橫梁厚板沖裁模具設計

摘 要：介紹了一種橫梁模具沖裁工序通過對工藝方案調整和兩種模具結構設計優化，大大降低了沖裁力，滿足了現有設備的加工能力要求，最后介紹了兩套模具的結構設計。

關鍵詞：沖裁力；斜刃；階梯凸模；模具設計

1 產品圖紙分析

圖1為某種重型卡車底盤橫梁的展開料圖，工藝要求通過現有沖壓設備完成沖孔和外形加工。現有使用機床壓力630噸閉式單點機械壓力機，而零件坯料為16MnL，厚度為6mm。從圖中可以看出零件結構雖不復雜，但存在沖裁線長、板料厚度較厚等問題，因此需要對工藝方案和沖裁過程中的沖裁力進行特殊考慮和設計。

2 沖裁力計算和工藝方案選擇

經過對零件的特性分析，采用以下經驗公式計算沖裁力：

F沖=F修邊+F沖孔

=L修邊×t×δb+L沖孔×t×δb

=17810037N

式中：F-沖裁力（N）；L修邊-修邊輪廓長度；L沖孔-沖孔輪廓長度；t-料厚（mm）；δb-材料抗拉強度（630N/mm2）。

計算后沖裁力約為1781噸，現有的沖壓設備630噸遠無法無法滿足要求。使用現有設備一個工序無法完成加工，需分為兩個工序進行加工。經過對沖裁力計算和模具結構設計要求考慮，可以將零件的沖孔和切邊分為兩個工序進行加工。但由于兩個￠60孔由于位置原因容易導致漏料孔與其余零件干涉，因此需要將2X￠60孔改為在切邊工序時一同加工。這時需要對兩個工序的沖裁力重新進行計算。

根據經驗公式，一工序沖裁力為：

F1=L沖孔×t×δb

=6201657N

式中：F1-一工序沖裁力（N）；L沖孔-沖孔輪廓長度（mm）；t-料厚（mm）；δb-抗拉強度（630N/mm2）。

根據經驗公式，二工序沖裁力為：

F2=F修邊+F沖孔

=L修邊×t×δb+L沖孔×t×δb

=11608380

式中：F2-二工序沖裁力（N）；L修邊-修邊輪廓長度（mm）；L沖孔-沖孔輪廓長度（mm）；t-料厚（mm）；δb-抗拉強度（630N/mm2）。

最終一工序沖裁力為620噸，二工序沖裁力為1160噸。考慮加工能力后確定一、二工序沖裁力仍不滿足要求機床要求。這就要求必須在模具設計上采用特殊設計來降低沖裁力。

3 降低沖裁力的方法

根據沖壓加工經驗，在沖裁高強度材料或厚度大、沖裁線長的零件時，沖裁力超出現有設備加工能力時需采用特殊方式降低沖裁力。現有比較常見的方法有斜刃刃口、階梯凸模和材料加熱沖裁等方法。由于材料加熱沖裁會造成材料表面出現氧化皮且加熱沖裁設備復雜，此零件加工只采用斜刃刃口和階梯沖裁方式降低沖裁力。

3.1 斜刃刃口

普通沖裁模具在設計是都要求刃口同時接觸坯料，加工過程中每個點都完成沖裁都是同步進行的。但在板料較厚且沖裁力過大時，可將凸模或凹模刃口平面做成宇沖裁軸線形成一定角度。此時加工過程中每個點的沖裁都不是同步進行的，而是隨著刃口的初步切入板料階梯發生的，因此沖裁力就得到大大降低。為保證坯料平整，落料是一般將凹模做成斜刃，沖孔時將凸模做成斜刃。同時由于側向力的原因，對稱布置的斜刃可以避免凹模偏移啃壞刃口。本次設計的模具結合零件特點，由于不是全封閉的沖裁過程，因此采用的刃口刃口呈波浪型。斜刃的沖裁力采用以下近似的公式計算。

F斜=K×L沖孔×t×δb

式中：F斜-斜刃沖裁工序沖裁力（N）；L沖孔-沖孔輪廓長度（mm）；t-料厚（mm）；δb-抗拉強度（630N/mm2）；K-斜刃因數。

根據經驗，當斜刃高度H=t時，K=0.4～0.6；H=2t時，K=0.2～0.4。

由于二工序沖裁力超出設備加工能力84%，而且為保護沖壓設備，選的斜刃高度為兩個料厚（2t）。此時斜刃因數為0.2～0.4，斜刃沖裁力最大約為464噸，遠小于機床加工能力的630噸，此時沖裁力已符合要求。換算波浪型刃口斜刃角度約為3.43°。

3.2 階梯沖裁

在沖孔孔數較多且沖裁力過大時，往往都采用階梯布置凸模的方式來降低沖裁力。這是采用階梯布置的沖裁過程中，最大的沖裁力是在不同時間段出現的，從而降低總體的的沖裁力。同時由于最大沖裁力不是同時出現，沖裁過程中的噪音也得到大大降低。考慮模具壽命和小直徑凸模在沖裁過程中受材料流動擠壓力作用而傾斜繼而折彎，一般都將直徑較小的凸模做的短一些。階梯布置的凸模高度差一般采用以下公式選擇：

t≤3mm時，H=t

t≤3mm時，H=0.5t

式中：t-料厚mm；H-重頭高度差mm。

階梯沖裁型凸模的沖裁力一般為F階梯=1.3F，公式中F為同一高度凸模的沖孔力一直最大值，最后F階梯=1.3×F總/2=0.65F總

根據以上方式可以計算出當凸模高度差H=0.5t=3mm時，階梯沖裁模具的沖裁力為：

F階梯=0.65F總=403噸

403噸沖裁力遠小于現有沖壓設備加工能力的630噸，因此采用階梯沖裁后沖裁力已符合模具設計要求。

4 模具結構設計

根據以上的計算結果，需要在一工序沖裁時采用階梯布置沖頭方式來降低沖裁力，二工序采用波浪線刃口方式來降低沖裁力。設計模具結構如下圖所示，模具采用典型的導柱導套模具上彈性壓料、退料，一工序采用外形定位方式，二工序采用已有的2X￠50孔定位，上、下模座位實型鑄造。

5 結束語

經生產實踐驗證證明，該零件的沖裁工藝方案可行可靠，模具結構合理，加工效率和材料利用率均達到工藝要求，同時模具操作簡便，產品經多次嚴格檢驗均符合圖紙和工藝要求，質量可靠穩定，得到多方滿意的結果。

參考文獻

[1]王孝培.沖壓手冊（第2版）[M].機械工業出版社，2004.

[2]李碩本.沖壓工藝理論與新技術[M].機械工業出版社，2002.