磁針級進(jìn)模設(shè)計

中航工業(yè)南方航空工業(yè) (集團(tuán))有限公司 (湖南株洲 412002) 黃 倩 李展前 盛 波 鐘如鋼

一、產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)特點及零件沖壓工藝性分析

此磁針 (見圖1)是某軍用儀表指針，屬儀表重要零部件，材料為磁性鋼帶，零件硬度接近40 HRC。為保證零件質(zhì)量及滿足批生產(chǎn)要求，在多工位級進(jìn)模設(shè)計時，結(jié)合工廠工藝水平，合理設(shè)計沖壓工藝方案及優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)高效連續(xù)生產(chǎn)的同時，確保各項質(zhì)量特性及其一致性顯得尤為重要。

圖1

從零件圖可知，零件外形尺寸不大，總體呈菱形，中心有一直徑為3.6+0.0480mm定位孔，孔邊距較小 (1.16 mm)。材料為鋼廠定制的磁性鋼帶，硬度接近40 HRC。因材質(zhì)特殊且需定制，材料價格昂貴。

根據(jù)該產(chǎn)品零件外形尺寸較小、孔邊距較小、精度要求高、材料價格昂貴且屬大批量生產(chǎn)，故設(shè)計一套多工位級進(jìn)模以滿足生產(chǎn)需求。

二、模具排樣圖設(shè)計

排樣是級進(jìn)模設(shè)計的重要依據(jù)，是決定級進(jìn)模優(yōu)劣的主要因素之一。排樣圖設(shè)計的合理與否，直接關(guān)系到零件尺寸精度、材料利用率、模具制造成本以及模具的使用壽命等。

按照排樣所要解決的問題及設(shè)計過程中所處的階段，多工位級進(jìn)模設(shè)計中的排樣過程可分為三部分，即毛坯排樣、沖切刃口設(shè)計和工序排樣。其中，工序排樣確定工位數(shù)量、每個工位具體加工工序等，是級進(jìn)模設(shè)計的靈魂所在。

1.毛坯排樣

因沒有成形工序，故不需進(jìn)行產(chǎn)品的展開計算，產(chǎn)品零件圖即為排樣根據(jù)。

典型毛坯排樣方案有兩種，分別如圖2、圖3所示。

圖2

圖3

圖2所示方案條料寬度尺寸較小，為9 mm;步距為18.05 mm。所以模具外形尺寸較小，工序件運(yùn)載比較平穩(wěn)。

由公式η=〔A/(B·S)〕 ×100%算出材料利用率約為59%。式中，A為單個產(chǎn)品毛坯面積，取96.62 mm2;B為條料寬度，取9 mm;S為沖裁步距，取18.05 mm。

圖3所示方案為無廢料排樣，條料寬度尺寸較大，為97.5 mm;步距較長，為35.6 mm;材料利用率約為80%。該無廢料排樣方案工序排樣較為復(fù)雜，模具制造精度相對要求更高。

因磁性鋼帶材料價格昂貴 (約2000元/kg)，為最大限度提高材料利用率，決定采用圖3所示的無廢料排樣方案。

2.沖切刃口設(shè)計

沖切刃口外形設(shè)計就是把復(fù)雜的內(nèi)形輪廓和外形輪廓分解為若干個簡單幾何單元，各單元又通過組合、補(bǔ)缺等方式構(gòu)成新的沖切輪廓的工藝設(shè)計過程。

考慮到零件外形尺寸較小，為提高凸模強(qiáng)度，選用切邊型排樣。為實現(xiàn)無廢料排樣，保障凸凹模有足夠的強(qiáng)度，且便于加工，在經(jīng)過多次的分解與重組后，終于確定了一組沖切刃口，共5個工步。如圖4所示。

圖4 沖切刃口設(shè)計

3.工序排樣

(2)條料定位方式:由于采用手動送料，可采用如圖5所示導(dǎo)料板定位。

圖5 導(dǎo)料板

(3)確定排樣圖:根據(jù)以上各方面的設(shè)計，經(jīng)綜合分析比較，可確定零件的沖壓排樣如圖6所示，即零件的沖制用四工位級進(jìn)模。

圖6 排樣圖

第一工位:沖孔;第二工位:空工位;第三工位:切邊;第四工位:切邊。

按上述排樣，要分別從左右方向和前后方向兩次送料才能完成零件沖裁過程。

第一步先將長度約1 m的條料從右至左送料，送料步距35.6 mm，沖裁后帶料如圖7所示。

圖7

第二步將圖7所示帶料往前送料，送料步距3 mm，然后再重復(fù)第一步，直至圖6四工位所示，陰影部分即為完成沖裁后的零件。

(4)步距精度:可由公式δ=±〔β/(2n1/3)〕K計算出來。式中，β為沿送料方向毛坯輪廓尺寸的精度提高三級后的公差值，取值0.025 mm;n為級進(jìn)模工位數(shù)，取4;K為修正系數(shù)，查相關(guān)資料取值0.85。

將各值代入公式中，得出步進(jìn)精度值δ=0.007 mm。

三、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.基本結(jié)構(gòu)形式

(1)裝配結(jié)構(gòu):根據(jù)上述分析，本零件的沖制包含沖孔、切邊，因此選正裝式結(jié)構(gòu)，即凸模在上模、凹模在下模的形式。

(2)卸料方式:為了保證條料的平整度，防止工序件的翹曲，故選用彈性卸料板，以矩形彈簧提供彈壓力。

(3)導(dǎo)向方式:由于本零件的生產(chǎn)是大量生產(chǎn)，且為薄料沖壓，為了保證沖壓的精度，以及模具的整體剛性，故選用滾珠導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，彈性卸料板增設(shè)兩個小導(dǎo)柱導(dǎo)向。

2.凸、凹模設(shè)計

由于被沖材料硬度較高 (40 HRC左右)，零件外形及定位孔尺寸較小，故對凸、凹模形狀的設(shè)計及選材至關(guān)重要。

(1)凸、凹模選材:針對被沖零件高硬度的特點，選用SKD11、YG8和T15三類材料試沖零件上mm定位孔，試驗結(jié)果如附表所示。

試驗結(jié)果表

經(jīng)試驗對比分析，粉末冶金高速鋼T15沖裁性能最佳。另T15系晶體特細(xì)高速鋼，具備高耐磨性、高韌性和高抗壓強(qiáng)度特性，品質(zhì)均勻，無偏析，易加工，熱處理尺寸穩(wěn)定性好。因此凸、凹模選材T15，回火后硬度66～68 HRC。

(2)切邊凸、凹模形狀設(shè)計:模具沖壓時，切邊凸模只有兩處刃口面參與沖裁，受沖裁力影響凸模向非沖裁面退讓，實際沖裁間隙成倍增加，導(dǎo)致零件毛刺過大，甚至出現(xiàn)啃模現(xiàn)象。在凸模刃口端增加引導(dǎo)部分，可增加凸模剛性和防止凸模沖裁時單邊受力產(chǎn)生退讓，如圖8所示:除參與切邊的兩處刃口面之外，其他三面做成引導(dǎo)凸臺;兩處刃口面按與凹模配沖裁間隙0.03 mm，三處引導(dǎo)面按與凹模配導(dǎo)向間隙0.005 mm。

圖8

3.繪制模具總裝圖

廠方提供的沖壓設(shè)備為25 t沖壓機(jī)，根據(jù)上述分析，繪制模具總裝圖，如圖9所示。

圖9

四、結(jié)語

模具交付使用后首批沖裁5萬件，沖壓產(chǎn)品零件幾何尺寸符合圖樣要求，產(chǎn)品零件在儀表裝配和使用過程中亦無質(zhì)量問題反饋。另該級進(jìn)模生產(chǎn)效率高，日常維護(hù)及修模方便，完全滿足批生產(chǎn)要求。