斜楔沖孔模結(jié)構(gòu)優(yōu)化及強(qiáng)度分析

孫 理，董瀚文

（一汽解放汽車有限公司，吉林長春 130011）

1 引言

傳統(tǒng)的斜楔模具結(jié)構(gòu)中，部分制件由于斜楔沖孔結(jié)構(gòu)的限制，以及沖壓件的尺寸限制，無法實(shí)現(xiàn)制件翼面左、右兩孔一次沖完，一般在一序上分兩次沖孔。但這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)時(shí)廢料是否堵塞不便于查看，導(dǎo)致廢料是否堵塞這信息不清楚；凹模左右部分的結(jié)構(gòu)受到單側(cè)的側(cè)向力，導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，引發(fā)凹模鑲塊容易破碎的問題。本文就一種斜楔的模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程和強(qiáng)度分析進(jìn)行了闡述。

2 制件介紹

制件長、寬、高輪廓為70×56×80mm，材料牌號為st12，料厚1.5mm，如圖1所示。

該制件左右兩側(cè)的大孔直徑為φ31mm，且兩孔的裝配結(jié)構(gòu)需要穿過一根直徑φ30mm的圓管，最后形成焊接總成，因此兩孔對同軸度有要求。如果兩孔在落料沖孔工序中加工，成形后孔的位置度和同軸度難以滿足后續(xù)工藝需求，為保證制件質(zhì)量，該制件的沖壓工藝設(shè)計(jì)為落料沖孔-成形-斜楔沖孔。

圖1 產(chǎn)品圖

3 模具方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝與沖裁力及模具尺寸預(yù)估，結(jié)合生產(chǎn)車間的設(shè)備資源，該工序使用設(shè)備為400t單點(diǎn)機(jī)械壓力機(jī)。第一次設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)如圖2所示，模具主要由上下底板、壓料板、左右斜楔、凹模鑲塊、凸模等零件組成。

圖2 模具的正視截面圖

模具尺寸900×760×525mm，左右兩側(cè)的圓孔分2次在同一工序中加工。凹模結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的整體式結(jié)構(gòu)，在上模向下運(yùn)動(dòng)的過程中，凹模對應(yīng)的上模中部有擋塊，用以平衡左右兩側(cè)的受力。凹模鑲塊內(nèi)部有廢料斷屑器，將廢料滑落方向由水平方向改為垂直落下，如圖3所示。

圖3 原凹模的正視截面圖與軸視圖

4 故障分析

沖壓件在模具投產(chǎn)進(jìn)入小批量階段后，生產(chǎn)總量達(dá)到4,000件左右時(shí)，凹模鑲塊破碎，導(dǎo)致模具無法正常使用。經(jīng)過分析，鑲塊破碎原因有：①鑲塊結(jié)構(gòu)中間沒有窺視孔，廢料是否堵塞難以察覺；②雖然上模中部有檔塊，但凹模左右部分受力沒有完全抵消，導(dǎo)致凹模強(qiáng)度不足；③廢料在潤滑油的粘接下，不容易分離，廢料扣接粘連，堵塞在廢料孔中。在沖擊載荷的作用下，凹模鑲塊破碎，如圖4所示。

圖4 破碎的凹模實(shí)物

5 解決措施

針對鑲塊破碎的可能原因，制定以下措施：①凹模鑲塊結(jié)構(gòu)中部左右側(cè)增加窺視孔，隨時(shí)查看廢料是否堵塞；②鑲塊前后增加環(huán)形結(jié)構(gòu)，使得鑲塊在沖壓時(shí)左右側(cè)平衡抵消鑲塊的受力；③廢料盒中增加左右格擋，能確定哪側(cè)廢料堵塞；④減少前工序的拉延油的涂抹次數(shù)，在工藝文件中規(guī)定適當(dāng)?shù)亩~。改進(jìn)后的方案利用現(xiàn)有模具，不改變原有模具尺寸，只需更換模具的凹模鑲塊即可，如圖5、圖6所示。目前該模具已投入使用1年8個(gè)月，月均產(chǎn)600件以上，鑲塊運(yùn)行平穩(wěn)，改進(jìn)后的方案驗(yàn)證有效。

6 模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

沖壓模具的設(shè)計(jì)主要依靠行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，以及設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。對于設(shè)計(jì)效果的分析驗(yàn)證，在生產(chǎn)前期難以精確獲得模具的變形和受力情況[1]，往往通過實(shí)物效果來驗(yàn)證，而CAE為這難題提供了工具。

根據(jù)計(jì)算模具的沖裁力和壓料力，模具鑲塊兩側(cè)承受的載荷為53,043N。對模具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值分析，根據(jù)模擬分析結(jié)果顯示，改進(jìn)前的載荷集中在沖孔附近，改進(jìn)后的載荷較為均勻分散，且沖孔附近的載荷低于改進(jìn)前，如圖7、圖8所示；在載荷的作用下改進(jìn)前的鑲塊的最大變形量為0.0252mm，改進(jìn)后鑲塊的最大變形量為0.00827mm，變形量降低67.1%。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)載荷承載分布與抵抗變形的能力均優(yōu)于初始設(shè)計(jì)，綜合實(shí)際運(yùn)用效果，證明改進(jìn)有效。

圖5 改進(jìn)后凹模的正視截面圖與軸視圖

圖6 改進(jìn)后凹模實(shí)物圖

圖7 改進(jìn)前的凹模鑲塊應(yīng)力與應(yīng)變云圖

圖8 改進(jìn)后凹模鑲塊的應(yīng)力與應(yīng)變云圖

7 結(jié)論

（1）改進(jìn)后的環(huán)形鑲塊結(jié)構(gòu)由于能平衡左右兩側(cè)的受力，提升鑲塊的強(qiáng)度，對生產(chǎn)保障、降低備件維修費(fèi)用等方面均有積極意義，已推廣應(yīng)用。

（2）有限元分析這一工具可以對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，運(yùn)用于沖壓件的生產(chǎn)流程，可以提高生產(chǎn)的質(zhì)量與效率。