一種雙面沖床模具組件的設計與研究

宋崇杰， 張立佳， 曹安全， 靳靜娟

(武漢大學工程訓練與創新實踐中心 武漢 430072)

一種雙面沖床模具組件的設計與研究

宋崇杰， 張立佳， 曹安全， 靳靜娟

(武漢大學工程訓練與創新實踐中心 武漢 430072)

針對汽車懸掛系統管子端部的一對同軸半圓孔，沖孔加工時存在精度低、成本高等現象，研究一種基于一次定位裝夾，先左沖左半圓孔后右沖右半圓孔雙面沖孔加工的新工藝，設計制造新的加工設備。通過對該類零件的加工工藝特點進行分析，設計一種快換模具結構，并闡述其工作原理。在對設備最薄弱的凸模元件進行有限元分析和疲勞分析后，計算出變厚度凸模的最佳傾斜角度。為解決沖裁厚壁或高強度的工件半圓孔工時凸模強度不夠的問題，采用級進模沖切的加工方法以降低對凸模的強度要求。研究表明，該裝置可靠性高，穩定性好，能極大提高產品精度和生產效率。

沖壓模具； 雙面沖孔； 模具壽命

1 汽車懸掛系統管子工藝分析

汽車懸掛系統管子是汽車懸掛系統中的重要部件。管子端部兩側需沖同軸半圓孔，為了滿足汽車性能要求，該零件加工精度要求較高，必須保證加工孔較高的尺寸精度和位置精度，從而保證安裝軸件的精度。

過去使用兩套模具，分左右兩次沖裁：先將加工管子固定在左沖裁工位，沖裁管子上側面半圓孔；再將管子取出，固定在右沖裁工位，沖裁管子下側面半圓孔。通過模具的制造精度、機床的制造精度和模具在機床上的安裝精度來保證兩個半圓孔之間的同軸度。但由于管子毛坯是鈑金鍛件，精度較低，采用常規工藝，分兩次沖裁，不可能制造出高精度的零件，且二次裝夾后加工誤差更大，故兩個半圓孔加工很難達到較高的同軸度精度。另外這種工藝使用兩套模具，增加了制造成本，也增加了裝夾時間，加工工序多，操作人員多，已不能滿足新的生產需求[1]。

汽車懸掛系統管子端部為扁口狀，厚度為4.5 mm左右(不同車型尺寸會不同)，管子扁口端部兩側為同軸半圓孔，材料為Q345C，成品三維模型如圖1所示。

圖 1 汽車懸掛系統管子

2 模具結構設計及其工作過程

2.1模具結構設計

汽車懸掛系統管子端部兩側沖同軸半圓孔，最關鍵的設計要點就是保證凸模的強度和剛度。

雙面沖孔工藝及其沖孔模具裝置，屬于管材沖孔加工領域。根據零件的結構特點，模具布局采用凸模懸伸結構(凸模)，在油缸驅動下作動模、左右凹模(動凹模)都采用鑲嵌結構并水平對稱，定位裝夾后作定模(定凹模)，沖孔裝置能一次定位裝夾后完成該零件端部的兩面沖孔，保證兩半圓孔的同軸度，并且能方便調整凸凹模同軸，實現快速換模，同時也節省模具材料，降低了成本[2-5]。模具結構如圖2所示。

由于管子在沖壓過程中所承受的載荷是沖擊載荷，所以在設計過程中保證它的定位夾緊可靠至關重要。通過凸模上的平臺(1點定位管子端部)和定凹模側平面(3點定位管子扁平面的右側面)和工件支撐元件(2點定位管子的下側面)定位，尾部托架和U型塊為輔助支撐。同時在動凹模左側面增加一個具有自鎖角度的楔形塊夾緊裝置，動凹模在凹模氣缸帶動下沿直線導軌運動，夾緊工件后，氣缸推動楔形塊鎖緊并自鎖。此裝置操作方便，且定位穩定牢靠。

1-動凹模固定座；2-動凹模調整墊片；3-動凹模基座；4-動凹模；5-凸模；6-定凹模；7-定凹模調整墊片；8-定凹模基座；9-定凹模固定座；10-定凹模豎直方向調節螺釘；11-動凹模豎直方向調節螺釘；12-直線導軌副；13-動凹模水平方向上調節螺釘；14-定凹模水平方向上調節螺釘圖 2 模具結構

如圖2所示，動凹模裝在動凹模基座上，動凹模基座安裝在動凹模固定座上，動凹模固定座安裝在沖床工作臺直線導軌上，動凹模基座與動凹模之間設有豎直方向上的調節螺釘和水平方向上的調節螺釘；定凹模安裝在定凹模基座上，基座安裝在定凹模固定座上，定凹模固定座固定在沖床工作臺上，定凹模基座與定凹模之間設有豎直方向上的調節螺釘和水平方向上的調節螺釘，定凹模基座底板上設有可調節的可鎖緊的工件定位螺釘。

安裝模具時，用紫銅片墊在凸模與定凹模之間，調節螺釘擰緊合模，保證凸凹模同心及其所需間隙，依次擰緊側面及下底面所有固定螺釘，使定凹模固定在定凹模基座上。用同樣的方法，調整動凹模與凸模的同心度和間隙，使其固定在定凹模基座上。

2.2模具工作過程

安裝工件時，凸模在液壓油缸活塞和光柵尺的控制下，移動到中間基準點零位，所有夾緊氣缸均松開退到原位，并發出零位準備好信號，這時可以將所需加工的汽車懸掛系統管子放入加工安裝區，管子下側面兩點定位完成，完成粗定位。

工件自動加工時，按下啟動按鈕，位于管子尾端氣缸前伸推動管子，管子端面靠近凸模止口定位面完成一點定位，隨后動凹模在其驅動氣缸帶動下沿直線導軌運動并將管子定位夾緊在定凹模位置，隨后動凹模斜面支撐氣缸活塞推動楔形塊前進到底，與動凹模固定座上的斜面形成自鎖，使動凹模鎖緊固定，最后管子上端輔助夾緊機構進一步夾緊，以保證夾緊剛度和強度，增強可靠性，工件定位裝夾完畢。

接到工件定位完成信號后，油缸啟動前進，凸模在油缸活塞的帶動下，先向定凹模方向移動，依設定位移數據完成定凹模一側半圓孔的沖孔，然后凸模在油缸活塞驅動下反向移動，完成動凹模一側半圓孔的沖孔，最后凸模再反向移動，回至中間零點位置停止，所有夾緊氣缸按設定順序依次后退回到原位，夾緊裝置松開。取出工件，完成一次加工。依上述步驟裝料，按下啟動按鈕繼續加工[6-7]。

3 沖切模的疲勞強度分析

由于沖模在工作時受較大的沖擊載荷和交變載荷，工況條件較差，因此要選擇優質材料制造沖裁模具。為此選用通用Cr12MoV模具鋼。通用Cr12MoV模具鋼具有高強度、高硬度、高耐磨性、高韌性和抗回火穩定性等優點。

疲勞破壞是由于重復加載引起的，沖切模具磨損的具體形式與模具結構、模具材料、模具間隙、模具工作零部件和沖壓速度、坯料的表面粗糙度等諸多因素有關。沖切模每次沖裁時，受到左右兩次沖力，當最大和最小的應力水平恒定時稱為恒定振幅載荷。本文將針對沖切模這種受力形式進行討論[8-10]。

3.1沖切模ANSYS workbench顯示動力學分析

采用的模具類型為沖切模具，沖壓零件汽車懸掛系統管子的材料為Q245C，其中沖切模基本結構如圖3所示。

圖 3 沖切模三維結構

沖切工件時會在凸模側面產生沖擊力，在受到沖擊力的作用下，產生應力應變。不同的凸模傾斜角α(α為凸模傾斜面與垂直面的夾角)會使凸模受到的沖擊力不同，同時在凸模工件上產生的應力集中也會不同[11-12]。沖切模發生沖擊破壞的危險部位見圖4。

圖 4 沖切模危險部位

在ANSYS平臺仿真。由仿真結果可知，沖壓過程不同時刻，沖切模本體各部位等效應力分布不均勻。其中最大等效應力出現在沖切模臺階拐角位置，該位置也是沖切模發生疲勞破壞的危險部位。傾斜角越大，沖切模臺階拐角位置的應力應變越小，范圍也越小。

但是，沖切模半圓底部厚度固定不變，傾斜角α越大，則半圓頂部厚度越小，因此在沖切時難以保證足夠的強度，導致半圓頂部尖端受損。

當傾斜角α>0°時，切穿管子是一個漸進過程[13-15]。凸模彎矩值

(1)

式中：P為沖切力；S截為沖切截面積；α為傾斜角；x0為承受最大彎矩凸模位置距離。

根據式(1)找出不同α角度下凸模切穿管子的最大沖切力和凸模承受的彎矩(表1)。

表1 不同傾斜角沖切模數據值

由計算出的不同傾斜角沖切模彎矩值，和它對應的安全系數，可以知道當凸模角度為12°時，凸模產生的彎矩最小，安全系數最高。

利用ANSYS有限元平臺中 workbench組塊，采用顯示動力學方法來分析檢驗各不同角度的凸模沖擊工件的沖擊應力現象。模型分析圖如圖5所示。

圖 5 沖切模顯示動力學分析縱坐標為P/N

根據走勢圖可以看出，當凸模的角度在12°時，凸模沖擊工件過程中產生的應力集中現象為最小值，分析結果與計算結果相匹配。因此，凸模有一定的傾斜角會減小沖切力，減小凸模承受的彎矩，減小臺階拐角位置的應力應變。但傾斜角α不能太大，經計算分析和試驗驗證，在α為12°時可以很好地改善臺階拐角位置的應力應變，同時保證足夠的安全強度。

3.2沖切模的疲勞分析

疲勞仿真必須要有材料的S-N曲線，利用汽車懸掛系統管子材料的抗拉強度和彈性模量，且材料的疲勞極限Sf，和材料極限強度Su已知，可模擬預估出一條近似的S-N曲線。考慮到金屬材料的長壽命疲勞，疲勞極限Sf對應的循環次數一般為N=107次，根據經驗公式可得

S×106=Sf=kSu

其中k反映不同載荷作用形式[11-12]。本文疲勞分析的對象是節點，對該節點應力大小進行排序，選擇了最大等效應力的節點作疲勞分析對象。

通過ANSYS的有限元分析得到的是節點的應力應變響應，應力集中系數取1，沖切模材料Cr12MoV的S-N疲勞特性曲線如圖6所示。

圖 6 沖切模材料的S-N曲線

根據設計要求，該沖切模至少需要滿足100萬次的沖切次數。ANSYS疲勞分析結果顯示，在固定工況下100萬次循環加載的累積損傷系數D=0.6<1，100萬次循環加載內不發生疲勞破壞，沖切模的疲勞壽命約為166.7萬次，滿足設計要求。

4 級進沖切加工

針對加工厚壁或高強度材料的汽車懸掛系統管子時凸模強度不夠的情況，在沖切模的懸伸凸模半圓底部設置支撐臺階，減緩沖擊強度，改善應力集中情況。

為了減緩一次加工時高強度的沖擊力，將沖切過程分為兩次加工：第一次加工后，根部留有余量；第二次模具跟進，進行第二次沖切。這樣會大大減少沖切模具所受沖擊力。級進模沖切過程如圖7所示。

圖 7 級進加工過程

利用ANSYS有限元平臺中 workbench組塊，采用顯示動力學方法來檢驗結構優化后，凸模級進沖擊工件的沖擊應力現象(圖8)。

圖 8 優化后的凸模顯示動力學分析

經驗證，優化后的凸模在進行沖擊工件作業時，能夠受到最小的沖擊應力，產生最小的應變，大大延長了凸模的使用壽命。

5 結論

用有限元的方法對一種雙面沖床的模具的沖切模結構進行了受力分析和疲勞破壞分析，基于有限元分析的結果，結合模具工程設計的經驗，對模具結構進行了優化。根據有限元分析結果，修改方案有效地減小了沖切模結構危險部位的應力集中，并提高了沖切模結構疲勞壽命[16]。凸模采用12°的傾斜角沖孔可以極大地降低沖裁力，減小負載，降低對凸模的強度要求。

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[責任編校：張眾]

DesignandResearchofMoldComponentsofDouble-FacedStampingMachines

SONG Chongjie，ZHANG Lijia，CAO Anquan，JIN Jingjuan

(SchoolofPowerandMechanicalEngin.,WuhanUniv.,Wuhan430072,China)

Aiming at the problems of low accuracy and high cost about the automotive suspension system that punching a pair of coaxial semicircle orifices on the end of pipes, a new process of the double-faced punching by punching semicircle orifices from left to right based on one-timed clamping was studied/developed and a new equipment was designed. A structure of the quickly exchanging mode was designed based on the analysis of process of the characteristics of tube parts, and of which the operating principle was expounded. The best angle of the variable thickness terrace die was calculated by FEA after the analysis of fatigue to the terrace die that is the weakest part of the whole equipment. In order to solve the problems that the strength of the terrace dies is insufficient when punching semicircle orifices on the thick wall or high-strength pieces, the method that using two processes to machines for reducing the requirements of strength of the terrace die has been proposed. It is proved that the device is highly reliable and stable, and the accuracy and efficiency of products have been significantly increased by using the device.

stamping die; double-faced stamping; die life

2017-06-06

宋崇杰(1964-)， 男， 湖北鄂州人，武漢大學高級工程師，研究方向為機械工程智能裝備

1003-4684(2017)05-0112-05

TH12; TH161

A