基于數值模擬的封蓋沖壓工藝及模具設計

丁華天，杜佳東，裘劍峰，王 蕾

（臺州學院 機械工程學院，浙江 臺州 318000）

1 引言

圖1 所示為某封蓋零件，材料08 鋼,料厚2mm，要求制造精度為IT14 級。此零件為帶凸緣的錐筒形件，需要采用拉深成形，經過分析得到的加工過程為：落料、一次拉深、二次拉深、反向拉深、切邊五道工序。對五道工序進行可行性分析，將落料、首次拉深復合成第一套模具，將二次拉深、反向拉深、切邊復合成第二套模具。本零件用于密封，因此有一定的粗糙度和精度要求，模具的成形難點在于第二套模具工件的定位問題，反向切邊質量的保證等。

2 成形工藝與仿真分析

2.1 成形工藝分析

通過對產品零件的形狀、尺寸與材料性質分析，可知該零件適合沖裁和拉深。沖裁該零件包括落料、拉深、反拉深三個基本的工序，且是大批量生產，符合復合沖壓模批量越大效率提高越明顯的特點。相對于單工序模來說，復合模具有生產效率高，沖壓件精度高的特點；相對于級進模來說，又具有體積相對緊湊，定位精度高，定位方便的特點。符合當前模具發展趨勢。整個工藝采用復合模，使用兩套模具，在第一套模具上進行落料和拉深，成形后如圖2 所示；在第二套模具上進行反拉深，模具相對較復雜，但能更好地保證精度，提高生產效率，成形后如圖3 所示。

2.2 仿真分析

本次設計利用模擬軟件對拉深過程進行仿真分析，研究其拉深過程中的等效應力、應變及破壞情況，初步擬定落料、拉深、沖孔及切邊等工序，并為生產出的零件實現表面平整無拉裂、起皺提供理論依據。

由圖4 可知，零件第一次成形拉深過程中凸模圓角破壞最嚴重，是極易發生拉裂的部位。這與拉深理論相符，表明仿真結果符合實際。該零件破壞最大處為2.3＜49.9，說明該模具結構設計合理，符合設計要求；由圖5 第二次成形過程云圖同樣可知模具結構設計合理，符合要求。

由圖6 可知，零件第一次成形拉深過程中等效應變發生在筒壁和凸模圓角部分。原因在于筒壁部分是由材料塑性流動轉移而成，而凸模圓角部分承受著徑向和切向拉應力的作用，因此變薄現象比筒壁部分嚴重得多。圖示處也是筒壁和凸模圓角部分等效應變最大，最大值1.55＜10.6，說明模具符合設計要求；由圖7 第二次成形仿真云圖中，同樣可知模具設計符合要求。

由圖8 可知，零件等效應力最大處在凸模圓角部分。該部分承受徑向和切向拉應力作用，同時在厚度方向因受凸模壓力和彎曲作用而受到壓應力作用。仿真結果符合設計要求，再據圖中所示最大應力606MPa＜615MPa，不會產生拉裂現象，說明模具符合設計要求；由圖9 同樣可知模具設計符合要求。

3 模具設計

3.1 模具結構

3.1.1 第一套模具

（1）模架及導向

模具結構如圖10 所示，該零件筒形件要求較高，為保證零件精度要求，采用復合模。為方便加工及降低成本，采用標準模架，模具采用后側導柱滑動導向模架，包括后導向滑動導向組件（主導柱22、導套21）、上模座17、模柄14、下模座4。上模部分由上模座17、上墊板19、凸凹模固定板11、卸料板24 等組成，其中上模座、上墊板、上模固定板通過標準緊固件和定位銷聯為一體。為保證模具制造精度和裝配精度，卸料板采用4 根卸料螺釘，另外，主導套與上模座采用厭氧膠粘接固定，以適當降低導套孔的加工精度，避免內孔處導向組件重復定位，保證模具的整體裝配精度。下模部分由下模座4、落料凹模8、下墊板6 、拉深凸模27、拉伸凸模固定板7 等組成并通過標準緊固件和定位銷聯為一體。

（2）定位和導料

該復合模具為卷料供料生產，板料在模具中必須有正確的位置，才能保證沖裁出外形完整的合格零件，正確的位置是依靠定位零件來保證的。前端用固定擋料銷保證條料的步距。送料粗定距依靠送料機送料精度，精確定位由模內的擋料銷完成，由于采用復合模，因此只需保證送料步距精度即可，其定位累積誤差可控制在0.02mm 以內。此道工序不采用側壓裝置，由兩個導料銷保證條料的正確送進。

（3）壓料與卸料

模具壓料與卸料彈力由推件塊23、壓邊圈25及卸料板24 組成，三個部件都能起卸料作用，其中推件塊和壓邊圈既起推件作用又起壓邊作用。通過調節下端的止付螺母1 的位置可以調節壓料彈簧的預壓力，從而實現壓料力的平衡調節。另外，利用分別安裝在上下模座上的限位柱來控制閉模間隙，其既能為防止工作時因壓力過大而導致料帶嚴重壓薄，又可避免初始送料時模具尾端無料帶而引起的模具不平衡，從而保護模具。

3.1.2 第二套模具

（1）模架及導向

模具結構如圖11 所示，同第一套模具一樣采用復合模，采用后側導柱滑動導向模架，包括后導向滑動導向組件（導柱 12、導套 11）、上模座 8、模柄 9、下模座3。上模部分主要有上模座8、拉伸凹模6 并通過標準緊固件和定位銷聯為一體。主導套與上模座同樣采用厭氧膠粘接固定。下模部分由下模座4、拉伸凸模5 等組成并通過標準緊固件和定位銷聯為一體。

（2）定位和頂料

該復合模具為單個進行生產，定位基本由拉伸凸模完成。模具閉合沖裁一次完成后由頂桿13 將成形的工件從拉伸凸模頂出，頂出機構主要由聚酯塊2、托板16、頂桿13 等組成。通過調節下端的止付螺母1的位置可以調節壓料彈簧的預壓力，從而實現壓料力的平衡調節。另外，利用分別安裝在上下模座上的限位柱來控制閉模間隙，其既能為防止工作時因壓力過大而導致料帶嚴重壓薄，又可避免初始送料時模具尾端無料帶而引起的模具不平衡，從而保護模具。

3.2 模具設計解決的主要問題

（1）拉裂。由于拉深件有一定錐度，凸模接觸面積小，壓力集中，容易引起局部變薄，出現拉裂的情況，因此在設計時應適當增大壓邊力。

（2）起皺。工件壁較薄，且拉深凸緣部分寬大，極易引起起皺，故采用壓邊圈防止起皺。

（3）第二次拉深的定位。經第一次拉深，零件已有了一定的形狀，因此在進行第二次拉深時，使壓邊圈與毛胚的內形完全吻合。沖壓時，將毛胚套在壓邊圈上進行定位，同時為了防止壓邊圈將毛胚壓得過緊，采用了限位螺釘的結構，使壓邊圈和拉深凹模之間保持一定的距離，壓邊力不致隨著行程的加大而加大。

4 結束語

通過合理安排零件成形工序，設計出切實可行的輔助成形機構和模具結構，生產的零件質量良好，可為此類零件的復合模設計提供參考。

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[3]李靈潔，王 蕾．折彎校正一體化機構在級進模具計中的應用[J]．鍛壓裝備與制造技術，2009，44（3）：101-103．

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