滾針軸承沖壓外圈連續拉伸級進模設計

齊秉鈞，張天微

（哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040）

1 引言

級進模是沖壓模具中一種先進高效的沖壓模具，對于生產批量大且材料較薄的中小尺寸沖壓件非常適用。可一次完成沖裁、彎曲、成形、拉伸等多工序。具有加工質量穩定可靠、操作安全、節省勞動力、工作效率高，可實現自動化生產等優點。

滾針軸承沖壓外圈屬于材料較薄的小尺寸沖壓件，所以非常適合采用多工位級進模進行沖壓生產。由于滾針軸承外圈的沖制屬于圓筒拉伸范疇，所以對滾針軸承外圈設計了相應的多工位拉伸級進模。

2 拉伸工藝計算

2.1 毛坯直徑計算

以HK0810型滾針軸承沖壓外圈為例（見圖1），

推出D0=φ24.01mm取φ24.1mm，D=D0+δ=φ25.5≈φ26mm

式中 δ——修邊余量，查表得δ=1.4mm根據工件尺寸計算毛坯直徑D0[1]，其中d2=（12+11）/2=11.5，H=10.6-0.25=10.35，r=1。

由公式：

圖1 滾針軸承沖壓外圈

2.2 排樣設計

為了精確導向，選擇有兩圈工藝切口的連續拉伸[2]。帶料寬度公式如下：

式中n和b2由表查得，n=1.5mm，b2=1.5mm。計算得到帶料寬度B=32mm。

可確定工藝切口凸模的直徑分別為φ26mm和（26+2n）=φ29mm。

根據公式計算出步距，得出步距A=D+3n=30.5≈31mm。確定拉伸的次數為3次。圖2為工序排樣方案的示意圖，其包含工藝切口Ⅰ，工藝切口Ⅱ，一次拉伸，二次拉伸，三次拉伸，壓底，打字，沖孔和切邊，共9個工位。

3 步距與步距精度和定位方式

3.1 步距與步距精度

由于排樣設計時計算出步距為31mm，步距精度按照如下公式得出。

式中 Δ——多工位級進模步距的對稱偏差值

β——制件沿條料送料方向的最大輪廓尺寸，在精度提高2～4級后的實際公差值

n——多工位級進模的工位數（包含空工位）

K——因數，可通過查表得出K為0.95mm

制件展開后，沿送料方的最大輪廓尺寸為毛坯尺寸D0=φ24mm，則尺寸φ24mm的14級，提高4級后為10級，其公差值為β=0.084mm，共有工位數為n=13個，得到多工位級進模步距的對稱偏差值Δ=±0.017mm。

3.2 條料定距定位

由于上述計算得出的步距精度為±0.017mm，所以為了保證送料精度，選用導正銷進行導正，不需側壓裝置。因為氣動送料裝置的送料步距精度較高、穩定可靠、一致性好，所以選擇氣動送料裝置，自動送料定距。

4 凸凹模的結構設計

4.1 凸凹模設計原則

根據凸凹模的設計原則規定[3]，凸凹模必須有足夠的強度、剛度和硬度；凸凹模結構要簡單可靠、制造、測量和安裝方便；便于調整、維修和保養；要考慮刃磨后的凸凹模相對位置對其他工位上凸凹模相對位置的影響；要考慮排件的及時、暢通和放置浮料；凸凹模要有統一的基準。

凸模選擇插入式結構，用螺釘固定，由于制件的形狀為圓形，所以無需設計凸模的防轉裝置。

4.2 凸凹模設計

根據相關公式計算出首次拉伸力，二次拉伸力，凸凹模的間隙和凸凹模的尺寸和相應的加工精度。并根據應力校驗公式進行凸模的壓應力和彎曲應力的校驗。

4.2.1 凸模設計

圖2 工序排樣圖方案示意圖

以凸模為設計基準，沖裁孔件的直徑取8級精度△=0.013mm，計算出工藝切口Ⅱ的凸模和凹模的尺寸；再計算出一次拉伸、二次拉伸和末次拉伸的凸模和凹模的尺寸；以凸模為設計基準，沖裁孔件尺寸取7級公差等級計算出；由于切邊屬于落料，所以其以凹模為設計基準，計算出沖裁件的尺寸。

凸模長度計算公式：

式中 L——凸模的長度

H1——凸模固定板厚度

H2——凸模進入凹模的深度

H3——卸料板厚度

t——制件材料厚度

Y——凸模固定板與卸料板之間的安全距離，取Y=15～20

圖3為工藝切口Ⅱ的凸模的結構。

圖3 工藝切口Ⅱ的凸模結構

4.2.2 凹模設計

凹模設計選用鑲套式結構，即在一塊凹模固定板上嵌入多個圓柱形的整體凹模鑲件。在結構設計中，凹模均是整體式鑲套，且均為圓形鑲件，所使用的凹模為直通式無肩普通圓形凹模鑲件，其中切邊凹模帶有落料錐度。

一次拉伸、二次拉伸、壓底、打字和沖孔的凹模均為直刃口，厚度H均為有效刃口高度，且刃壁無斜度的形式。切邊凹模為直刃口，刃口有斜度，具有一定高度h的形式。

切邊凹模與墊圈結構如圖4所示。

4.2.3 凹模配套結構的設計

凹模的配套結構包括：凹模墊板、凹模座、凹模固定螺釘和定位銷。凹模固定板尺寸為450×97×22mm，螺釘最小的沉頭孔深度取10mm，圓柱銷的最小配合長度取30mm。螺釘與銷釘均為4對。

圖4 切邊凹模與墊圈結構

4.2.4 凸凹模加工精度與互換性

凸模尺寸公差為同軸度0.0015mm[4]，圓度0.0015mm，表面粗糙度值D：Ra0.8μm、d：Ra0.4μm，步距誤差為±（0.002～0.01）mm。互換鑲件的常用公差：尺寸公差為0.002mm，平行度為0.001/40，直線度為0.001/40，表面粗糙度值為Ra0.4μm，裝配后步距差為±（0.002～0.01）mm。

4.3 凸凹模的強度校驗

壓應力校驗公式：

式中 P——最大沖裁力P=Ltτ

L——沖裁的周長

t——制件材料厚度

τ——被沖材料抗剪強度，查得20#鋼的抗剪強度為280～400MPa

F——凸模刃口斷面面積

[σ壓]——許用壓應力

凸模的強度可用最小直徑公式（6）進行校驗

為保證凸模的抗壓穩定和安全使用，在高速多工位級進模中，凸模固定板一般應淬火處理，硬度可控制在40～48HRC，并在凸模的固定端增加墊板。

彎曲應力校驗：在結構設計中，凸模有導向裝置。采用的是彈性卸料板導向，所以凸模的受力情況是近似于一端固定，另一端鉸支梁的壓桿，這時凸模不發生失穩彎曲的最大長度為Lmax，由歐拉公式經運算得到，凸模尺寸應滿足以下要求：

式中 Lmax——允許的凸模最大自由長度，20+23/2=31.5

d——凸模的最小直徑

P——沖裁力

由于凹模墊板上的孔的尺寸，均比凹模固定板的凹模孔的小，不會使凹模在工作時受到彎曲，所以凹模不需進行彎曲強度計算。

經計算，所有凸模和凹模均滿足以上強度要求。

5 模具結構設計

5.1 結構件及有關機構設計[5]

5.1.1 模架與卸料裝置

模架：模架由上模座、下模座、導柱、導套等裝置組成，構成一體。選擇滾珠模架，四導柱鋼板模架和滾動導向裝置，其中模架用導柱和模架用鋼球導套均選擇裝卸型，選擇高剛性鋁合金鋼球襯套。

卸料裝置：選擇彈壓卸料裝置，其中卸料導柱選擇帶肩型小導柱，卸料導套選擇鋼珠襯套一體型導套，卸料螺釘采用外螺紋式卸料螺釘。

彈性元件：根據圓鋼絲圓柱螺旋壓縮彈簧的選用原則，預壓縮量為彈簧自由長度的20%，對應的彈壓力≥卸料力，工作狀態下，撓度不能超過自由長度的70%，來選擇彈性元件。

5.1.2 導料與托料裝置

導料裝置：多工位級進模包含平面加工和立體加工，不僅工位數多，而且帶料的工作區間長，導料裝置可保證帶料的送料步距正確且沿著正確的方向順利地沿直線運行。因此，采用滾動導向的導料裝置，可以有效減小自動送料過程中因沖壓速度高，造成的導料板對帶料的摩擦。

托料裝置：可托起帶料高出凹模平面一定高度，可以保證各工位連續、正確、穩定地工作。因此，選用托料桿保證拉伸成形部分完全被頂出凹模平面一定高度。

5.1.3 頂出裝置

頂出裝置：頂出裝置的功能是對料或件起頂出作用，其作用是負責將成形部分從模具的工作形孔中頂出，保證帶料能按照送料方向連續送進以一次拉伸為例，其頂出裝置由螺塞、頂出銷用彈簧、一次拉伸頂料桿和成形卸料塊組成。圖5為一次拉伸的頂出裝置示意圖。

圖5 一次拉伸的頂出裝置示意圖

5.1.4 其它機構

限位裝置：選用兩組圓柱狀限位柱，安裝在上下模座的對角線位置，起位置限定的作用。

微調裝置：從二次拉伸到打字工序，凸模均是等高的，所以為了便于調整，使用微調等高多凸模的方式。

安全檢測保護裝置：自動送料的多工位級進模，沖速很高，在沖壓過程中難免發生材料誤送、送進不到位、疊片、材料起拱、材料的厚度或寬度有誤差、制件為頂出或為下落等故障，將導致模具不能正常工作甚至損壞。因此，增設了的安全檢測裝置，固定于上模座，防止送料失誤。

5.2 整體結構

綜上設計結果，得到最終的沖壓外圈連續拉伸級進模的整體結構，如圖6所示。

6 結束語

滾針軸承沖壓外圈連續拉伸級進模設計過程包含：拉伸工藝計算、步距精度和定位方式的確定、凸凹模結構設計以及級進模結構及有關機構的設計。其中拉伸工藝計算用于確定工序排樣；步距精度的計算用于確定是否應用導正銷；工序排樣確定后進而設計凸凹模的結構尺寸；進行強度和應力校驗；最后設計連續拉伸級進模的其他結構，包括模架、導向裝置、卸料裝置、彈性元件、導料與托料裝置、頂出裝置、限位裝置、微調裝置、安全檢測保護裝置等。最后確定了滾針軸承沖壓外圈連續拉伸級進模的整體結構。

圖6 級進模整體裝配圖