五金沖壓件中定位柱的成形研究

劉軍

摘 要：五金沖壓件廣泛應用于社會生活的各個領域，而且沖壓件是五金件中應用最多的，在一定的溫度壓力條件下，通過壓力機及模具的成型加工制造，將黑色金屬或有色金屬材料在模具中壓制成所需要的形狀，就是五金沖壓件的具體應用。在五金沖壓件的生產中，表面具有定位柱的五金零件的沖壓成形具有典型意義。下面，本文結合有限元模擬和實驗，對具有定位柱的五金件沖壓成形工藝及模具設計進行了具體探討，進而給出了優化沖壓成形設計方案的建議與對策。

關鍵詞：定位柱；五金沖壓件；沖壓成形設計；優化方案

0 引言

在生活中，電子元器件、汽車配件以及機械的外殼零件等都大量應用了各種五金沖壓件，而且在主支架零件的連接過程中，為了滿足連接的需要，往往對每個核心沖壓件中設置定位柱。在過去，往往在各個沖壓件上焊接上加工好的軸，從而實現定位功能，近年來隨著技術的發展和進步，能夠實現金屬拉伸變形使其直接成形的技術來一次完成。下面，筆者通過有限元模擬及實驗，對低碳鋼板材中定位柱的成形工藝進行深入探索。

1 五金沖壓件簡介

在室溫條件下，金屬材料通過冷沖壓、熱沖壓、滾壓、擠壓、焊接、切削等工藝，經過機械加工生產出所需的零件。沖壓件的加工一般包括沖裁、彎曲、拉深、成形、精整等工序。而沖壓加工為了便于實現自動化生產提高效率，所使用的材料多數是一些金屬卷、帶材料，如碳鋼板、合金鋼板、彈簧鋼板、鍍鋅板、鍍錫板、不銹鋼板、銅及銅合金板、鋁及鋁合金板等。此外，五金沖壓件的設計必須遵循標準原則；設計沖壓件時必須在保證產品的使用要求和技術性能的情況下，盡可能的提高金屬材料的利用率和生產效率，盡可能的使用相同規格的同種材料，減少材料規格、種類，從而盡可能的減少因材料多品種、小批量造成的采購及庫存的浪費。其次，設計出的沖壓件在保證正常使用的前提下應該盡可能使沖模的結構簡單化，并適當考慮工序的分散與集中，選用最經濟的沖壓生產流程來完成整個零件的加工，努力實現沖壓零件的自動化生產，以提高勞動生產率。

2 零件工藝分析及初步工藝方案

對于數碼相機、汽車配件等等產品，其主支架零件的定位柱都是由一個突起的空心柱組成，這種定位柱往往就充當齒輪的傳動軸的作用。在定位柱的加工中，傳統的生產工藝是通過車床精加工空心定位柱之后再焊接在沖壓零件上而完成。隨著沖壓、模具技術的不斷進步，現階段的生產加工可以通過冷沖壓技術來一步到位完成，而且冷沖壓技術的自動化水平及生產效率也比較高，所需要的人力資源也比較少，而且與傳統的生產加工技術相比，該技術操作還大大降低了生產成本。在零件加工時，由于冷軋鋼板的厚度較小，所以最大的難點就是定位柱的拉伸成形，而且要求定位柱表面要足夠光滑，而且頂部不能有一點損壞，所以其加工難度大大增加。

根據金屬材料塑性成形的流動性規律，設計了多個成形方案，但是經過具體的實驗操作，發現有幾種方案根本不能適用，主要由于卸料困難以及對拉伸油要求過高難以滿足要求等等，而且由于生產過程中有些負荷較為集中，容易導致一些定位柱頂部出現了不同程度的破口現象。初步確定了四步的成形定位柱后，在局部體積成形這一環節，應該保證材料準確流動到預期的部位，此外還需要控制好凸、凹模的設計參數，這是防止工件內部的拉應力超出其自身抗拉應力極限的有效措施。最后，為了驗證初步方案的可行性，采用有限元模擬技術進行具體的成形條件分析，并且在工藝環節中結合調整的工藝參數，這不僅可以節約模擬時間，而且使產品的生產周期大大縮短，進一步優化了工藝方案。

3 有限元模擬環節

3.1 有限元原理分析

在局部體積的成形過程中，定位柱的塑性變形程度會明顯高于彈性變形，且兩部分之間的差異也比較大，所以可以只建立塑性材料模型，忽略了彈性變形的過程，這在計算過程中不僅大大減少了許多步驟，而且還使得有限元列式大大簡化。再者，在金屬流動性的作用下，材料晶體網格很容易發生變形，這是其網格單元畸變的重要原因，所以在后繼增量分析中應該以此為參考構型。

3.2 有限元模擬結果分析

對定位模型進行詳細的分析，通過累計不同時刻的速度場以及金屬材料在不同時刻的等效應力場，進而觀察定位后的各個區域的金屬填充程度。若整個填充結果飽滿平滑且無頸部斷裂現象發生，且無金屬相互折疊缺陷出現，則表明模擬環節滿足要求。隨著時間的推移，如果該模型的初始變形速度基本等于凸模的壓下速度，且差異不大，在被擠壓毛坯外層與模具型腔邊緣之間摩擦力的作用下，中間層難以與凸模接觸，則外層的金屬流動會慢于中間層，由此導致中間凹陷的發生。為了保證材料中間凹陷得以完全填充，在整個成形過程中，只有控制好毛坯各節點流動速度，并且保證均勻的矢量變化，避免出現速度突變或變化范圍較大的現象，才能使得金屬填充更加順利，而且從根本上也提高了產品及模具設計的合理性，避免成形缺陷現象的發生。

4 結語

在五金沖壓件中定位柱的沖壓成形研究過程中，為了更好的優化沖鍛過程中的各種工藝系數，應該根據實際情況采取有限元模擬，并且結合具體實驗，獲得更為理想的凸模、凹模設計參數。

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（作者單位：江門市大光明電力設備廠有限公司）