

所以凸、凹模尺寸計算可知：

凸凹模長度L：

其中:

h——增加長度（托桿伸出高度)；

p——凸凹模固定板厚度/mm；

q——卸料板厚度/mm。

凸凹模內外刃口間壁厚校核：根據沖裁件結構凸凹模內外刃口最小壁厚為8.5 mm，根據強度要求查《沖壓模具設計與制造》表2.9.6知，該壁厚為5.0 mm即可，故該凸凹模側壁強度足夠。

沖孔凸模長度：

其中：

m——凹模固定板厚；

n——凹模板厚度。經強度校核，凸模不屬于細長桿，強度足夠。

3.3 壓力機的選擇

根據以上數據可以計算出數據選擇沖床，該設計采用J23-16型壓力機，沖壓機主要參數見表1。這些參數符合沖制該零件的要求。

表1 J23-16型壓力機主要參數

壓力中心的確定：由沖床的式樣可以知道：由于模具在工作時是將整個上模座固定在沖床的滑塊上，因此不必進行壓力中心的計算。為了方便模具安裝在壓力機上，在上模座上設計一個模柄[8]，以起到模具在安裝時的定位作用。

3.4 模具總體結構設計

凸凹模內外刃口間壁厚校核：根據沖裁件結構凸凹模內外刃口最小壁厚為8.5 mm，故計算求得該凸凹模側壁強度足夠。

圖3 模具總體結構圖

該模具的動作過程是：當上模(凸模)下行至凹模板和推件塊壓緊條料，凸模繼續下行完成落料、沖孔等工序；之后廢料由凸凹模下行將其從下漏料洞口推出。在此過程中，凹模板和推件塊將條料壓平，可使工件表面平整。上模回升時，緊箍在凸凹模上的條料由卸料板推下，條料由浮料銷浮起以便條料的繼續送進。隨著條料的送進，此過程將從新繼續進行。

圖4 凸緣模柄圖

為保證加工精度，應使凸凹模固定板平面與凸凹模的中心線有良好的垂直度，而且基準面的表面粗糙度為Ra=1.6μm，另一非基準面可適當降低要求。

在大批量生產中為了便于裝?；蛘咴诰纫筝^高的情況下，模具都采用導向裝置，保證精確的定位，提高沖件質量及其模具壽命。在導板模中，以導板對凸模導向，導板既對凸模起導向作用又起卸料版作用，導板與凸模采用H7/h6配合，在沖裁過程中使凸模與導板始終保持配合。此設計是把原設計中靠螺栓預緊力而產生的摩擦力傳遞扭矩，改成靠螺紋傳遞扭矩。此時的螺栓僅起連接作用，不起傳遞扭矩作用，故不必進行強度校核。

4 結語

（1）本設計的結構可確保模具工作運行可靠，以滿足沖壓產品的生產技術要求。模架采用標準模架，同時按照模具的沖裁力要求和模架規格選用了合適的沖壓設備。該設計對工作零件和壓力機規格均進行了必要的校核驗算。本模具性能可靠，運行平穩，提高了產品質量和生產效率，降低勞動強度和生產成本。

（2）設計的模具為修邊、沖孔倒裝復合模具。為提高生產率，提升產品的多元化，可在本此設計的基礎上增加拉深、翻邊等工序，設計較為復雜的模具，以便沖壓更為復雜的零件，以提高經濟效益，降低生產成本。

（3）產品要求翻邊圓角R=1 mm，比理論設計的翻邊圓角小。參考有關資料和依據工作經驗決定從模具設計及制造精度方面加以解決，為此確定合適的預沖孔沖裁間隙為0.15-0.2 mm，這樣可以提高預沖孔粗糙度。

1張兵．曲軸銷孔徑向位置測量誤差分析及專用檢具設計[J]．機械制造，2001，39（6）：50-51．

2孫鵬．穩健設計方法及其在火箭發動機結構設計中的應用[D]．西安：西北工業大學，2006．

3王福生，王維佩，鄭云芳．農機維修知識精選(五)[J]．山東農機化，2006（9）：17．

4朱文瑞，江紅．波導法蘭盤連接孔鉆鉸模設計[J]．模具工業，2012，38（9）：73-75．

5王家宣，繆華清，熊洪淼，等．LY12法蘭盤液態模鍛鍛件及模具設計[J]．鍛壓技術，2005，30（4）：59-60，91．

6王家宣，諸葛躍，李文杰等．6082合金法蘭盤擠壓鑄造工藝及模具設計[J]．鑄造技術，2009，30（12）：1578-1579．

7楊裕強，何西海．萬向節叉法蘭盤的結構設計研究[J]．機械設計與制造，2006（5）：19-20．

8李小青．多工序復合模設計的探索和實踐[J]．鍛壓技術，2007，32（4）：64-66．

Research on Stamping Process for Flanged Part and Its Mold Design

Wang Shuang,Dong Xiaorui,Li Xiaojie
（School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China）

For a flanged part used in engine,a processing scheme of single process mold is adopted. The mold structure is determined with the developed pattern of the part drawing.The punching punch is fixed to a mounting plate,while the concave mold is designed as one piece and is fixed on the lower mold. The application of the mold shows that the mold structure can ensure its reliable operation,and the flanged part made with the mold satisfies its design specifications.

flange,punch,processing,design

來稿日期：2014-03-15

王爽（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為汽車結構仿真與制造工藝。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.013