一種翻孔拉伸復合模結構設計改進

閆 海

（濟寧市恒松工程機械有限責任公司，山東濟寧272000）

1 引言

液壓挖掘機基本結構可以分為3大部分，分別為車體部分、工作裝置部分和底盤部分，每個主體部分都由不同板厚的鋼板焊接組裝而成。其中集油盤是底盤部分上密封黃油的圓盤形的薄板件，該部件為實現(xiàn)其儲存、密封功能，結構設計中有翻孔和淺錐體復合造型。本文通過對某廠家集油盤成形工藝分析，同時借助Autoform軟件對模具成形過程進行模擬，優(yōu)化并改進復合模結構，為后續(xù)生產(chǎn)出合格、質量穩(wěn)定的制件提供有力的保障。

2 制件沖壓工藝分析

2.1 制件分析

圖1所示為我公司某種型號的集油盤，材質為SPHC，板厚為2.5mm。此制件的結構可分為內孔翻邊和淺錐體成形兩種造型組合而成，是一種典型的回轉類圓盤制件，這類制件坯料的變形，呈軸對稱且沿坯料的周邊均勻分布：此制件內部圓孔翻邊時對孔緣的狀態(tài)反應最為敏感，對于冷軋低碳鋼板，沖裁邊緣的伸長變形能力比切削邊緣減少30%~80%；孔緣在單向拉應力作用下，切向伸長變形引起的厚度減薄最大，最易開裂；外側淺錐體成形時，由于外法蘭邊寬度相對較寬，錐體成形深度深，成形時容易產(chǎn)生翹曲、瓢偏。在模具設計時，需要注意這兩個潛在危險點。

圖1 集油盤

2.2 坯料的確定

坯料尺寸的確定有兩種方法：①利用Autoform軟件對該制件進行模擬計算，并結合現(xiàn)場試驗，最終確定毛坯料的尺寸；②利用中性層長度不變的原則進行計算，然后結合現(xiàn)場試驗進行確定坯料尺寸。此制件內孔尺寸較大，采用沖孔的工藝，會增加一個工序，模具投入也相對增加；同時考慮到?jīng)_裁邊緣產(chǎn)生的加工硬化層、表面凸凹不平乃至微小裂紋的存在等原因，使其伸長變形能力相對于母材大大下降，因而翻孔時容易開裂。如果條件允許，可以采用激光下料。采用激光下料，孔外緣切割口一致，不會存在微小裂紋和加工硬化層；同時內孔的落料還可以進行套料，排版其它工件，提高了材料利用率，節(jié)約成本。在我司內部采用的是激光下料獲取坯料。

2.3 現(xiàn)狀分析

通常此類制件成形可通過圖2所示復合模結構進行成形。此模具結構簡單，加工方便，不需要使用復雜結構或者雙動壓力機，模具生產(chǎn)成本低。成形時，把坯料放于托料板之上，凹模隨著油壓機的上滑塊不斷下移，與托料板上的坯料接觸夾緊。凹模不斷下移，先進行內孔翻邊，后進行淺錐形成形。最后凸凹模相互閉合，對制件進行整形。此模具結構的不足之處在于：外側法蘭面與模具不接觸，出現(xiàn)了懸空，懸空部分抗失穩(wěn)能力差，會出現(xiàn)翹曲，嚴重時會出現(xiàn)起皺。

通過實驗發(fā)現(xiàn)：當制件滿足法蘭寬度小于25mm或錐體成形深度小于10mm時，采用圖2所示模具結構進行沖壓成形，所得制件能夠滿足質量要求。對于圖1所示制件，法蘭邊寬度為接近100mm，錐體成形深度為20mm，制件外法蘭平面度的要求為3mm。如果采用圖2所示模具結構進行沖壓成形，通過Autoform模擬分析可得，平面度達到了8.81mm，遠大于平面度為3mm的質量要求，制件判定為不合格，最終會影響裝配效果，如圖3所示。

圖2 改進前復合模結構

圖3 改進前復合模成形結果對比

2.4 模具結構改進

我司大部分同種類型的制件可通過如圖2所示復合模結構沖壓成形，生產(chǎn)的制件質量能夠符合圖紙要求。而圖1所示制件相對于其它同種類型的，成形深度相對要深，因而不能采用圖2所示的模具結構。針對法蘭部分翹曲、起皺的問題，常見的防皺措施有：①加大坯料直徑；②加大壓邊力；③采用拉伸筋。現(xiàn)為了提高制件的質量，對模具結構進行優(yōu)化：增加壓邊裝置，通過對懸空部分施加壓邊力，消除翹曲現(xiàn)象。

綜合以上分析，在原來模具上進行改進。改進后的復合模結構如圖4所示。在凸模上增加外壓料板，外壓料板上周圈布置模具彈簧，通過導向螺栓進行連接。集油盤的內孔翻邊通過凹模、凸模和內壓料板相對運動來完成；淺錐形成形采用“錐-錐型”模具結構，即：錐形凹模、錐形凸模組配。通過Autoform軟件的模擬可得集油盤的成形力，根據(jù)得出的成形力，進行模具彈簧的選型及數(shù)量，如圖5所示。成形時，首先要通過壓力機上滑塊帶動凹模上升，把模具打開。在把內托料板升起，保證內托料板上表面和凸模地面的定位在同一平面上，把坯料放置在內托料板上，此時凹模隨著壓力機下滑塊下壓。制件內孔翻邊成形，當凹模下降到一定程度時，外托料板首先與下模座接觸，對板料行程一個預壓緊力。隨著凹模不斷下降，內孔翻邊和淺錐體同時完成成形，最后在反向操作取出制件。

圖4 改進后復合模結構

圖5 模具成形力

3 改進后效果驗證

改進后的模具，在外托料板的預壓緊力的作用下，制件外法蘭邊的翹曲明顯改善。經(jīng)多次生產(chǎn)試驗，制件能夠滿足圖紙尺寸要求，平面度控制在3mm以內，如圖6所示?，F(xiàn)已進行批量生產(chǎn)，改造達到了預期效果。

圖6 改進后的模具成形結果

4 模具制造需注意的問題

（1）翻孔內孔緣開裂的預防。

翻孔時，豎壁變形區(qū)的材料在拉應力的作用下，切向伸長變形大于徑向壓縮變形，導致材料厚度減薄，制件易出現(xiàn)開裂。為預防開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，改善翻孔時材料的塑性流動：①在凸模設計時，可采用拋物型凸模或球形凸模，凸模表面進行鍍鉻處理；②坯料可以采用激光下料或通過增加沖孔工序得到合適的坯料。若采用沖孔落料的方式下料，需要對孔緣的毛刺進行整修，去除毛刺，使其內邊緣順滑；③翻孔時，需將預制孔有毛刺的一側朝向凸模放置，以減少開裂。

（2）錐形體成形時，外壓料板需要高出凹模壓料面約1.2t，便于外壓料板提前和凹模接觸，在彈簧的作用下，形成預壓緊力。

5 結束語

本文對集油盤生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進行了分析，可以看出這類制件的模具設計并不復雜。但是，在設計時容易犯經(jīng)驗主義錯誤，造成不必要的損失。因此對于模具設計人員，不僅需要熟練掌握沖壓工藝、模具結構設計、彈塑性力學等基礎知識并靈活運用，還要在生產(chǎn)實踐中多積累，認真總結，從而能更好地為沖壓工藝生產(chǎn)提供有力的保障。