Z形金屬片級進模設計*

高 欣 ，魏 穎 ，成亞寧 ，翟崇琳

（宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800）

近年來，高速發展的經濟推動了制造業的騰飛，模具作為制造業的重要基礎領域，被稱為“工業之母”，各種結構件和內飾件被高效率、大批量生產和應用，沖壓模具市場需求巨大，具有廣闊的發展前景[1-2]。本次設計的課題是金屬片沖壓工藝與模具設計，材料為Q235，厚度為1.5 mm，要求大批量生產。工件圖如圖1所示，該結構有明顯的Z形彎曲及3個橢圓形的孔，還有兩個加強筋。

圖1 工件圖

1 沖壓件工藝性分析

圖1所示的金屬片結構比較簡單，整體為Z形彎曲，總高度為6 mm，寬度最大為40 mm，長度為64 mm，展開后的外形有1個長度為58 mm、寬度為3 mm的缺口矩形，有3個寬度6 mm、半徑為3 mm的橢圓形孔，孔與孔之間的距離為40 mm，孔與邊緣之間的最小距離為4 mm。

沖裁件表面粗糙度查文獻[3]知，表面粗糙度Ra6.3 μm，所有尺寸公差取ST7級，適合進行沖裁加工。

工件彎曲半徑為3 mm，查文獻[4]知，γmin=0.5t=0.75 mm，且r/t=2＜5，所以能一次彎曲成功并可以不考慮圓角半徑的回彈。其中，γmin為最小彎曲半徑，r/t為相對彎曲半徑，t為材料厚度。

金屬片中有2條寬度3 mm、長度20.5 mm的加強筋，加強筋主要作用是在不增加壁厚的情況下，增加零件的強度，設計時加強筋厚度應小于壁厚，即取0.5 mm。

金屬片材料為Q235，查文獻[5]知，其抗拉強度為380 MPa～470 MPa，伸長率為21%～25%，所以材料沖壓成形性能好。

綜上所述，該工件具有良好沖壓工藝性，適合沖壓加工。

2 沖裁工藝方案的確定

本課題金屬片由落料、沖孔、壓筋、彎曲四道工序組成，因此可以采用以下方案。

方案一：先落料，后沖孔，再沖制加強筋，最后進行彎曲，采用單工序模生產。

方案二：落料沖孔復合沖壓，再進行加強筋彎曲成形，兩副復合模生產。

方案三：按沖孔、加強筋、彎曲、落料順序沖壓，采用級進模生產。

若采用方案一，模具結構簡單，但四副模具成本較高，生產效率低，不滿足效率要求；方案二模具結構復雜，制造難度大，難以實現自動化生產；方案三只有一副模具，生產效率高，易于實現自動化，同時滿足精度要求。通過以上分析，選用方案三比較合適。

3 工藝計算

3.1 排樣設計

工件長度64 mm，寬度根據文獻[3]中的方法計算，查文獻[3]可知在彎曲半徑為3 mm和2 mm的情況下，應變中性層位移系數x分別為0.4和0.34，由文獻[3]中公式：ρ=(r+xt)，得ρ1=3.6，ρ2=2.5。α為3/4π，所以工件寬度：

即毛坯尺寸為64 mm×41.5 mm×1.5 mm，毛坯展開圖如圖2所示。

圖2 毛坯展開圖

為保證沖壓件精度和模具受力平衡，選用有廢料的直對排方式。條料寬度按文獻[3]中公式計算：

式中，ι為工件寬度，ι=41.5 mm；a為搭邊值，a=4 mm；e為條料與定位板之間的間隙，e=0.8 mm；代入公式得條料寬度為91.8-0.5mm。

步距為毛坯的長度加上中間搭邊，即S=64 mm+4 mm=68 mm，排樣圖如圖3所示。

圖3 排樣圖

選用1 000 mm×2 000 mm的板料進行縱裁，每條長度為2 000 mm，一共可裁1 000/91.8=10.89條，取10條。每條可沖2 000/68×2=58.82個，取58個，毛坯展開面積A=64 mm×41.5 mm=2 656 mm2。

查文獻[3]知，材料利用率計算公式：

式中，N為一塊板料上沖裁件的總個數，N=10×58=580個；A為毛坯展開面積；L為板料長度；B1為板料寬度。

3.2 工藝力計算及壓力中心確定

3.2.1 沖裁力、卸料力及推件力

查文獻[3]知，沖裁力：

式中，K為安全系數，取1.3；L1為沖裁件的周長；t為材料厚度，t=1.5 mm；τ為材料抗剪強度，τ=350 MPa。

由文獻[3]知，卸料力系數和推件系數分別為0.045和0.055，卸料力和推件力為：

式中，n為卡在凹模洞口中的料的件數，n=h/t，h為凹模刃口高度，n=1.2。

3.2.2 彎曲力和壓筋力

本課題所設模具中彎曲部分采用校正彎曲，單位校正力q值為50 MPa，A1為校正面積，則彎曲力：

壓筋力：

式中，K為安全系數，取1.3；毛坯圖中筋輪廓長度L2可以由AutoCAD軟件測得為355.5 mm；材料Q235抗拉強度σb取450 MPa；材料厚度t為1.5 mm。

經過上述計算，總的沖壓力：

根據總的工藝力，初步選擇壓力機型號為J23-100。

3.2.3 壓力中心確定

根據排樣圖，在AutoCAD軟件中使用“域”功能，壓力中心為圖3的A處位置。

4 模具總體結構設計

本次設計采用導料板導料、自動送料和側刃粗定位、導正銷精定距。因金屬片厚度為1.5 mm，故可選擇彈性卸料，采用彈性頂出裝置，出件時以出件的方向為基準，沿著斜坡將工件滑出。選用四角導柱導套模架，其導向精度高、操作空間大、穩定性好[6-10]。

在設計過程中，凹模的設計是關鍵，它決定了模架尺寸及其他板的尺寸。設計時，外形的大小可根據排樣圖的大小進行設計，初步取值時長度和寬度比排樣圖單邊大30 mm，由文獻[6]調整凹模外形尺寸為470 mm×240 mm×30 mm。模具結構如圖4所示，條料由左往右送進模具，上模下行，由導料板導料，進入模具后第一工位側刃沖切料邊進行粗定位，同時沖切橢圓形的孔及中間一個工藝定位孔。第二工位由導正銷進行精確定位并進行壓筋，第三工位沖中間孔，第四工位空工位，第五工位彎曲兩邊，使原來的工件由Z形變為U形彎曲，第六工位切斷。彎曲結束后，由彈簧、卸料板、卸料螺釘組成的彈性卸料裝置將條料卸下[11-12]，產品自動脫落。

圖4 模具結構

J23-100型壓力設備最大裝模高度為480 mm，裝模高度調節量為100 mm，最小裝模高度為380 mm。本次設計模具的閉合高度H為209 mm，通過分析可知，模具閉合高度H不滿足：Hmin+10 mm＜H＜Hmax-5 mm，故需要增加15 mm墊板。模具外形尺寸為500 mm×250 mm，小于壓力機工作臺尺寸1 080 mm×710 mm，滿足要求。

5 結論

本次課題是對金屬片進行沖壓工藝分析和模具設計，首先通過對沖壓件材料、結構形狀、尺寸精度進行工藝性分析，得出沖壓件工藝性良好，并在此基礎上制定了工藝方案，采用級進模生產。其次，對金屬片進行排樣設計、沖壓力計算及壓力中心確定，并初步選擇了壓力機，同時利用AutoCAD軟件確定了壓力中心。最后，根據排樣圖設計凹模并選擇模架，最終繪制了模具結構圖，并根據實際情況對壓力機進行了校核。本課題設計最主要的特點是采用直對排，提高了生產效率，降低了模具結構設計與制造的難度，本研究對同類產品的設計具有指導意義。