勺形截面零件沖壓工藝及模具設(shè)計

■ 鐵科縱橫（天津）科技發(fā)展有限公司 （天津 301700） 陳 家 馬運(yùn)章

如圖1所示，該零件是火車車輪上一種重要表面覆蓋類零件，批量大，外觀要求較高，表面不允許存在劃傷、褶皺及破裂等缺陷，且對毛刺要求嚴(yán)格。零件材料為DC01，厚度為1mm。

圖1 勺形截面零件

1. 工藝分析

該零件是一種典型勺形截面零件，其主要特點(diǎn)是直徑大、薄壁、直徑收縮相對較小，且外圈以圓弧段結(jié)束，不存在水平飛邊，因此拉深成形時無法設(shè)計壓邊圈結(jié)構(gòu)，只能使用無壓邊的成形方式。

與球形零件拉深類似，勺形截面零件在拉深成形時，不能使用拉深系數(shù)作為設(shè)計工藝的依據(jù)。因為勺形截面零件在拉深成形時，大部分坯料處于不受壓的自由狀態(tài)，零件外圈處極容易產(chǎn)生周向失穩(wěn)，從而出現(xiàn)褶皺。成形前坯料直徑D與成形后產(chǎn)品直徑d之差D－d越大，即徑向收縮越大，越容易出現(xiàn)褶皺。根據(jù)經(jīng)驗可知：當(dāng)D－d＜10mm時，勺形件無壓邊成形時不會產(chǎn)生褶皺；當(dāng)D－d＞10mm時，成形后產(chǎn)品周邊開始出現(xiàn)褶印，該差值越大，褶皺越明顯；當(dāng)D－d＞25mm時，將發(fā)生坯料折疊現(xiàn)象。所以成形前坯料直徑D與成形后產(chǎn)品直徑d之差D－d非常關(guān)鍵，是評價勺形截面零件無壓邊成形難易程度的基準(zhǔn)，也是設(shè)計拉深工藝的依據(jù)。

圖1中零件的落料料片直徑D根據(jù)公式D＝L1＋2L2＋2L3計算。式中D為落料直徑；L1為R500mm圓弧弧長；L2為R1800mm單段圓弧弧長；L3為R30mm單段圓弧弧長。

經(jīng)計算圖1中零件的落料料片直徑D為735.3mm，產(chǎn)品直徑d為700mm，其差值D－d=35.3mm＞10mm，所以該零件一次成形不能獲得合格產(chǎn)品，將出現(xiàn)坯料折疊現(xiàn)象。因而設(shè)計其生產(chǎn)工藝路線為：下料→預(yù)成形→終成形。即板料先落料成圓片，然后預(yù)壓成形至一定的尺寸和形狀，最后再終壓成規(guī)定尺寸的產(chǎn)品。該工藝方法能避免因一次收縮過大而產(chǎn)生褶皺問題，獲得合格產(chǎn)品，但還存在以下問題。

1）成本高。模具數(shù)量多，需要3套模具——落料模、預(yù)成形模和終成形模，模具成本費(fèi)用高；配套的壓力機(jī)設(shè)備多，維護(hù)維修成本高。

2）工序多。從坯料到成品需要經(jīng)過3道工序——落料、預(yù)成形和終成形，不便于生產(chǎn)管理，且生產(chǎn)效率低，板料需要較長時間周轉(zhuǎn)，在夏季溫、濕度較高的環(huán)境下產(chǎn)品容易生銹，產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險顯著增加。

為了解決上述問題，對該零件成形方式進(jìn)行工藝改進(jìn)。經(jīng)過反復(fù)論證重新設(shè)計落料模，使之兼具預(yù)成形模及落料模的功能，從而省去預(yù)成形工序，即新模具落料后料片直接進(jìn)行終成形，獲得合格產(chǎn)品。

2. 模具結(jié)構(gòu)及工作過程

基于上述分析，對落料模進(jìn)行重新設(shè)計，采用倒裝凸、凹模的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示，該模具名稱為拉延落料模，左側(cè)為模具開模狀態(tài)，右側(cè)為模具閉合狀態(tài)。具體工作過程為：液壓機(jī)滑塊上升，開啟模具，此時將坯料（圖中彩色線條）放置于凸模11和卸料板12上；液壓機(jī)滑塊下降，上模下行，上壓料板9的外圈和凹模8最先接觸并壓住坯料邊緣；滑塊繼續(xù)下降，上壓料板9逐漸與凸模11完全閉合，此時坯料完成預(yù)成形；隨著滑塊繼續(xù)下降，在彈簧1和5的作用下，凹模8繼續(xù)下行，剪切坯料，直至下死點(diǎn)，完成坯料的剪切；隨后滑塊上升，上模上升至開模狀態(tài)，成形好的料片在頂料桿10的作用下頂出，最后工人取走料片及廢料，繼續(xù)下一個循環(huán)。

圖2 拉延落料模結(jié)構(gòu)

3. 模具主要零件設(shè)計

（1）凸模的設(shè)計 凸模11是該拉延落料模的重要零件（見圖3），材料為45鋼。采用加工中心進(jìn)行數(shù)控銑削加工，調(diào)制處理，硬度要求為26～32HRC，表面進(jìn)行氮化處理，氮化層深度為0.30～0.35mm。

根據(jù)凸模刀環(huán)3的外徑可確定凸模11直徑，凸模11外圈留出凸模刀環(huán)3的安裝空間即可。

（2）凸模刀環(huán)的設(shè)計 凸模刀環(huán)3是該拉延落料模的核心零件（見圖4），材料為Cr12MoV，硬度要求58～62HRC，表面進(jìn)行氮化處理，氮化層深度為0.30～0.35mm。

凸模刀環(huán)3與凸模11的形狀必須一起設(shè)計，根據(jù)D－d的差值確定凸模刀環(huán)3的外徑（當(dāng)料片具備一定形狀時，將產(chǎn)生加工硬化，增加料片強(qiáng)度，從而使得D－d的差值可以適當(dāng)增大，此處取該差值為15mm），然后根據(jù)面積相等原則確定其高度及弧長，最后考慮凸模刀環(huán)刃口的強(qiáng)度及使用壽命，確定外圈刃口橫截面的長度以及刀環(huán)厚度。

（3）凹模刀環(huán)的設(shè)計 凹模刀環(huán)4設(shè)計與凸模刀環(huán)3設(shè)計類似，均采用4個定位銷定位，8個螺栓緊固聯(lián)接在凹模8上，比較重要的尺寸為凹模刀環(huán)的內(nèi)徑尺寸，為φ715+0.03+0m m。材料為C r 1 2 M o V，硬度要求5 8～62HRC，表面進(jìn)行氮化處理，氮化層深度為0.30～0.35mm。

圖3 凸模結(jié)構(gòu)

圖4 凸模刀環(huán)結(jié)構(gòu)

圖5 上壓料板結(jié)構(gòu)

（4）上壓料板的設(shè)計 上壓料板9根據(jù)凸模形狀與坯料厚度進(jìn)行設(shè)計，如圖5所示。材料為45鋼，其形狀采用加工中心進(jìn)行數(shù)控銑削加工，調(diào)制處理，硬度要求為26～32HRC，表面進(jìn)行氮化處理，氮化層深度為0.30～0.35mm。需要注意的是。

1）凸、凹模需先裝配后加工。凸模刀環(huán)3及凸模11需先與下墊板和下模座裝配好，且使用合適規(guī)格的鐵棒填充滿凸模刀環(huán)3上的開口孔后，再進(jìn)行數(shù)控銑加工，從而最大程度地保證模具精度，保證拉延后坯料表面無印記傷痕。凹模刀環(huán)4與凹模8的銑削加工與此類似。

2）凸、凹模間隙需偏小。凸模11及凹模8的剪切間隙應(yīng)為0.05～0.07mm，使用液壓壓力機(jī)，在參數(shù)為180t的壓力下落料后的產(chǎn)品毛刺小，產(chǎn)品成形后各尺寸符合圖樣要求，如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品實物

3）落料時，在料片拉延開始前為正常的沖壓速度，但當(dāng)開始拉延時，沖壓速度調(diào)制緩慢。此微調(diào)能提高拉延后半成品的質(zhì)量，減少邊緣褶皺的產(chǎn)生。

4. 結(jié)語

該拉延落料模模具結(jié)構(gòu)合理，動作簡單，且堅實耐用，經(jīng)過驗證，批量生產(chǎn)時產(chǎn)品合格率高達(dá)100%，質(zhì)量穩(wěn)定。使用該模具生產(chǎn)，不僅減少了一道工序，提高了生產(chǎn)效率，而且降低了零件的生產(chǎn)成本及工裝設(shè)備的維修成本，同時還保證了產(chǎn)品質(zhì)量。拉延落料模的設(shè)計為沖壓產(chǎn)品的落料模及工藝步驟設(shè)計提供了一定的參考。