掛板成形工藝分析與模具設計

馮曉杰

（廣東松山職業技術學院 機械工程學院，廣東 韶關 512199）

0 引言

家用電器的鈑金件壁厚一般在1.0 mm以下，設計成形1.0 mm壁厚制件的模具時，其使用壽命一般要達到30萬沖次以上，凸、凹模材料一般選用Cr12MoV，熱處理硬度為58～60 HRC。但對于壁厚較厚的制件，模具結構、模具零件材料及硬度與成形1.0 mm以下的制件都不同，特別是沖孔、落料等工序的凸、凹模，由于壓力機施加在模具上的力較大，模具在工作過程中所受的振動也較大，模具零件容易出現爆裂現象。在設計制件壁厚為3 mm以上的沖模時，為了使模具的使用壽命達到30萬沖次以上，凸、凹模一般選用DC53，熱處理硬度為60～62 HRC。現以某電熱水器掛板為例，介紹壁厚較厚的沖模結構。

1 制件結構分析

電熱水器掛板結構簡單，外形尺寸為205mm ×48mm ×19 mm，材料為 SPCC，壁厚為 3 mm。制件表面為異形曲面，分為2個區域，一個是平臺區域，一個是圓弧形曲面區域；制件有1個方形的通孔和2個橢圓形的通孔，如圖1所示。利用沖模成形該制件時，壓力機滑塊對模具的沖擊較大，模具的凸、凹模容易爆裂，如何防止模具零件爆裂是設計的重點。

圖1 制件結構

2 排樣設計

如果采用單工序模成形該制件，需要落料、預成形、成形、拉深、沖孔、修邊等至少6副模具，工序多，流程復雜，不利于大批量生產；如果采用級進模成形該制件，能提高生產效率。制件上有2個區別明顯的特征，由于鈑金材料具有回彈的特性，不能一次成形制件的形狀，應將其成形部分分為預成形、成形與拉深3個工序，其中預成形與成形工序是成形圓弧狀曲面，拉深工序是成形制件的平臺，制件成形共分為11道工序，如圖2所示。

圖2 排樣設計

工序1主要是在條料的兩邊沖出2個直徑為φ6 mm的定位孔及切斷，2個定位孔在毛坯輪廓以外的區域，作用是對條料進行定位，防止在送料過程中條料偏移，當沖壓結束時，定位孔部位隨廢料一起進入廢料收集框中，切斷按照落料模的要求設計，防止材料在成形時發生塑性變形，引發周圍的材料向成形位置靠攏導致條料發生變形；工序2空工位；工序3由于材料厚度較厚，具有回彈特性，無法一次成形，先對條料進行預成形，成形制件的初步形狀，以便后續的成形工序對待成形制件進行成形及定形；工序4空工位；工序5在預成形的基礎上成形待成形制件的曲面形狀；工序6空工位；工序7拉深待成形制件上的臺階，由于制件的厚度為3 mm，在成形與拉深工序中材料會變薄，變形較大，應將拉深工序與成形工序分開，并且拉深工序的凸模形狀與成形制件內表面形狀一致，在拉深時，由凸模壓住待成形制件，防止成形制件時變形；工序8空工位；工序9在成形工序中，材料會發生塑性變形，應將沖孔工序安排在成形、拉深工序后，在沖孔工序中，壓料板的形狀應與制件內表面形狀一致，沖孔時，由壓料板再次對成形制件進行壓形；工序10將制件與條料分開；工序11廢料切斷后滑入廢料收集框中。上述工序中，工序1、9、10的凸模所用材料為DC53，熱處理硬度為60～62 HRC，其余工序的凸模所用材料為Cr12MoV，熱處理硬度為58～60 HRC，所有工序的凹模共用一塊模板，凹模板的材料為DC53，厚度＞50 mm。

3 關鍵工序分析

3.1 確定步距

級進模中確定不同工序之間的步距很關鍵，步距太長浪費材料，步距太短無法成形。該制件的形狀不規則，難以根據制件的形狀計算毛坯尺寸，導致步距也難確定。解決方法是通過多次試模獲得制件落料的精確尺寸：首先評估落料尺寸，接著用線切割得到毛坯件，之后用成形模對落料進行驗證，根據試模的結果修正落料的尺寸。為了防止成形制件起皺，將預成形、成形與拉深3個工序視為帶壓邊圈沖壓，落料尺寸需要適當放大，在落料輪廓的基礎上單邊放大11 mm作為壓邊料，即合理的落料尺寸為225 mm×78 mm，如圖3所示，取搭邊料的寬度為4 mm，則設計級進模的步距為78+4=82 mm。

圖3 落料尺寸

3.2 切斷工序端面設計

制件成形時材料會發生塑性變形，即材料會向制件中心靠攏，為了不影響材料的平整性，必須按落料尺寸將材料切斷。由于材料較厚，沖裁力較大，沖裁力的計算公式為：

其中，Fc為沖裁力，N；L為沖裁件輪廓長度，mm；t為材料厚度，mm；τb為材料抗剪強度，MPa。

落料工序零件輪廓長度約為606 mm，取材料的抗剪強度為300 MPa，如果將切斷工序的凸模端面設計成平面形狀，一次性將材料切斷，則沖裁力為：

凸模切入材料的瞬間，凸、凹模刃口受到545.4 kN的沖裁力，在材料被切斷的瞬間，該沖裁力消失，巨大的沖裁力出現又消失，對模具零件造成較大的振動，導致模具的凸、凹模刃口容易爆裂。因此為了防止沖裁力的突然出現又消失，將凸模的端面設計成折線形狀，當凸、凹模閉合時，可以使落料的輪廓逐漸切斷，沖裁力逐漸增加，隨著凸模繼續下降，沖裁力又逐漸減小，直到最后消失。切斷工序的凸模結構如圖4（a）所示，該結構可以減少壓力機滑塊對模具零件的沖擊，降低振動，防止凸、凹模發生爆裂。為了使落料時與條料不完全斷開，落料時與條料之間還需要保留4個相連的位置，相連的寬度約為1～2 mm。在切斷工序的凹模上開設4條小槽，如圖4（b）所示，落料時小槽的位置與條料相連。

圖4 切斷工序模具零件

落料工序的工作過程：當上模向下移動時，凸模的最高點首先接觸條料，然后與凹模一起將條料切斷，上模繼續向下移動，條料依次被撕裂，當只剩下連接位置沒有切斷時，凸模停止向下移動，隨后向上移動。凸模離開凹模后，條料的4個連接位置將落料件抬起，向上移動與凹模脫離，之后條料向前移動一個步距，開始下一次沖壓。

3.3 切斷凹模結構組件設計

為了達到模具30萬沖次的使用壽命要求，防止凸、凹模在成形過程中出現爆裂現象，在切斷工序中應將凹模刃口邊緣與凹模鑲件外沿輪廓的距離設計為80 mm以上，凹模厚度設計為50 mm以上。為了防止切斷后的材料卡在凹模中，在凹模中設計推板、彈簧與限位桿，由彈簧和推板將材料推出，切斷工序的凹模結構組件如圖5所示。模具的步距為82 mm，為了不影響模具零件的強度，將凹模板設計為整體式，不再設置凹模鑲件，對于成形工序，凹模應采用同樣的結構。

圖5 切斷工序凹模結構組件

3.4 成形工序設計

制件上的圓弧形曲面形狀簡單，由于制件的厚度為3 mm，材料的回彈較大，一次成形困難，雖然成形的高度只有19 mm，但為了保證成形的制件形狀穩定，防止回彈，將成形工序分為兩步，預成形工序和成形工序。在工序7拉深制件上的平臺時，還應將拉深凸模設計成待成形制件內表面的形狀，由拉深工序的凸模再一次對制件進行壓形。在工序9對制件進行沖孔時，應將壓料板設計成待成形制件內表面的形狀，由壓料板再次對制件進行壓形，使制件的圓弧形曲面形狀進一步穩定。因此制件上的圓弧形曲面可以視為由4個工序先后壓形而成，經過4次壓形后，成形制件表面的形狀趨于穩定。

4 模具結構及工作過程

模具結構如圖6所示。模具工作過程：條料5沿進料機構和抬料銷進入模具中，到達沖孔切邊位置后，由切邊零件對條料進行裁剪，裁剪落料件的同時沖工藝孔。條料繼續送進到預成形工位，在預成形零件的作用下進行預成形，條料繼續送進到成形工位將其進行形狀的成形。條料繼續送進到成形臺階的工位，在成形臺階零件的作用下進行臺階成形，進入沖孔工位對條料進行沖孔，最后進入落料和切斷工位，將成形制件從條料上分離。

圖6 模具結構

5 結束語

設計成形壁厚較厚的制件沖模時應與壁厚較薄的模具結構不同，不同形狀的制件，其模具結構也應不同，在成形電熱水器掛板的模具設計中，為了防止模具零件爆裂，采用4個關鍵的模具零件結構設計，該模具的開發對于壁厚較厚的制件成形具有一定的借鑒作用。