不銹鋼長圓形件多工位級進模設計

金龍建

松渤電器（上海）有限公司 上海 201323

1 序言

不銹鋼長圓形件是某汽車上的配件，材料為SUS304不銹鋼。該制件的傳統工藝采用9副單工序模沖壓成形，即：毛坯落料、拉深復合模（工序①）；二次拉深（工序②）；三次拉深（工序③）；整形（工序④）；外形落料、沖中間頂孔（工序⑤）；側沖孔（工序⑥、工序⑦）；凸緣處成形（工序⑧）；整形（工序⑨）。單工序模沖壓模具雖然具有結構簡單、模具設計及維修方便等優勢，但所需模具較多，沖壓成本高，隨著產量的日益增長及市場的激烈競爭，單工序模已經無法滿足大批量生產需求，缺乏競爭優勢。經分析，決定采用一副可以落料、拉深、側沖及成形的多工位級進模進行生產，其生產出的制件質量穩定性好，生產效率高，同時也大大降低了制件的沖壓成本。

2 工藝分析

如圖1所示，該制件形狀復雜，是一個帶弧面凸緣的長圓形件，料厚t＝1.6m m，最大外形長為76.8mm、寬為44.5mm、高為30.6mm；拉深部分為長圓形，在長圓形的側壁沖出一個2 1.5 m m×的方孔和一個的圓孔；凸緣處由R63.1mm的弧面與長圓形部分采用R3mm相切連接而成。

在多工位級進模上完成該制件的沖壓成形，向上拉深成形較為合理，具體沖壓工藝流程為：沖切毛坯外形→拉深→整形→沖頂孔及外形廢料→側沖孔→凸緣成形及整形→落料（制件與載體分離）[1]。

圖1 不銹鋼長圓形件形狀及尺寸

3 工藝計算

3.1 毛坯尺寸計算

該制件凸緣處形狀不規則，按相關理論公式計算較繁瑣，計算結果與實際相差較大。因此用專業的展開軟件進行計算，速度快且準確度高，計算出的制件毛坯如圖2所示。

圖2 制件毛坯

3.2 拉深工序計算及各工序尺寸繪制

（1）拉深工序計算[2]由圖1 可看出，該制件為不規則異形凸緣的長圓筒形件，當時，屬于高長圓形件。毛坯相對厚度時，拉深系數按長圓形毛坯形狀查資料得：第一次拉深系數m1＝0.48～0.52（實取0.52）；以后各次拉深采用不壓邊的結構，查得第二次拉伸系數m2＝0.80，第三次拉深系數m3＝0.82，第四次拉深系數m4＝0.84。該長圓形件毛坯形狀計算如下，公式中所涉及的代號可在圖3中一一對應。

1）首次拉深工序尺寸計算。首次拉深形狀按橢圓形過渡。

首次拉深高度按經驗值預計算：

2）二次拉深工序尺寸計算。

二次拉深高度按經驗值預計算：

3）三次拉深工序尺寸計算。

從A3、B3計算數據可以看出，該尺寸小于制件的尺寸，但與制件的中心線尺寸相差不大，因此，該工序的外形尺寸及高度按制件的外形尺寸及高度來繪制即可，即拉深高度H3＝29mm。需要說明的是，以上拉深高度為預估數據，具體值需在調試中做進一步調整。

（2）拉深工序簡圖繪制 根據以上計算，繪制出各工序的簡易外形尺寸[3]，如圖4所示。

圖3 長圓形毛坯形狀計算所涉及的尺寸

圖4 簡易外形尺寸

4 排樣設計

（1）排樣設計要點 排樣設計是多工位級進模設計的核心環節之一，排樣具體要點介紹如下：①沖壓出的制件合格且穩定性好。②盡可能簡化模具結構。③確保各凸、凹模有足夠強度的前提下盡量減少工位數。④盡可能降低制造成本。⑤在保證帶料送料穩定的前提下盡可能提高材料利用率[4]。

（2）排樣要點分析 該制件沖壓工藝比較復雜，具體步驟分析如下。

1）首先沖切出制件毛坯外形，留毛坯與載體搭邊即可。該制件為拉深件，凸緣處是弧面。因此，載體與毛坯采用工藝伸縮帶來連接過渡，這樣可以確保載體不受毛坯在拉深、成形過程的影響而導致變形、扭曲，方便送料，同時也減小了成形時的阻力，載體及搭邊設計如圖5所示。

2）拉深工位布置。該制件先拉深，分3次完成，考慮到拉深的工作過程原理，在首次拉深前后各留一個空工位，方便壓邊圈設置及拉深動作的合理進行。

圖5 載體及搭邊設計

4）側沖孔結束后再進行凸緣弧面的成形、整形工作，最后落料（制件與載體分離，分離后的制件從右邊模面出件）。

（3）排樣圖設計 經過以上幾點分析后，將該制件分為23個工位來排樣，如圖6所示，具體工位安排如下：在工位1上沖導正銷孔、預切外形廢料；在工位2、工位3上預切外形廢料；工位4為空工位；在工位5上完成首次拉深；工位6、工位7為空工位；在工位8上完成二次拉深；在工位9上完成三次拉深；工位10用于整形；工位11為空工位；在工位12上沖頂孔、沖切外形廢料；工位13用于沖切外形廢料；工位14為空工位；在工位15上側沖孔；工位16為空工位；在工位17、工位18上側沖孔；工位19為空工位；在工位20上完成凸緣弧面成形；工位21用于凸緣弧面整形；工位22為空工位；在工位23上完成落料（即制件與載體分離）。

圖6 制件排樣

5 模具結構設計

（1）模具總體設計 模具結構如圖7所示，該模具由1副大模架和6組模板組合而成，總長為2000mm，寬為650mm，高為450mm，各組的工作內容具體介紹如下[5]。

1）第一組沖切導正銷孔及毛坯的外形廢料。為了簡化沖切毛坯外形廢料的結構，并考慮到凸、凹模的強度，該毛坯外形分7個刃口進行沖切。

2）第二組完成首次拉深。為了方便調整壓邊力，該模具將首次拉深單獨設計為一組。

3）第三組完成二次拉深、三次拉深及整形。

4）第四組精切外形廢料。該外形廢料除了留4個搭邊，其余部分分4個刃口沖切而成。

6）第六組完成凸緣弧面成形、整形及落料。

圖7 模具結構

（2）導柱、導套設計 為了提高模具的精度及使用壽命，在模座上設置4套φ60mm的外導柱、外導套和24套φ20mm的小導柱、小導套。

（3）導正銷孔設計 該模具在兩邊載體及毛坯中間均設置導正銷孔，均在工位1進行沖切，工位2采用3個導正銷同時精確定位，后續根據每個工序的需要，將容易竄動的工位均設置成導正銷定位。

（4）側沖孔結構設計[6]側沖孔結構是該模具的關鍵結構之一，從圖1可以看出，該制件共有2處側沖，即一個21.5m m×14+0.1+0m m 的方孔和一個φ2.1+0.1+0mm的小圓孔。為了增加方孔凹模的強度，將方孔分解成3個部分沖切。第一次側沖為沖切方孔中間部分及對面的小圓孔，將此工序安排在工位15上完成；第二次與第三次側沖方孔分別安排在工位17、工位18上完成。

以工位15的側沖孔模具結構（見圖8）為例做詳細介紹。該部分結構比較特殊，左、右滑塊均設置在帶料的工位與工位之間來實現側沖動作，斜楔墊塊8、14埋在上模座9里面，斜楔6、17固定在斜楔固定板7上，滑塊3、19吊裝在卸料板墊板4上，各凸模分別固定在滑塊及凸模固定塊上，滑塊復位采用氮氣彈簧18來實現。

沖壓動作：上模下行，導正銷（圖中未畫出）先對帶料進行定位，上模繼續下行，滑塊3、19底面接觸到平行柱25、29的上平面后，上模繼續下行至斜楔接觸到滑塊，使滑塊3、19向中心滑動，對帶料上的工序件27進行側沖，模具回程時在氮氣彈簧12、18的彈力下完成復位。

圖8 側沖孔模具結構

6 模具生產驗證

該模具安裝在3150kN的閉式壓力機上進行試沖及大批量生產，經過生產驗證，沖壓速度可達到30沖次/min。結果表明，該制件采用多工位級進模來實現拉深、側沖是合理可行的，大大提高了生產效率并降低了制件的成本，滿足了大批量生產的需求，試沖出的料帶實物如圖9所示。

圖9 料帶實物

7 結束語

傳統工藝采用9副單工序模沖壓，該模具改用新工藝，采用1副多工位級進模來沖壓，可完成沖切毛坯外形、拉深、側沖及成形等工序，大大提高了生產效率且降低了制件成本。為了方便制造、維修及調試，該模具由1副大模架與6組模板組合而成。首次拉深單獨設計1組模板，可以在壓力機上直接調整壓邊力，方便維修及調試。為了增加側沖方孔凹模的強度，將21.5mm×14+0.1+0mm的方孔分解成3個部分進行沖切，獲得了成功。該模具的4個滑塊均吊裝在卸料板墊板上，解決了設置在帶料左右方向的側沖孔難以實現側沖動作的難題。