汽車夾形件沖壓模具設計*

張 巍，鄢 勇，趙小娟

（1.武昌工學院智能制造學院，湖北 武漢 430065；2.武漢思凱精沖模具有限責任公司，湖北 武漢 430205）

沖壓是指在常溫下靠壓力機和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的加工方法[1]。沖壓在工業生產中占據著重要的地位，例如板料沖壓成型就是一種十分重要的制造技術，在汽車、航空、電器和國防等工業中都有廣泛的應用[2]。相對于傳統的機加工方法，沖壓生產效率非常高，而且產品的尺寸精度高、材料利用率高，同時，由于產品與模具之間“一模一樣”的特點，制件的互換性好。但是，隨著模具行業迅速發展，用戶對產品的質量要求越來越高，傳統的沖壓工藝已經滿足不了現代化生產的需要，對產品的成本進行控制、生產效率進行提高已經成為沖壓件行業改革的重要因素之一[3]。課題組以某工程項目汽車夾形件零件作為研究對象，利用計算機輔助設計軟件Pro/E對夾形件沖壓模具的設計過程進行了詳細闡述，主要從三個方面展開設計：首先，依據提供的夾形件零件圖紙，分析沖壓零件的工藝性并制訂沖壓件工藝方案，確定了采用復合模的設計方案；其次，對模具的主要工藝參數進行計算，如沖壓工藝力、工作部分尺寸、凸模和凹模間隙等，確定了模具的尺寸；最后，利用Pro/E繪制模具圖并進行組裝。

1 工藝分析

夾形件零件如圖1所示，材料為10號鋼，材料厚度t=1 mm，大批量生產。

圖1 夾形件零件圖

該零件結構對稱，兩側各有一個60°的彎角，在中心位置有一個φ4的孔，其孔邊與邊緣之間保持相同的一定距離，且孔邊距（2 mm）大于1.5倍的板厚（1.5 mm），可以有效地避免沖孔時凸模受水平推力而折斷。工件的彎曲半徑r為1 mm，不同金屬材料在不同狀態下最小彎曲半徑的數值如表1所示[4]，由表1查得rmin=0.5t=0.5 mm，能夠一次彎曲成功，且r/t大于rmin/t時，可以有效地控制彎裂。

表1 不同金屬材料在不同狀態下最小彎曲半徑的數值（部分）

若孔的尺寸過小，相應的凸模刃口尺寸也會過小，其結構細長會因強度的限制容易折斷或者壓彎。因此，要確定沖孔的尺寸是否為最小沖孔尺寸。沖孔的最小尺寸如表2所示[5]，由表2可以得知φmin=1.0t=1 mm，彎曲件中心孔直徑為4 mm，大于1 mm，可以利用自由凸模沖孔。

表2 沖孔的最小尺寸

該工件是彎曲角度小于90°的閉角形彎曲件，當r/t<5時，回彈對圓角半徑的影響不大。因此，該產品符合一般彎曲的經濟精度要求。根據以上對加工零件的工藝性分析，該工件的彎曲和沖裁工藝良好，適合進行沖壓加工。

2 工藝方案的制訂

根據汽車夾形件零件圖可知，該沖壓件成形需要沖孔、彎曲兩道基本工序。根據零件的工藝特點和工藝要求，設計的沖壓成型方案有以下三種。

1）方案1：先彎曲，后沖孔，采用單工序模加工。

2）方案2：沖孔-彎曲級進模，采用級進模加工。

3）方案3：彎曲-沖孔復合模，采用復合模加工。

方案1單工序模的模具結構相對來說比較簡單，但是需要兩套模具，生產效率比較低，同時，生產過程中會疊加兩次安裝誤差，因此沖裁件質量較差；方案2級進模結構最為復雜，同時，兩道工序中會積累定位誤差，因此沖裁件的質量相對也不是很高；方案3復合模只需要設計一套模具，生產效率高，并且定位精度容易保證，沖裁件質量很好，同時，滿足最小孔邊距條件，可以利用活動式回轉凹模的結構來完成彎曲成形。詳細工藝方案對比如表3所示。

表3 沖壓工藝方案對比

綜上所述，結合零件的材料特性、結構特點、生成批量、生成工藝以及模具成本，選擇方案3更為合理。

3 展開尺寸計算

該零件是r>0.5t的彎曲件，根據相關資料[6]，利用彎曲前后毛坯中性層尺寸不變的原則來計算展開長度，彎曲部分展開草圖如圖2所示。

圖2 展開尺寸圖

展開長度L的計算公式如式（1）所示：

其中，α——彎曲件角度；ρ——中性層彎曲半徑。

該零件兩邊對稱彎曲，計算時先按二分之一尺寸計算。其中，已知參數a=12 mm、b=13.5 mm、r=1 mm、α=60°、t=1 mm，x為應變中性層位移系數，如表4所示。ρ=r+xt=1 mm+0.3×1 mm=1.3 mm。

表4 應變中性層位移系數x值

毛坯展開圖如圖2所示，其一半彎曲部分展開長度為：

即該工件毛坯展開總長度為L總=2L=56.44 mm。

4 沖壓力的計算

4.1 彎曲力

工件的彎曲回彈在沖裁、彎曲、拉深等沖壓工序中影響最大，其對工件的質量有很大的影響。本次設計中采用校正彎曲，大大地減少彎曲回彈，提高工件的質量。校正彎曲時校正力遠大于壓彎力，一般只計算校正力，F校計算公式如式（2）所示：

其中，彎曲件上被校正部分在垂直于彎曲力方向平面上的投影面積用A表示，單位校正力q如表5所示，得值為40 MPa。

表5 校正彎曲時單位校正力q值

彎曲力由公式（2）計算得F=8.64 kN。

4.2 沖裁力

對于通常的沖裁力來說，其沖裁力F沖一般計算公式如式（3）所示：

其中，L表示沖裁周邊長度；t表示材料厚度；τb表示材料的抗剪強度，10鋼的抗剪強度為300 MPa；K表示安全系數，一般取1.3。

沖裁周邊長度為L=2πr=2×π×2 mm=12.57 mm，計算得沖裁力F=4.9 kN。

4.3 頂件力

彎曲模中設有頂件裝置，其頂件力F頂計算公式如式（4）所示：

其中，CD為頂件力系數，一般取值為0.2，計算得頂件力F頂=1.728 kN。

4.4 推件力

設有的推件裝置作用是將沖孔廢料從凸凹模孔中推出，其推件力F推計算公式如式（5）所示：

其中，n表示同時沖孔的個數，K推表示推件力系數，取值0.055，計算得F推=0.27 kN。

5 模具結構及工作過程

如圖3所示為設計的彎曲沖孔復合模。該復合模采用正裝式復合模結構，主要由剛性推件裝置、彈性頂件裝置、活動彎曲凹模、固定彎曲模、凸凹模、固定板、模板等零件組成。其中，彎曲凹模采用組合式結構，在凹模座內設計有一組轉軸式回轉活動凹模；沖孔凸模采用圓形臺階式結構，利用臺階緊壓在固定板上，防止被拉出；凸凹模是同時具有沖孔凹模和彎曲凸模的工作零件，其形狀和尺寸完全取決于所沖工件的形狀和尺寸；采用手工送料方式，定位板定位毛坯；剛性推件裝置推件；彈性頂件裝置頂件，頂出箍在沖孔凸模上的工件，并同時提供頂件力，防止毛坯竄動。工作過程是在壓力機的作用下，彎曲凸模受到向下的力，將毛坯件壓彎成角度為90°的U形件；持續在沖壓力的作用下，毛坯在活動凹模的凹槽中繼續旋轉形成彎曲角為60°的夾形彎曲；同時，沖孔凸模與落料凹模（凸凹模）共同作用，完成沖孔的工序；最后凸凹模在壓力機和彈性頂件裝置的作用下上升，頂出工件，提供頂件力，防止工件竄動，剛性推件裝置將沖孔廢料從凸凹模中推出，完成一個工作循環。

圖3 模具裝配圖

6 結語

首先，課題組通過對某汽車夾形件零件的工藝進行分析，在兼顧生產效率及制造成本的基礎上，確定了合理的工藝方案；其次，根據初始參數設計了彎曲沖孔正裝復合模；最后，設計的模具經過試模，進行小批量加工生產實驗。產品質量滿足設計、工藝要求，目前已用于實際生產，極大程度地降低了零件生產成本，提升了產品質量，經濟效益顯著，對實際的模具設計有一定的借鑒意義。