垫圈类零件连续冲裁模工艺分析与模具设计

垫圈类零件连续冲裁模工艺分析与模具设计1 研究的背景与目的太原机车车辆配件厂在生产某型号铁道车辆配件时需要配装垫圈类零件，生产目标20 000件/a。根据产品图样的要求，通过冲压加工，垫圈的表面质量和精度等级完全可以满足要求。然而由于不具备模具生产的条件，一直是靠车床加工来完成的，不但浪费原材料，而且费工费时。利用模具来制造垫圈类零件是降低消耗、减轻机加工设备压力、提高效益的有效途径，因此有必要确定合理的冲压工艺来解决这一生产中遇到的技术问题。2 冲压设备的选择2.1 零件的基本要求垫圈零件的加工尺寸要求见图1。材质要求为Q235-A，上平面和下平面不要求加工，内圈和外圈表面粗糙度为Ra12.5 m，不限制加工手段。2.2 总冲压力的计算采用刚性卸料装置和下出料方式的冲裁模时，总冲压力计算公式【1】为F总 = F冲 + F推 .式中：F冲为冲裁力；F推为推件力，即从凹模内将工件或废料顺着冲裁方向推出的力。冲裁力计算公式为F冲 = 1.3Ltτ= 1.3x式中：L为刃口周长；t为材料厚度；τ为材料的抗剪强度。对于Q235-A钢，τ的取值范围为304373 MPa，选取τ = 343 MPa。推件力计算公式为F推 = nK推F冲 = h/tK推F冲 =12/8x0.025x1097698.8N=41163.7N.式中：n为同时卡在凹模里的工件因此，选用200 t四柱液压机，型号为YA32-200。3 模具压力中心的确定为了保证压力机和模具正常工作，必须使冲模的压力中心与压力机滑块中心线相重合，否则在冲压时会使冲模与压力机滑块歪斜，引起凸凹模间隙不均和导向零件加速磨损，造成刃口和其他零件的损坏，使冲出的产品不能满足使用要求。由零件图知该零件具有一定的厚度，若采用一次成形的落料冲孔复合模，则退料问题不好解决，并且模具的强度亦成问题，因此笔者决定采用连续冲裁模的形式。在连续冲裁模的结构中，大冲头和小冲头的落料规格不统一，因而必须正确确定压力中心的位置。图2为采用连续冲裁模时压力中心确定示意图。图2中孔和孔均为对称形状，故冲裁时，各孔冲裁力的作用点在其几何中心。按照图2选定坐标系，y轴落在两孔对称中心，因此只要计算出y0即可找到压力中心的位置。式中：l1为孔基本线段的周长；l2为孔基本线段的周长。压力中心位置与孔中心之间的距离为y3 = y2 - y0 = 78 mm - 51.63 mm = 26.37 mm.因此，压力中心位置在孔中心垂直向下26.37 mm处。在设计模具时，应使压力中心与模柄中心线大体重合。4 凸凹模间隙的确定冲裁间隙是直接关系到冲件断面质量、尺寸精度、模具寿命、力量和能量消耗的重要工艺参数，因此必须依据一定的原则来选取合理的间隙值，从而满足对使用性能的要求。4.1 落料间隙的确定落料间隙的确定原则：落料制件尺寸决定于凹模尺寸，在设计落料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上。考虑到冲裁中凸凹模的磨损，所设计的凹模基本尺寸应取制件尺寸公差范围内的较小尺寸，这样在凸凹模有一定程度磨损的情况下，仍能冲出合格制件。凸凹模的间隙取最小合理间隙值。4.2 冲孔间隙的确定冲孔间隙的确定原则：冲孔时孔的尺寸决定于凸模尺寸，在设计冲孔模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。同样考虑到冲裁时凸凹模的磨损，所设计的凸模基本尺寸应取制件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。5 模具的总体设计考虑到垫圈的结构特点，并考虑其具有一定的厚度，因此采用连续冲裁模的形式较为合适【2】。画出模具的结构图，见图3。该模具的结构如下：模具上部由模柄、上模板、垫板、凸模托板组成，它们是用定位销和螺钉固定的。模具上有两个凸模，一个是冲孔凸模，另一个是落料凸模。送料用固定挡料销来限制。卸料板、下模通过定位销和螺钉固定在下模板上。为了保证垫圈已冲制出的孔与其外圆的正确位置，在冲孔凸模的下面镶有导正销，当凸模下降时，导正销插入已经冲好的孔内，这样就能保证外圆与孔的同轴度。在连续冲裁模上进行第一次冲裁之前，利用固定挡料销来控制定位显然不可能，因此还必须在适当位置设置临时挡料销来确定条料首件的位置。具体使用时，要求模具有良好的导向性及对中精度，方可冲压出合格的产品，为此在模具结构中设置了导套、导柱构件来提高其导向定位精度。同时为了保证二者的同轴度及两导柱的中心距要求，导套与上模板间在工艺上考虑采用铜合金或低熔点合金浇注，以牢固地相互连接。6 连续冲裁模中挡料销位置的确定连续冲裁模中挡料销位置的设计，见图4。挡料销位置计算公式为因此选取e=44mm。7 条料排样和搭边量的确定排样的意义在于减少材料的消耗，提高劳动生产率，延长模具使用寿命【3】。搭边的作用则是补偿定位误差，保证冲出合格的制件，还可保持条料有一定的刚度，便于送料。条料排样和搭边情况，见第97页图5。搭边值要合理确定。搭边值过大，材料利用率低；搭边值过小，在冲裁中将被拉断，使制件产生毛刺，有时还会拉入凸模和凹模间隙中，损坏模具刃口，降低模具的使用寿命。根据以上因素的制约，决定选取a = 6 mm，b = 8 mm。条料宽度的基本尺寸B计算公式为B = D + 2a + Δ =式中：D为制件在宽度方向的尺寸，mm；a为侧搭边的最小值，mm；Δ为条料宽度的单向公差，取0.9 mm。因此选取B= 73 mm。又由于条料无侧压装置，故卸料板送料方向尺寸不宜过大，初定为B′=75 mm。材料的利用率式中：F0为制件的面积，mm2；F为冲裁时所需的板料面积，mm2。因制件存在设计废料，故材料利用率不是很高。8 冲裁模具主要零件材料的选择冲模在工作中承受冲击载荷，冲模工作零件除应有足够强度和韧性外，还必须有较高硬度和耐磨性【4】。笔者列出了主要零件的材料及要求，见表1。9 结束语垫圈类零件采用连续冲裁模方案后，产品质量和生产效率有了极大的提高，模具的使用寿命也得到了延长，从而降低了制造成本，产品合格率达到98%，满足了生产的需要，同时也为类似零件的成型工艺提供了一种有效的解决途径。参考文献：【1】 王孝培.冲压手册.北京:机械工业出版社,1988.【2】 冯炳尧,韩泰荣,殷振海,等.模具设计与制造简明手册.上海:上海科学技术出版社,1985.【3】 杨江河,魏永良.现代模具制造技术.北京:机械工业出版社,2006.【4】 史美堂.金属材料及热处理.上海:上海科学技术出版社,1984.