沖杯試驗圓片試樣制樣模具設(shè)計及三維動作模擬

劉珂

（國家鋁及鋁制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，河南 三門峽 472000）

沖杯試驗圓片試樣制樣模具設(shè)計及三維動作模擬

劉珂

（國家鋁及鋁制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，河南 三門峽 472000）

本文研究了GB/T5125有色金屬沖杯試驗方法，分析了沖杯試驗圓片試樣的特點，利用Solidworks軟件對沖杯試驗圓片試樣制樣模具進(jìn)行了三維建模。該模具采用組合式的設(shè)計思路，自上而下分布的設(shè)計方案。通過三維模型的動作模擬，證明了沖杯試驗圓片試樣制樣模具結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計合理。同時，為沖杯試驗圓片試樣加工提供了一種新的方法。

杯試驗；圓片試樣；模具；Solidworks

隨著中國工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展，對有色金屬板材的需求越來越旺盛，進(jìn)而對板材性能的研究越來越深入。其中，沖杯試驗［1］是對有色金屬薄板和帶材延展性能的測定，主要用于研究有色金屬板材各向異性的性能。傳統(tǒng)的沖杯試驗所需圓片試樣的獲取方法為機加工，該方法存在諸多弊端，影響了沖杯試驗數(shù)據(jù)的可靠性。因而，現(xiàn)有的沖杯試驗圓片試樣的加工方法亟待改進(jìn)。

通過對圓片試樣的結(jié)構(gòu)分析，利用Solidworks三維建模軟件，采用了組合式的設(shè)計思路，自上而下的設(shè)計方案對沖杯試驗圓片試樣制樣模具進(jìn)行了設(shè)計。

1　圓片試樣結(jié)構(gòu)和加工過程分析

1.1圓片試樣結(jié)構(gòu)分析

主要研究方向：鋁及鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。

沖杯試驗用圓片試樣的具體要求為：①表面應(yīng)平整不能有劃痕，周邊無毛刺；②圓片試樣分為三種規(guī)格：；③進(jìn)行沖杯試驗的板材厚度范圍：0.1～3mm。

1.2圓片試樣加工過程分析

在以往的試驗中，對于圓片試樣的獲取，通常是車床切削加工或是采用線切割加工。對于車床切削加工：該加工方法要求操作技能比較高，加工過程中，金屬薄板受力易變形，表面易被刀具劃傷；對于線切割加工：加工過程中高溫易使金屬薄片邊緣產(chǎn)生熱影響區(qū)，影響材質(zhì)性能。這兩種方法在獲取沖杯試驗圓片試樣中存在成品率低的現(xiàn)象。同時，為了保證試樣的表面要求和尺寸精度，就會引起加工效率低的現(xiàn)象，無形中增加了試驗成本，也影響了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

2　制樣模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于圓片試樣傳統(tǒng)方法加工過程中存在的種種問題，通過Solidworks軟件對沖杯試驗圓片試樣制樣模具進(jìn)行了三維建模［2-3］。

2.1模具整體設(shè)計

通過對圓片試樣的結(jié)構(gòu)分析，采用Solidworks軟件對沖杯試驗圓片試樣制樣模具按照組合式的設(shè)計思路，自上而下分布的設(shè)計方案，進(jìn)行了三維模型設(shè)計，如圖1所示。圖中：1—沖剪桿；2—主彈簧；3—沖剪凸模；4—主彈簧套筒；5—上座；6—軸用擋圈；7—支撐彈簧；8—底座；9—銷子；10—沖剪凹模；11—待制取的有色金屬板材。

圖1　制樣模具整體結(jié)構(gòu)圖

沖杯試驗圓片試樣模具特點：①為了簡化結(jié)構(gòu)，模具自身不帶動力，由萬能試驗機來提供；②沖剪桿與沖剪凸模采用螺紋連接，沖剪凹模直接放置在底座上，靠錐面結(jié)構(gòu)保證沖剪凹模和底座的同軸度。這樣的設(shè)計易于更換沖剪凸模和沖剪凹模，以便制取不同規(guī)格的圓片試樣。

2.2各功能機構(gòu)設(shè)計

通過制樣模具的功能分析，將其劃分為以下幾個部分：夾緊機構(gòu)、沖剪機構(gòu)、主分離機構(gòu)、輔助分離機構(gòu)和軸線重合保證機構(gòu)。

2.2.1夾緊機構(gòu)設(shè)計

夾緊機構(gòu)用于夾緊待制樣的有色金屬板材，由沖剪桿、主彈簧、上座、沖剪凹模和底座組成。萬能試樣機的上壓頭壓在沖剪桿上，施加向下的位移，通過力的傳遞，沖剪桿向下運動帶動主彈簧運動，主彈簧再帶動上座運動，直至上座和沖剪凹模將有色金屬薄板夾緊。

2.2.2沖剪機構(gòu)設(shè)計

沖剪機構(gòu)用于完成圓片試樣的制取，分別由52mm、55mm、60mm沖剪凸模和對應(yīng)的52mm、55mm、60mm沖剪凹模組成。上述夾緊機構(gòu)工作后，隨著萬能試驗機繼續(xù)向下運動，沖剪桿帶動沖剪凸模與沖剪凹模配合完成對薄板進(jìn)行沖剪。不同規(guī)格的沖剪凸模和沖剪凹模配合使用，制取不同規(guī)格的圓片試樣。

2.2.3主分離機構(gòu)設(shè)計

主分離機構(gòu)由沖剪桿、主彈簧、沖剪凸模和沖剪凹模組成。待沖剪過程完成后，萬能試驗機上壓頭開始向上運動，這時在主彈簧的恢復(fù)力作用下，沖剪桿帶動沖剪凸模與沖剪凹模分離。

2.2.4輔助分離機構(gòu)設(shè)計

輔助分離機構(gòu)用于制樣完成后將有色金屬板材松開，以便進(jìn)行下一次制樣。由沖剪凹模、支撐彈簧和上座組成。主分離機構(gòu)開始工作時，支撐彈簧在恢復(fù)力作用下，將上座與沖剪凹模分離，使得夾緊機構(gòu)松開有色金屬板材。

2.2.5軸線重合保證機構(gòu)設(shè)計

軸線重合保證機構(gòu)用于保證制取的沖杯試驗圓片試樣尺寸精度。由上座、銷子、軸用擋圈和底座組成。在沖剪凸模下移過程中，通過上座銷子孔和底座銷子孔與銷子的尺寸公差配合，同時，銷子本身為短粗結(jié)構(gòu)，剛度大，也會起很好的引導(dǎo)作用，使得沖剪凸模準(zhǔn)確落入沖剪凹模內(nèi)，來保證圓片試樣的精度要求。

3　三維模型動作模擬

利用Solidworks軟件，進(jìn)行運動模擬。過程如下：

對模型的沖剪桿施加一個驅(qū)動上下運動的馬達(dá)，將待取樣的有色金屬板材放置在沖剪凹模上，當(dāng)沖剪桿產(chǎn)生向下的位移時，由于支撐彈簧的剛度明顯小于主彈簧的剛度因而首先產(chǎn)生壓縮，使得上座和沖剪凹模逐漸接近，直至上座與有色金屬板材上表面接觸，沖剪凹模與有色金屬板材下表面接觸，將有色金屬板材夾緊，見圖2所示。此時繼續(xù)加載，主彈簧受力壓縮，沖剪桿帶動沖剪凸模繼續(xù)向下運動，在沖剪凸模與沖剪凹模的配合下，完成圓片試樣的沖剪取樣，并經(jīng)沖剪凹模孔掉落到工作臺面上，如圖3所示。

圖2　有色金屬板材夾緊工作狀態(tài)示意圖

圖3　有色金屬板材沖剪工作狀態(tài)示意圖

有色金屬試樣取樣完成后，調(diào)節(jié)驅(qū)動馬達(dá)，使沖剪桿向上運動進(jìn)行卸載，主彈簧逐漸恢復(fù)，并將沖剪凸模抬起，與有色金屬板材分離；隨后，支撐彈簧逐漸恢復(fù)，將上座彈起，與沖剪凹模分離。直到?jīng)_剪桿恢復(fù)到初始狀態(tài)。

模擬過程中圓片試樣制取過程流暢，機構(gòu)間無干涉現(xiàn)象發(fā)生，說明沖杯試驗圓片試樣制樣模具設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊。

4　結(jié)論

沖杯試驗圓片試樣制樣模具采用組合式的設(shè)計思路，自上而下的設(shè)計方案；利用Solidworks軟件對沖杯試驗圓片試樣制樣模具進(jìn)行了三維建模，并進(jìn)行了動作模擬，證明了沖杯試驗圓片試樣制樣模具結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計合理。同時，為沖杯試驗圓片試樣加工提供了一種新的方法。

［1］GB/T5125-2008.有色金屬沖杯試驗方法［S］.

［2］鄭劉波.木塑模具設(shè)計［J］.模具技術(shù)，2013（2）：50-52.

［3］周文.基于Solidworks的汽車前大燈玻璃制品壓制成型模設(shè)計［J］.模具工業(yè)，2015，41（2）：33-38.

Cup Test Wafer Specimen Sample Preparation Mold Design and Simulation of Three-dimensional Movement

Liu Ke
（NationalQuality Supervision and Inspection Center of Aluminum and Aluminum Products，Sanmenxia Henan 472000）

This paper studied the GB/T5125 nonferrous metal cup test method，and analyzed the characteristics of the sample cup test wafer，and conducted 3D modeling on the cup test wafer specimen sample preparation mold by Solidworks software.The mold used modular design concept with top-down designing scheme.Through the motion simulation of three-dimensional model，it was proved that the sample cup test sample preparation mold had compact structure and reasonable design.Meanwhile，itprovided a new method for the red cup test wa?fer sample processing.

Cup test；wafer sample；die；Solidworks

TF125

A

1003-5168（2015）05-0042-3

2015-4-28

河南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目（2014zj013）。

劉珂（1982-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：鋁及鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。