表芯蓋多工位級進模設計*

孟 普，鮑方翔 ，程龍勝

（蚌埠學院機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠 233030）

根據沖壓工序組合方式的不同，沖壓模可以分為單工序模、復合模和級進模（跳步模或連續模）[1-3]。如果零件尺寸較小、精度要求較高、具有多道沖壓工序，若采用單工序模，則需要多套沖壓模具。由于換模時零件的定位比較難，容易導致沖壓件精度滿足不了要求，且生產效率較低，模具成本較高。考慮到工件形狀的復雜程度和精度要求，復合模只能完成部分工序組合的沖壓件生產，沖壓工序較多時，也需要多套模具，一套復合模很難完成。對于尺寸比較小、精度要求較高、沖壓工序較多和大批量生產的工件，通常采用多工位級進模的沖壓方式生產[4-7]。此時，不需要考慮多套單工序模造成的定位誤差和復合模難以完成的復雜形狀工件，可以在保證工件精度的基礎上提高生產效率。進行級進模設計時，需要結合工件的形狀，合理安排工件的排樣方式，選擇合適的載體形式，確保每道工序之間的順利銜接[8-9]。表芯蓋尺寸較小，具有多道沖壓生產工序，生產批量較大，符合級進模沖壓生產要求。故本文以表芯蓋為例，對其進行多工位級進模設計。

1 工藝性分析

材料為料厚t=2 mm 的08F 鋼，無尺寸、精度、等級要求，生產要求為大批量生產。工件整體要求表面光潔平整，沒有缺陷。表芯蓋零件結構圖如圖1 所示，結構較為簡單，左右對稱，有利于沖壓生產。材料08F 鋼為沸騰鋼，碳含量為0.08%，具有良好的沖壓成形性能。表芯蓋無尺寸、精度、等級要求，可按IT14 選取，即落料尺寸為Φ43.80-0.4mm，沖孔尺寸為Φ150+0.2mm，按普通沖壓加工生產就可以完成要求。從表芯蓋的結構、使用材料和尺寸精度分析可知，表芯蓋可以通過沖壓方式生產。

圖1 表芯蓋零件圖

2 確定沖壓生產方法

由圖1 可知，表芯蓋沖壓工序為拉深、沖孔和落料。屬于寬凸緣拉深件，精度要求不高，有利于沖壓加工。料厚t=2 mm＞1 mm，按中徑選取參數。根據公式可得毛坯直徑為52.5 mm，由文獻[1]可得，拉深件的修邊余量δ=3.5 mm，實際毛坯件直徑D=56 mm。

確定沖壓方案之前，應確定拉深次數。根據拉深系數定義，可得拉深系數0.16。毛坯的相對厚度為由文獻[10]可知，m1=0.51，m2=0.8，因為m1＞m總，而m1×m2=0.51×0.8=0.41＜m總，所以判定該零件共需要兩次拉深。表芯蓋的圓角半徑R=1 mm＜t=2 mm，需要對拉深后的坯料進行整形。

由以上分析可知，表芯蓋的生產需要多道工序。采用單工序模時，需要5 副模具，即首次拉深模、第二次拉深模、整形模、沖孔模、落料模。由表芯蓋的形狀可知，無法單獨采用一套復合模完成表芯蓋的沖壓生產，即使將落料和沖孔工序復合生產，仍需要4副模具，即首次拉深模、第二次拉深模、整形模、落料沖孔復合模。所以，無論是單工序模還是復合模，都需要多副模具，模具成本較高，工件精度不易控制，生產效率較低，比較適合采用級進模生產。最終確定表芯蓋的生產方案為首次拉深—第二次拉深—整形—沖孔—落料的多工位級進模。

3 工藝尺寸計算

3.1 排樣

由沖壓方案可知，表芯蓋的生產工序依次是首次拉深、第二次拉深、整形、沖孔、落料。由文獻[1]可知，毛坯直徑D=56 mm，厚度t=2 mm 的圓形零件的側面搭邊值a=2.5 mm，相鄰搭邊值b=2 mm，料寬B=D1+δ+2a=D+2a=56+5=61 mm，步距A=D+b=56+2=58 mm，最終可得生產表芯蓋的排樣方案及工位位置如圖2所示。

圖2 排樣方案及工位圖

3.2 工作部分尺寸計算

1）首次拉深工作部分尺寸計算。

由文獻[6]可知，Z1=1.1t=1.1×2=2.2 mm，σd1=0.08 mm，σp1=0.05 mm，則dd1=300-0.05mm，dp1=34.40+0.08mm。

2）第二次拉深工作部分尺寸計算。

由文獻[6]可知，Z2=0.975t=0.975×2=1.95 mm，σd2=0.06 mm，σp2=0.04 mm，則dd2=25.50-0.04mm，dp2=29.40+0.06mm。

整形模只起到整形作用，不涉及拉深問題，本設計中的整形模工作部分尺寸沿用第二次拉深模具工作部分尺寸。

3）沖裁模刃口尺寸計算。

落料尺寸為Φ43.80-0.4mm 時，D凹=43.60+0.02mm，D凸=43.360-0.014mm。

沖孔尺寸為Φ150+0.2mm 時，d凸=15.10-0.014mm，d凹=15.340+0.02mm。

3.3 沖壓力計算

第一次拉深的拉深力：F拉1=πd1tσbk1=85 452 N；第二次拉深的拉深力：F拉2=πd2tσbk2=51 900 N。

壓邊裝置分為彈性和剛性兩大類，這里選用彈性壓邊裝置。

沖裁力：F沖=1.04×47.2×2×400=39 270 N；F落=1.04×137.6×2×400=114 483 N。

總壓力F壓=F拉1+F拉2+FQ1+FQ2+F沖+F落=300 309N；滑塊行程S≥2h工件=2×9=18 mm；最大閉合高度Hmax＞H=60+50+20+25+24+10+50+2=241 mm。根據文獻[6]，最終選擇壓力機型號為JB23-63。

4 模具主要零部件設計

根據零件在模具中的不同功能和特點，可以將其分為工藝零件和結構零件。

4.1 工藝零件

工藝零件是指直接參與完成工藝過程并和毛坯直接發生作用的零件，主要包括工作零件、定位零件、卸料和壓料零件。

凹模材料選用冷作模具鋼Cr12，熱處理后硬度為60 HRC～62 HRC。為了提高模具壽命，降低成本，凹模按照工位分別制作，即分別制作首次拉深凹模、第二次拉深凹模、整形模、沖孔模和落料模，然后通過凹模固定板將所有凹模固定起來，再通過螺釘和銷釘等將凹模固定板固定在下模座上，凹模的形狀、相關尺寸以及相對位置如圖3所示，總體高度為40 mm。

圖3 凹模形狀、相關尺寸及相對位置

拉深、整形、沖孔、落料時的凸模材料選用冷作模具鋼Cr12，熱處理后的硬度為58 HRC～60 HRC。為了防止拉深后工件吸附在凸模表面，在拉深凸模上開設出氣孔，由文獻[6]可知，出氣孔直徑選為5.0 mm。另外，首次拉深與末次拉深的工序件筒直徑部位尺寸存在一定差異，在進行末次拉深時需采用壓料圈。

卸料板選擇315×200×20 JB/T 7643.2—2008，材料為Q235A。鑒于首次拉深的特殊性，將卸料板分成兩份，卸料板I 長239 mm，卸料板Ⅱ長74 mm。導料板選擇125×20×4 JB/T 7645.6—2008。

4.2 結構零件

結構零件指不直接參與完成工藝過程也不和毛坯直接發生作用的零件，主要包括導向零件、支撐零件、緊固零件和其他零件。

設計的模具為多工位級進模，不適合選用中間導柱模架，故選擇對角導柱模架。由圖2和圖3可知，凹模四周應大于269 mm×61 mm。由文獻[6]可知，選擇315×200（220～260）I GB/T 2851—2008型模架，其凹模尺寸為315 mm×200 mm，閉合高度為220 mm～260 mm。上模座選擇315×200×45 GB/T 2855.1—2008，下模座選擇315×200×55 GB/T 2855.2—2008，材料均為HT200。導柱I選擇A35×210 GB/T 2861.1—2008，導柱Ⅱ選擇A40×210 GB/T 2861.1—2008；導套I 選擇A35×115×43 GB/T 2861.3—2008，導套Ⅱ選擇A40×115×43 GB/T 2861.3—2008，材料均為20鋼，進行滲碳處理。模柄選擇B32 JB/T 7646.3—2008 凸緣模柄，材料為Q235A。

凸模固定板有圓形和矩形兩種，尺寸除了應保證能安裝凸模外，還應能安放銷釘和螺釘，厚度取凹模高度的60%～80%，這里選擇矩形凸模固定板315×200×24 JB/T 7643.2—2008，材料為45 鋼。凸模墊板選擇315×200×10 JB/T 7643.2—2008，材料為45鋼，凹模板選擇315×200×50 JB/T 7643.2—2008，材料為T10A，凹模板適當加長，用作進料臺，最后確定凹模板規格為366×200×50。凹模墊板選擇315×100×10 JB/T 7643.2—2008，修改后規格為300×80×10，材料為45鋼。

5 模具結構及工作過程

5.1 模具結構

結合對表芯蓋沖壓工藝性分析、沖壓工藝計算、排樣設計、模具主要零部件設計，所設計的表芯蓋多工位級進模具體結構如圖4 所示。

圖4 模具裝配圖

5.2 模具工作過程

將模具通過固定裝置固定在壓力機上，采用自動送料裝置。工作時，將條料置于下模，通過導料板進行定位。首次拉深時，通過目測進行定位，完成第一次拉深后，通過調整步距，采用自動送料裝置將條料送到第二次拉深的位置，用彈壓卸料板上開設的定位臺階軸插入到第一次拉深后的孔內進行定位，然后由拉深凸模和凹模共同作用完成拉深，后續的工序分別通過整形模的凹模和導正銷進行定位。運行到第五工位落料時，由導正銷對第四工位產生的孔進行定位后，由落料凸模和凹模作用沖出凸緣部分，完成零件的加工。

6 結束語

通過對表芯蓋的沖壓工藝進行分析，選擇沖壓方案，計算工藝尺寸，進行模具零部件的設計，設計出表芯蓋生產的首次拉深—第二次拉深—整形—沖孔—落料多工位級進模，該模具在保證完成任務的前提下，具有成本低、生產效率高等特點，能夠有效節約生產時間和生產成本。