防护扣多工位级进模设计

2022-09-11

图1所示为某电器防护扣零件, 材料为45钢, 料厚0.6mm。要求制造精度为IT12, 冲裁边缘光滑、无毛刺, 拉深部分无褶皱出现。防护扣属于大批量生产零件, 其形状也较复杂, 成形过程中需要进行多次阶梯拉深, 必须合理安排弯曲工序的先后顺序, 才能保证零件的质量。其上半部分是一个圆筒形拉深, 下半部分是一个盒形拉深;整体尺寸不大, 长度为50mm, 最大宽度为41.2mm, 最大高度为10mm, 属不规则形状的小型金属拉深件。

1 工艺分析与排样设计

根据制件结构分析可知, 该制件的成形包含有冲裁、拉深、成形三种工艺。对其工艺分析如下。

(1) 该制件冲裁形状为规则的圆形, 且孔的分布具有对称性和集中性, 较易于冲压, 容易保证制件的形状精度及尺寸精度, 但在冲压时要考虑到凸模和凹模的强度问题。

(2) 冲裁件内无尖锐的清角。

(3) 无长槽和细长悬臂结构。

(4) 冲孔时, 对于冲裁直径为2mm的小孔来说, 考虑到直径过小, 因而采用有导向的方式, 方案如下:材料是45钢, 2mm>0.5t=0.5×0.6=0.3mm, 故凸模强度符合要求。

(5) 孔与边缘之间的最小距离约为1.6>1t=0.6mm, 故不会因此而降低模具寿命。

(6) 毛刺高度:因材料为45钢, σ=500~700 M Pa, t=0.6mm时, 毛刺高度取150μm。

(7) 尺寸精度:制件要求制造精度为IT12, 而一般冲裁件所能达到的尺寸精度一般为IT10~IT12。因此能够加工出IT12精度的制件, 符合制件的精度要求;

(8) 拉深系数m:在拉深中, 应尽量把拉深系数取得大一些。

(9) 对于拉深件来说, 当拉深的的高度太大时, 可能产生起皱的现象, 对于厚度薄的材料, 则一定要采用压边圈。因此为避免起皱, 在设计中使用压边装置, 如果采用弹性卸料板作为压边装置, 就可以替代压边圈, 发挥压边的作用。

(10) 采用起伏成形时应注意的一点是, 若成形的肋与边缘之间的距离太小, 在成形过程中, 边缘材料要向内收缩, 从而影响工件质量。一般距离应该取3~5t。

该制件的工艺结构良好, 加工性能满足成形加工的要求。

2 模具设计

2.1 冲裁方案的确定

分别对三种模具方案进行分析。

方案一:单工序模工序分为冲裁、拉深、成形。单工序模具需要以下几步工序:

(1) 利用落料模将制件毛坯的轮廓冲出; (2) 利用四套拉深模分别进行拉深成形; (3) 利用成型模具进行起伏成形; (4) 利用冲孔模具冲制件上的孔; (5) 利用切边模具对其进行修边处理。

优点:模具设计简单, 制造容易;模具成本低, 生产周期短;维修方便, 适用于小批量生产;灵活性能高。

缺点:自动化程度低;耗费大量的人力资源;生产的产品尺寸精度低, 生产率低。

方案二:采用复合模。在压力机一次冲程中, 经一次送料定位, 在模具的同一部位可以同时完成几道冲裁工序的模具称为复合模。即该制件在一个工序中同时完成落料, 拉深、冲裁。

优点:生产精度高, 制件质量好, 生产率高。

缺点:模具制造成本高, 操作困难, 可能在使用高速自动化冲压时, 损坏模具。模具加工困难;操作不安全。

方案三:采用级进模。

级进模是在单工序冲模基础上发展起来的一种多工序、高效率的冲模。在压力机一次冲程中, 级进模在其有规律排列的几个工位上分别完成一部分冲裁工序, 在最后工位冲出完整的工件。

优点:连续模是连续冲压, 生产过程中相当于每次冲程冲一个制件生产过程中相当于每次冲程冲一个工件, 故生产效率高, 适用于大、中批量生产;级进模冲裁可以减少模具数量和设备数量, 操作方便安全, 便于实现冲压生产自动化;工作安全;可以适用于机械化高速自动压力机。

缺点:级进模结构复杂, 制造困难, 制造成本高;由于各个工序是在不同工位上完成的, 则因定位产生的累积误差会影响工件的精度。精度不及复合模。

综上所述:结合此制件形状尺寸分析, 冲压件简单, 尺寸较小, 精度要求不高, 采用级进模比采用复合模的模具制造成本降低, 故设计方案采用级进模。

2.2 成型设备的选取

为便于送料, 选择了开式双柱可倾压力机。该压力机的操作空间为三面敞开, 操作者能够从压力机的前面、左面或右面接近模具, 因而操作比较方便, 同时在加工过程中也能够从多个方面进行冲裁过程观察。此处选择的成型设备型号为J23-100。

2.3 模具中主要零件的设计

2.3.1 工艺结构零件的设计

对工艺结构零件的设计主要包括凸模、凹模、定位零件及卸料零件的设计。

(1) 凸模。冲裁中小零件所使用的凸模, 一般都按整体式设计制造。常见的凸模固定型式是采用机械固定, 为增强凸模的强度和刚度及避免应力集中, 凸模做成圆滑过渡的阶梯形, 凸模与固定板采用H7/n6或H7/m6的过渡配合, 为防止卸料力将凸模拉出, 在凸模尾部留有台肩固定;凸模的结构如图2装配图所示。

(2) 凹模。凹模结构采用镶块与凹模固定板结合式的凹模结构形式, 并且刃壁无斜度, 刃磨后刃口尺寸不变的形式, 具体结构如图2装配图所示。

(3) 定位零件的设计。定位零件的作用是保证坯料的正确送进及使工作零件处于正确的位置, 称作坯料的定位或导向。使用条料时, 应使条料在送进方向定位, 以保证送料步距, 通常叫做挡料, 使用的定位零件有挡料销、侧刃等;在垂直于送料方向上的定位, 叫做送进导向, 使用的定位零件有导料板、导料销等。在连续模中, 为保证冲裁件孔与外形的位置精度, 常使用导料销进行精确定位。

(4) 导料装置的设计。常见的送进导向件有导料板和导料销。冲裁时, 紧靠导料板或导料销的一侧导料送进, 以限定条料送进的正确方向。对于复合模, 一般采用的是导料销形式, 而级进模一般情况都是采用导料板, 此设计采用导料板导向。

(5) 始用挡料销的设计。由于条料刚送进模具时, 模具处于打开的状态, 第一步工位的定位难以靠其他方式来实现, 所以在这里采用始用挡料销来确定第一步送给量, 但由于弹性卸料板是上下运动的, 故需将挡料板结构做成不对称U型槽型式, 而弹簧则靠螺钉来定位, 为了将挡料板套入螺钉颈部, 挡料板的一端应加工出孔径稍大于螺钉直径的孔, 螺钉颈部长度应保证挡料板的活动量。此外, 由于挡料板底部超出弹性卸料板下平面, 则应在凹模板上加工出让位槽, 以保证模具闭合时弹性卸料板压住条料, 起到压料板的作用。在非工作状态时, 弹簧将挡料板紧压在螺钉头部, 在条料第一个工位冲裁送进前, 预先用手将始用挡料板按入, 使其端部超出坯料边缘, 挡住条料而使之定位, 挡料板的伸出量由螺钉颈部长度及卸料板让位槽的长度进行控制。第一次冲裁后, 弹簧将挡料板复位, 在此条料的以后冲裁中就不再使用。

(6) 档料销。挡料销是用来控制料条送进步距的零件。它可分为固定挡料销和活动挡料销两种。此处选用活动挡料销作为模具中的定距装置。

(7) 卸料零件的设计。该冲模采用弹性卸料板, 利用四个橡皮和卸料螺钉来完成弹性卸料。弹压卸料装置卸料力较小, 但可在冲裁前将板料压平, 可以防止冲裁件翘曲, 一般用于板料厚度t<1.5mm的冲裁模从凸模上卸料。利用卸料螺钉将卸料板连接到上模座上, 开模时利用橡皮将卸料板复位, 从而将料条从凸模上卸下来完成卸料。

2.3.2 辅助结构零件的设计

辅助结构零件不直接参与完成工艺过程, 也不与毛坯直接发生作用, 只对模具完成工艺过程起保证作用或是对模具的功能起到完善的作用, 辅助零件包括导向零件、固定零件、紧固及其它零件。

(1) 导向零件的设计。导向装置用于冲裁模具上、下模之间的定位连接和运动导向, 导向零件可以消除压力机滑块运动误差对模具运动精度的影响, 保证凸、凹模间间隙分布均匀, 便于模具安装和调整, 因而可以提高模具的使用寿命和冲裁件精度。因此, 在设计生产冲裁件批量较大的冲裁模时, 一般均采用导向装置, 以保证上、下模的精确导向。常用的导向零件有导板式、导柱导套式、滚珠导套式, 此处选用导柱导套式。

(2) 模柄。模柄是将上模安装在压力机滑块上的零件。模柄安装在上模座上的垂直度影响导向装置的配合精度和使用寿命, 因此设计模具时应根据需要选择合适的模柄。常用的模柄形有压入式、凸缘式、旋入式和浮动式, 综合考虑到导向精度、制造成本, 安装难易程度等因素, 现采用压入式模柄, 通过过渡配合H7/m6, 将模柄压入上模座, 并用止转销防止转动。这种模柄易于保证其与上模座的垂直度要求, 适合于上模座较厚的冲模。模柄通常用Q235钢制造, 装入上模座后, 其中心线与上模座上平面的垂直误差在全长范围内不大于0.05mm。

(3) 模架与模座。上、下模座用以安装全部模具零件, 构成模具的整体和传递冲压力。因此, 模座不仅要有足够的强度, 还要有足够的刚度, 上、下模座中间联以导向装置的总体称为模架。模架是模具的主体结构。冷冲模的主要零件都要通过螺钉、销钉等连接到模架上, 以构成一副完整的冲模。模架在起连接作用的同时, 还用于保证凸模和凹模具有精确的位置, 即起导向作用。

2.4 模具材料选择、热处理及主要零件的加工

(1) 凹模。为了便于更换、修理, 凹模采用镶块式制造, 且制件为大批量生产, 要求材料的耐磨性高, 加工性能好, 但同时制件加工精度要求一般, 为节省制造成本, 在满足使用条件下尽量选择含合金元素少, 价格低廉的钢材。综合以上两方面可选用材料Cr12MoV和GCr15。

(2) 凸模。该模具包括冲孔凸模、拉深凸模, 由于成形工序及凸模结构和长度、冲压时受力大小不同, 精度要求也不同, 故对材料的要求也不一样,

因此, 各凸模选材如下:冲裁凸模-Cr12;拉深凸模-Cr12;成形凸模-9Mn2V。

(3) 模具热处理基本要求。模具热处理一般包括模具预备热处理和模具最终热处理两类, 此外还有模具加工中的热处理和使用中的恢复热处理。模具预备热处理主要包括退火、正火、和调质处理, 主要目的是消除毛坯残留组织缺陷, 有利于后续冷加工处理, 提高使用性能和模具寿命;模具的最终热处理包括淬火和回火, 淬火的目的是提高钢的强度、硬度和耐磨度, 回火的目的是降低淬火后钢的脆性, 消除淬火内应力, 改善钢的性能, 而且为了保持模具用钢在淬火后得到的高硬度和耐磨性, 应采用低温回火。

(4) 模具主要零件的加工模具作为一种专用的工艺装备, 由于的制造精度要求相对较高, 材料的性能要求较好, 所以其制造难度较大, 特别是对级进模, 加工方式尤其显得重要, 因为级进模高生产批量的要求, 使得模具必须具有高耐磨性、高硬度等性能要求, 同时在精度方面要求也比较高, 所以用一般的机加工方式无法实现, 但是随着科学的发展, 逐渐出现的一些新的加工方式, 使得对模具的加工变得相对简单许多;现在一般用于加工模具的新技术主要是数控机床, 包括数控车、铣、磨、镗床以及电火花机床等。这些设备在复杂形状和高精度的模具成型加工发挥了重要的作用。