三角農用鈑金件成形工藝分析及模具結構設計

趙 峰

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

鈑金件是一種利用鈑金工藝加工出來的產品，厚度一般都在6 mm以下，其被廣泛應用于各種農機機械產品中。通常，鈑金件是通過燈絲電源繞組、激光切割、重型加工、金屬粘結、金屬拉拔、等離子切割、精密焊接、輥軋成型、金屬板材彎曲成型、模鍛、水噴射切割來制作的。沖壓模具是在室溫下把金屬或者非金屬材料加工成鈑金件的一種工藝裝備[1-4]，近年來在生產實際中的應用越來越廣泛，按照工藝性質，其可以分成沖裁模、彎曲模、拉深模、成形模、鉚合模。本設計的目的是在滿足生產要求的前提下，設計出簡單高效的沖壓模具用以生產三角農用鈑金件或者類似形狀的鈑金件。

1 三角農用鈑金件零件圖及工藝分析

三角鈑金件零件圖如圖1所示。對圖1分析可知，該三角鈑金件形狀比較復雜，需多道工序成形。如果依靠普通機械，加工難度較大且加工成本較高，但如果使用沖壓模具生產則可以降低加工難度和加工成本，并且從零件圖上的標注可以看出，使用沖壓生產完全可以滿足該鈑金件的制造精度要求，即該零件適宜沖壓成形[5-7]。從該鈑金件的零件圖可以看出，其中3個74 mm尺寸的位置可以彎曲成形得到；3個Φ40 mm+高8 mm尺寸的位置可以采用拉深成形，并且該處的拉深系數較大，材料變形程度較小，拉深后端面不會因為材料的各向異性圖形凸耳；筒形底部可以采用拉深+彎曲+脹形得到[8-10]。

圖1 三角鈑金件零件圖

2 三角農用鈑金件工藝方案的確定

由三角鈑金件零件圖可知，成形該零件時要經過落料、成形、沖孔三道工序，工藝方案有兩種。

第一種工藝方案：落料→沖孔（大、小孔同時沖）→成形（拉深、折彎）。

第二種工藝方案：落料→成形（拉深、折彎）→沖孔（大、小孔同時沖）。

若采用第一種工藝方案，則存在兩大難題：1）首次沖孔時坯料的準確定位；2）進行成形工序時，形孔的變形，即孔的精度不能保證。即便是解決了坯料的定位問題，而相應的定位元件也會增加模具的復雜程度，且形孔的變形難以避免。

若采用第二種方案，那么也就不存在上述問題。坯料成形工序的定位由坯料外形完成，成形模具的設計即能滿足。而零件上的孔是在成形后完成的，成形精度由模具即可保證，不存在變形問題[11-15]。因此，應采用第二種工藝方案。

根據零件的外形，總共可以確定兩種排樣方案，如圖2所示，具體分析比較如下。

圖2 兩種排樣方案示意圖

分析排樣圖可以看出，方案一的材料利用率明顯高于方案二，且由于采用兩個凸模同時落料，故生產效率更高。若選擇方案一，則凹模的尺寸可確定如下。

凹模厚度H凹：

其中，s為垂直送料方向的凹模刃壁間最大距離；t為材料厚度；k為系數，考慮板料厚度的影響。s=214 mm，t=2 mm時，k=0.18，則H凹=0.18×214=38.52 mm，取H凹=40 mm。

凹模寬度B：

凹模長度L：

其中，s1=574 mm，s2=52 mm。

從計算結果可以看出，該方案所需凹模周界尺寸較大，且模架需要單獨定制，會造成模具的制造、使用和維護成本提高。

因為是兩個落料凸模同時沖裁，所以沖裁力Fcz（僅落料時）的計算如下：

其中，K=1.3，L=678 mm，t=2 mm，τ=340 MPa，則Fcz=2×1.3×678×2×340=1 198 704 N=1 198.70 kN。

由此可見，需要選用的壓力機噸位數較大，生產的經濟性不好。

綜上所述，應采用第二種排樣方案，在設計時共需設計三副模具，分別為落料模、成形模、沖孔模。

3 三角鈑金件模具設計相關計算

3.1 落料模設計相關計算

3.1.1 凹模輪廓尺寸的計算

凹模厚度H凹：

其中，s=158.5 mm，t=2 mm時，k=0.18～0.22，則H凹=0.22×158.5=34.87 mm，取H凹=40 mm。

凹模寬度B：

凹模長度L：

其中，s1=152.55 mm，s2=52 mm。

3.1.2 料板尺寸的計算

凸模固定板厚度h1：

剛性卸料板厚度h2：根據手冊，取h2=25 mm。

導料板的厚度h3：h3=8 mm。

3.1.3 模架的選取

根據GB/T 2851—2008《沖模滑動導向模架》，結合凹模周界尺寸，選取的沖?；瑒訉蚰＜埽?15 mm×(275 mm～320 mm)。

3.1.4 沖裁力的計算

沖裁力F：

其中，K=1.3，L=678 mm，t=2 mm，τ=340 MPa，則F=1.3×678×2×340=599 352 N=599.35 kN。

卸料力Fx：

其中，Kx=0.05，F=599.35 kN，則Fx=0.05×599.35=29.97 kN。

推件力Ft：

其中，Kt=0.055，n=6/2=3，F=599.35 kN，則Ft=3×0.055×599.352=98.89 kN。

3.1.5 壓力機的選取

由于該沖裁模采用彈性卸料裝置和下出料方式，故壓力機公稱壓力Fz：

由計算值選取公稱壓力為800 kN的開式可傾壓力機，最大閉合高度380 mm，閉合高度調節量100 mm。

3.2 沖孔模設計相關計算

3.2.1 凹模輪廓尺寸的計算

凹模厚度H凹：

其中，s=94 mm，t=2 mm時，k=0.22～0.35，則H凹=0.35×94=32.9 mm，取H凹=40 mm。

凹模寬度B：

凹模長度L：

其中，s1=94 mm，s2=48 mm。

3.2.2 料板尺寸的計算

凸模固定板厚度h1：

彈性卸料板厚度h2：根據手冊，取h2=20 mm。

導料板的厚度h3：h3=8 mm。

3.2.3 模架的選取

根據GB/T 2851—2008《沖模滑動導向模架》，結合凹模周界尺寸，選取的沖?；瑒訉蚰＜埽?50 mm×(240 mm～280 mm)。

3.2.4 中間大圓孔沖裁力的計算

沖裁力F：

其中，K=1.3，L=πD=3.14×94=295.16 mm，t=2 mm，τ=340 MPa，則F=1.3×295.16×2×340=260.92 kN。

卸料力Fx：

其中，Kx=0.05，F=260.92 kN，則Fx=0.05×260.92=13.05 kN。

推件力Ft：

其中，Kt=0.055，n=6/2=3，F=260.92 kN，則Ft=3×0.055×260.92=43.05 kN。

3.2.5 壓力機的選取

由于該沖裁模采用彈性卸料裝置和下出料方式，故壓力機公稱壓力Fz：

由計算值選取公稱壓力為400 kN的開式可傾壓力機，最大閉合高度300 mm，閉合高度調節量80 mm。

4 三角鈑金件成形工序復合模具結構及特點

成形工序復合模具結構如圖3所示。開模狀態下，在彈性元件橡膠2和頂桿13的作用下，推塊7向下運動至其下底面和成形凸模8下底面平齊，墊柱11和墊塊12一起上行至和凹模9上底面平齊。此時，把上副模具得到的工序件放入定位圈15內，達到對工序件的準確定位效果。然后，上模（包括模柄1、彈性元件橡膠2、六角螺釘3、上模座4、墊板5、凸模固定板6、推塊7、成形凸模8）開始下行，在下行過程中，首先由推塊7、成形凸模8、墊柱11、墊塊12這四個零件配合完成對坯料的壓緊，然后完成彎曲成形，接著是拉深成形，最后是對三個頂角位置完成壓彎和脹形。開模過程則在彈性元件橡膠2、推塊7、墊柱11、頂桿13的作用下完成自動出件。

圖3 成形復合模具結構

5 設計要點

1）模具結構緊湊，剛性較好，且模柄的中心線和三角鈑金件的壓力中心完全重合，避免了在生產過程中出現偏載現象，提升了模具的使用壽命。

2）該模具需要的推件力較小，所以給推件塊采用橡膠的供力方式，可以實現推件的同時簡化模具結構，降低成本。

3）采用定位圈對工序件進行定位的方式具有穩定、可靠、快換、實惠的優點，定位圈內孔的單邊尺寸比工序件外形尺寸大0.2 mm為宜，定位圈厚度比工序件大1 mm～2 mm為宜，這樣既便于工序件準確定位，又便于零件的放置和出件。

4）下模設置頂件塊結構，既能在成形過程中起到壓緊工序件防止滑移的作用，又能在出件過程中保證零件不變形，一舉兩得，簡單易行。

6 結束語

實踐證明，該成形模具結構設計合理，能夠可靠地完成送料、定位、沖壓、出件等動作，生產效率高、成本較低，且完全滿足產品設計要求，是一副較成功的模具設計，可為同類農用鈑金件的生產提供借鑒。