不锈钢长圆形件多工位级进模设计

01序言不锈钢长圆形件是某汽车上的配件，材料为SUS304不锈钢。该制件的传统工艺采用9副单工序模冲压成形，即：毛坯落料、拉深复合模（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、冲中间顶孔（工序⑤）；侧冲孔（工序⑥、工序⑦）；凸缘处成形（工序⑧）；整形（工序⑨）。单工序模冲压模具虽然具有结构简单、模具设计及维修方便等优势，但所需模具较多，冲压成本高，随着产量的日益增长及市场的激烈竞争，单工序模已经无法满足大批量生产需求，缺乏竞争优势。经分析，决定采用一副可以落料、拉深、侧冲及成形的多工位级进模进行生产，其生产出的制件质量稳定性好，生产效率高，同时也大大降低了制件的冲压成本。02工艺分析如图1所示，该制件形状复杂，是一个带弧面凸缘的长圆形件，料厚t＝1.6mm，最大外形长为76.8mm、宽为44.5mm、高为30.6mm；拉深部分为长圆形，在长圆形的侧壁冲出一个21.5mm×14mm的方孔和一个φ2.1mm的圆孔；凸缘处由R63.1mm的弧面与长圆形部分采用R3mm相切连接而成。图1不锈钢长圆形件形状及尺寸在多工位级进模上完成该制件的冲压成形，向上拉深成形较为合理，具体冲压工艺流程为：冲切毛坯外形→拉深→整形→冲顶孔及外形废料→侧冲孔→凸缘成形及整形→落料（制件与载体分离）。03工艺计算3.1毛坯尺寸计算该制件凸缘处形状不规则，按相关理论公式计算较繁琐，计算结果与实际相差较大。因此用专业的展开软件进行计算，速度快且准确度高，计算出的制件毛坯如图2所示。图2制件毛坯3.2拉深工序计算及各工序尺寸绘制（1）拉深工序计算[2]由图1可看出，该制件为不规则异形凸缘的长圆筒形件，当时，属于高长圆形件。毛坯相对厚度时，拉深系数按长圆形毛坯形状查资料得：第一次拉深系数m1＝0.48～0.52（实取0.52）；以后各次拉深采用不压边的结构，查得第二次拉伸系数m2＝0.80，第三次拉深系数m3＝0.82，第四次拉深系数m4＝0.84。该长圆形件毛坯形状计算如下，公式中所涉及的代号可在图3中一一对应。图3长圆形毛坯形状计算所涉及的尺寸1）首次拉深工序尺寸计算。首次拉深形状按椭圆形过渡。首次拉深高度按经验值预计算：2）二次拉深工序尺寸计算。二次拉深高度按经验值预计算：3）三次拉深工序尺寸计算。从A3、B3计算数据可以看出，该尺寸小于制件的尺寸，但与制件的中心线尺寸相差不大，因此，该工序的外形尺寸及高度按制件的外形尺寸及高度来绘制即可，即拉深高度H3＝29mm。需要说明的是，以上拉深高度为预估数据，具体值需在调试中做进一步调整。（2）拉深工序简图绘制根据以上计算，绘制出各工序的简易外形尺寸，如图4所示。图4简易外形尺寸04排样设计（1）排样设计要点排样设计是多工位级进模设计的核心环节之一，排样具体要点介绍如下：①冲压出的制件合格且稳定性好。②尽可能简化模具结构。③确保各凸、凹模有足够强度的前提下尽量减少工位数。④尽可能降低制造成本。⑤在保证带料送料稳定的前提下尽可能提高材料利用率[4]。（2）排样要点分析该制件冲压工艺比较复杂，具体步骤分析如下。1）首先冲切出制件毛坯外形，留毛坯与载体搭边即可。该制件为拉深件，凸缘处是弧面。因此，载体与毛坯采用工艺伸缩带来连接过渡，这样可以确保载体不受毛坯在拉深、成形过程的影响而导致变形、扭曲，方便送料，同时也减小了成形时的阻力，载体及搭边设计如图5所示。图5载体及搭边设计2）拉深工位布置。该制件先拉深，分3次完成，考虑到拉深的工作过程原理，在首次拉深前后各留一个空工位，方便压边圈设置及拉深动作的合理进行。3）侧冲孔布置。拉深结束再侧冲方孔和一个φ2.1mm小圆孔。分析方孔构造可知，为确保侧冲方孔的凹模强度，该方孔需分3次进行冲切，第一次先冲切中间部分和φ2.1mm小圆孔，再将两边部分分别设置在2个工位上进行冲切。4）侧冲孔结束后再进行凸缘弧面的成形、整形工作，最后落料（制件与载体分离，分离后的制件从右边模面出件）。（3）排样图设计经过以上几点分析后，将该制件分为23个工位来排样，如图6所示，具体工位安排如下：在工位1上冲导正销孔、预切外形废料；在工位2、工位3上预切外形废料；工位4为空工位；在工位5上完成首次拉深；工位6、工位7为空工位；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为空工位；在工位12上冲顶孔、冲切外形废料；工位13用于冲切外形废料；工位14为空工位；在工位15上侧冲孔；工位16为空工位；在工位17、工位18上侧冲孔；工位19为空工位；在工位20上完成凸缘弧面成形；工位21用于凸缘弧面整形；工位22为空工位；在工位23上完成落料（即制件与载体分离）。图6制件排样05模具结构设计（1）模具总体设计模具结构如图7所示，该模具由1副大模架和6组模板组合而成，总长为2000mm，宽为650mm，高为450mm，各组的工作内容具体介绍如下。图7模具结构1—下模座2—内限位块3—外导料板组件4、14、26、52—上垫板5—上模座6—矩形弹簧7、31、54—凸模固定板8、28—冲孔凸模9—预切外形废料凸模10、36、46、49—弹顶销组件11—导正销12、25、55—卸料板垫板13—外导柱组件15、20、22、24—顶块16、35、40、83—氮气弹簧17、19、21、23—拉深凹模18、78—凹模固定板27—小导柱组件29—凸模固定块30、32—冲切外形废料凸模33—斜楔固定板34、39、42、44—斜楔37、43—斜楔垫块38、41、45、76—滑块47—凸缘部分弧面成形凸模48—凸缘部分弧面整形凸模50—卸料螺钉51—冲切载体与制件分离凸模53—切断载体凸模56、77—卸料板57—滑槽58、61—冲切载体与制件分离凹模59—下垫块60—限位柱62—凸缘部分弧面整形凹模63—凸缘部分弧面成形凹模64—垫块65—浮动导料销66、67—滑块固定压板68、69—下模板70、97—下垫板71—侧冲方孔凸模垫块72—侧冲方孔凸模73—侧冲孔凹模74—圆形侧冲小凸模75—平行柱79、80—冲切外形凹模镶件81—凹模压板82—冲顶孔及冲切外形凹模镶件84、87、89—卸料板镶件85—长圆形整形凸模86、91、95—导正销组件88、90、94—拉深凸模92—拉深凸模垫板93—压边圈垫板96—压边圈98—套式顶料杆99—下托板100—预切外形废料凹模101—冲孔凹模1）第一组冲切导正销孔及毛坯的外形废料。为了简化冲切毛坯外形废料的结构，并考虑到凸、凹模的强度，该毛坯外形分7个刃口进行冲切。2）第二组完成首次拉深。为了方便调整压边力，该模具将首次拉深单独设计为一组。3）第三组完成二次拉深、三次拉深及整形。4）第四组精切外形废料。该外形废料除了留4个搭边，其余部分分4个刃口冲切而成。5）第五组侧冲方孔和一个φ2.1mm的小圆孔。该组均设置滑块结构，侧冲方孔分3次进行冲切，设计首次冲切一起侧冲方孔的中间部分和φ2.1mm小圆孔，后面2次单独冲切。6）第六组完成凸缘弧面成形、整形及落料。（2）导柱、导套设计为了提高模具的精度及使用寿命，在模座上设置4套φ60mm的外导柱、外导套和24套φ20mm的小导柱、小导套。（3）导正销孔设计该模具在两边载体及毛坯中间均设置导正销孔，均在工位1进行冲切，工位2采用3个导正销同时精确定位，后续根据每个工序的需要，将容易窜动的工位均设置成导正销定位。（4）侧冲孔结构设计侧冲孔结构是该模具的关键结构之一，从图1可以看出，该制件共有2处侧冲，即一个21.5mm×14mm的方孔和一个φ2.1mm的小圆孔。为了增加方孔凹模的强度，将方孔分解成3个部分冲切。第一次侧冲为冲切方孔中间部分及对面的小圆孔，将此工序安排在工位15上完成；第二次与第三次侧冲方孔分别安排在工位17、工位18上完成。以工位15的侧冲孔模具结构（见图8）为例做详细介绍。该部分结构比较特殊，左、右滑块均设置在带料的工位与工位之间来实现侧冲动作，斜楔垫块8、14埋在上模座9里面，斜楔6、17固定在斜楔固定板7上，滑块3、19吊装在卸料板垫板4上，各凸模分别固定在滑块及凸模固定块上，滑块复位采用氮气弹簧18来实现。图8侧冲孔模具结构1—下模板2—圆形侧冲小凸模3、19—滑块4—卸料板垫板5—卸料板背板6、17—斜楔7—斜楔固定板8、14—斜楔垫块9—上模座10、11、15、16、22—螺钉12、18—氮气弹簧13—弹顶销组件20—侧冲方孔凸模垫块21—卸料板23—侧冲方孔凸模24—下垫板25、29—平行柱26—侧冲孔凹模27—工序件28—圆形侧冲小凸模固定块冲压动作：上模下行，导正销（图中未画出）先对带料进行定位，上模继续下行，滑块3、19底面接触到平行柱25、29的上平面后，上模继续下行至斜楔接触到滑块，使滑块3、19向中心滑动，对带料上的工序件27进行侧冲，模具回程时在氮气弹簧12、18的弹力下完成复位。06模具生产验证该模具安装在3150kN的闭式压力机上进行试冲及大批量生产，经过生产验证，冲压速度可达到30冲次/min。结果表明，该制件采用多工位级进模来实现拉深、侧冲是合理可行的，大大提高了生产效率并降低了制件的成本，满足了大批量生产的需求，试冲出的料带实物如图9所示。图9料带实物07结束语传统工艺采用9副单工序模冲压，该模具改用新工艺，采用1副多工位