沖壓模具在金屬材料機械設備零件制造中應用研究

張 揚

（福建技師學院，福建 福州 350101）

沖壓是模具行業當中最普遍的一種加工方法，若能夠使這種加工方法發揮出更加精準的功效，則會對相關的制造企業帶來更大的收益[1]。隨著工業生產技術的不斷革新，在機械制造行業中的生產技術和相關生產設備也在不斷地更新、換代，沖壓模具的工作原理主要是通過壓力實現對金屬材料機械設備零件的加工和制造，與其它制造方法相比，沖壓模具能夠有效提高金屬材料機械設備零件表面的光潔度、更精準的完成與工件之間的配合，并且隨著沖壓模具的產生，企業機械生產和加工技術也得到了相應的改進。對此，本文基于沖壓模具提出一種新的金屬材料機械設備零件制造方法。

1 基于沖壓模具的金屬材料機械設備零件制造方法設計

1.1 基于沖壓模具的工作部件選型

在金屬材料機械設備零件制造過程中，最關鍵的一部是工作部件的選型。金屬材料機械設備的板料成型主要是通過其內部的表面金屬材料的延展以及壓料面中的材料補充而形成[1]。

本文基于沖壓模具對工作部件進行選型，首先要選取合適的流動阻力用于控制零件板料，從而保證制造出的零件可以得到均勻的形變。并保證板料在形變過程中不發生開裂問題。同時在特殊的高溫沖壓成形過程中，工作部件應當具備更高的流動性能，避免制造過程中產生回彈問題[2]。因此，在選擇基于沖壓模具的工作部件選型時主要需要選擇如何能夠降低工作部件的流動阻力以及保證其與金屬材料機械設備零件之間的良好接觸，從而達到更好的冷卻效果。因此在選型過程中應將沖壓模具的凹凸模間隙、凹凸模圓角半徑等充分考慮其中。

沖壓模具的凹凸模間隙會直接影響金屬材料機械設備零件與沖壓模具之間的接觸程度，凹凸模之間的間隙過大或過小都會對制造過程產生負面影響，因此在確定凹凸模的間隙時需要考慮到金屬材料機械設備零件與沖壓模具之間的摩擦力、接觸情況等。

凹凸模圓角半徑是決定能否制造出理想金屬材料機械設備零件的關鍵因素。對于較為規則的設備零件，以U型零件為例。

為了保證零件的增長制造，設備零件內側的彎曲部分的圓角半徑應當盡可能的選用外側圓角較大的半徑。同時工作部件的厚度對于凹凸模圓角的半徑也會產生較大的影響，工作部件金屬材料越厚，圓角的半徑應該越大。

1.2 金屬材料機械設備零件穩健參數計算

在實際的設備零件生產企業中，由于受到各種因素的影響，導致最終制造的設備零件的精準度得不到控制，為了進一步保證制造的金屬材料機械設備零件穩定性更高，在制造過程中還應當增加對金屬材料機械設備零件穩健參數的計算流程。影響金屬材料機械設備零件穩健性的參數主要包括金屬材料的屈服強度、各項異性指標、摩擦力、沖壓模具厚度等。

本文在設計制造方法時將以上參數的可變動范圍設置如表1所示。

表1 影響設備零件穩健性參數變量變動范圍表

針對上述影響設備零件穩健性參數變量，本文為了更加方便確定零件穩健參數，提出如下公式用于表達設備零件穩健性：

公式中，P表示為金屬材料機械設備零件穩健性參數，ω表示為某一參數變量的均值；μ表示為某一參數變量的標準差；A表示為涉及的相關參數變量；Ax和Ay分別表示涉及的相關參數變量的上限和下限；q表示為期望值。利用上述表達式計算出被制造的金屬材料機械設備零件的穩健性，從而根據計算結果找出影響設備零件穩健性的具體參數變量。

1.3 零件制造補償環節

利用上文公式計算出的影響金屬材料機械設備零件的參數變量后，為了進一步保證設備零件的可靠性和穩定性，還需要根據計算結果對制造出的零件進行相應的補償。以沖壓模具的厚度補償為例，對于沖壓模具厚度的補償可以通過計算厚度變化的補償網格節點信息實現，具體的實現流程為：首先將制造成型的金屬材料機械設備零件厚度導入；讀取其中網格、節點信息等相關參數信息；計算每一個節點上的補償位移；以網格為最小單位，根據網格當中的節點坐標求出對應單位法向量，并計算出對應坐標信息；判斷其是否經過了所有的網格，若不經過則重復上述求解法向量的步驟，若經過則輸出相應的補償后的網格節點信息，其它幾種影響設備零件穩健性參數變量也可通過上述流程完成。

由于在進行屬材料機械設備零件制造過程中，沖壓模具和制造工作臺會受到較大的載荷，因此極易造成模具與工作臺的變形，從而影響金屬材料機械設備零件在制作過程中與模具之間的接觸不貼合，因此還需要對沖壓模具和工作臺的變形情況進行相應的補償。首先對沖壓模具和工作臺的變形原因進行分析，并建立沖壓模具與工作臺之間的三維網格劃分以對應的載荷映射關系，從而得到沖壓模具及工作臺詳細的變形結果。再將變形結果導入到變形網格當中，并借助相應的網格分析方法得到最終沖壓模具與工作臺的形變量，并將其用于對實際設備零件的變形參考。利用變形參考體對其形變部位進行對應的補償，補償后獲得的型面即為承壓模具與工作臺的補償面，根據相應的參數信息對其進行補償。

1.4 零件制造冷卻環節

在完成相應的補償工作后，為了保證金屬材料機械設備零件不再發生二次變形，需要立即將零件的溫度降低，因此，零件制造的冷卻環節是至關重要的。

冷卻環節中可分為兩種對零件冷卻的方法，一種是利用高壓氣體，將其噴射在溫度較高的零件表面對其進行冷卻。另一種方法是在承壓模具中增加冷卻回路裝置，通過溫度較低的介質在回路當中不斷流動減少零件的熱量，從而降低零件溫度。根據實際的制造過程分析得出，第二種方法更適用于金屬材料機械設備零件在制造中對零件的冷卻。

在承壓模具中增加冷卻回路裝置首先要根據實際制造的證金屬材料機械設備零件形狀，將回路設計成對應的規格，通過管道的彎曲連接形成冷卻回路。這種管道彎曲的組裝方式可以使冷卻回路根據零件的規格進行隨意的變換，同時對于零件本身而言也會使其冷卻更加均勻，保證低溫度介質的順暢流通。

彎曲管道的位置及尺寸的設定需要根據實際的零件構造以及沖壓模具決定，在對其進行設定的過程中應當注意彎曲管道與零件之間的距離，在滿足具體強度的要求下盡可能的縮短二者之間的距離。

其原因在于，在沖壓模具工作過程中，彎曲的管道會受到制造過程產生的沖擊力和擠壓力，影響最終的制造效果，因此彎曲管道的最小橫截面積應當保證大于零件允許的臨界面積。

彎曲管道所能承受的金屬材料機械設備零件的最低強度應當設定在管道最小的橫截面積上，在冷卻的過程中，受到低溫度介質的影響，管道的強度會降低。為了式彎曲管道能夠承受住金屬材料機械設備零件的熱量影響，彎曲管道的安全系數取值應當保證盡可能高于冷卻后的金屬材料機械設備零件。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準備

選取某制造企業中的金屬材料機械設備零件設計圖進行實驗，分別利用兩種制造方法制造出該零件50個。為了保證對比實驗的客觀性，在選擇金屬材料時，應盡可能的選擇同一批號、同一規格的金屬材料，并且除制造方法不同外，其它影響金屬材料機械設備零件穩健性的參數變量均保持一致，完成對比實驗。

2.2 實驗結果及分析

通過上述實驗準備完成對比實驗，并將兩種方法在制造過程中的相關參數信息進行記錄，例如零件生產時間、零件生產速度、零件生產數量等參數，并計算出兩種制造方法的生產效率，繪制成如圖1所示的對比曲線圖。

圖1 兩種制造方法實驗結果對比曲線

從圖1中的數據可以看出，本文制造方法的生產效率明顯高于傳統制造方法的生產效率，并且，本文制造方法的生產效率呈持續上升趨勢，在完成50個零件的制造時生產效率趨近于100%，而傳統制造方法隨著零件的增加，生產效率逐漸降低。

因此，通過對比實驗進一步證明，本文制造方法不僅可以有效提高零件的穩健性，同時還可以有效提高制造企業的生產效率，增加企業的經濟效益。

3 結語

本文根據傳統金屬材料機械設備零件制造方法中受到多種因素的影響，導致零件質量問題產生的現狀，提出一種基于沖壓模具的金屬材料機械設備零件制造方法，并通過對比實驗進一步驗證該方法能夠有效提高制造企業的生產效率。

在今后生產制造企業在對工藝零件進行生產的過程中應當擴大對沖壓模具的應用范圍，從而使其提高更多機械設備零件的質量和生產效率，從而為企業的發展提供良好的幫助。