斜楔沖孔模結構優化及強度分析

孫 理，董瀚文

（一汽解放汽車有限公司，吉林長春 130011）

1 引言

傳統的斜楔模具結構中，部分制件由于斜楔沖孔結構的限制，以及沖壓件的尺寸限制，無法實現制件翼面左、右兩孔一次沖完，一般在一序上分兩次沖孔。但這種結構生產時廢料是否堵塞不便于查看，導致廢料是否堵塞這信息不清楚；凹模左右部分的結構受到單側的側向力，導致模具結構強度低，引發凹模鑲塊容易破碎的問題。本文就一種斜楔的模具結構的優化過程和強度分析進行了闡述。

2 制件介紹

制件長、寬、高輪廓為70×56×80mm，材料牌號為st12，料厚1.5mm，如圖1所示。

該制件左右兩側的大孔直徑為φ31mm，且兩孔的裝配結構需要穿過一根直徑φ30mm的圓管，最后形成焊接總成，因此兩孔對同軸度有要求。如果兩孔在落料沖孔工序中加工，成形后孔的位置度和同軸度難以滿足后續工藝需求，為保證制件質量，該制件的沖壓工藝設計為落料沖孔-成形-斜楔沖孔。

圖1 產品圖

3 模具方案設計

根據工藝與沖裁力及模具尺寸預估，結合生產車間的設備資源，該工序使用設備為400t單點機械壓力機。第一次設計模具結構如圖2所示，模具主要由上下底板、壓料板、左右斜楔、凹模鑲塊、凸模等零件組成。

圖2 模具的正視截面圖

模具尺寸900×760×525mm，左右兩側的圓孔分2次在同一工序中加工。凹模結構為傳統的整體式結構，在上模向下運動的過程中，凹模對應的上模中部有擋塊，用以平衡左右兩側的受力。凹模鑲塊內部有廢料斷屑器，將廢料滑落方向由水平方向改為垂直落下，如圖3所示。

圖3 原凹模的正視截面圖與軸視圖

4 故障分析

沖壓件在模具投產進入小批量階段后，生產總量達到4,000件左右時，凹模鑲塊破碎，導致模具無法正常使用。經過分析，鑲塊破碎原因有：①鑲塊結構中間沒有窺視孔，廢料是否堵塞難以察覺；②雖然上模中部有檔塊，但凹模左右部分受力沒有完全抵消，導致凹模強度不足；③廢料在潤滑油的粘接下，不容易分離，廢料扣接粘連，堵塞在廢料孔中。在沖擊載荷的作用下，凹模鑲塊破碎，如圖4所示。

圖4 破碎的凹模實物

5 解決措施

針對鑲塊破碎的可能原因，制定以下措施：①凹模鑲塊結構中部左右側增加窺視孔，隨時查看廢料是否堵塞；②鑲塊前后增加環形結構，使得鑲塊在沖壓時左右側平衡抵消鑲塊的受力；③廢料盒中增加左右格擋，能確定哪側廢料堵塞；④減少前工序的拉延油的涂抹次數，在工藝文件中規定適當的定額。改進后的方案利用現有模具，不改變原有模具尺寸，只需更換模具的凹模鑲塊即可，如圖5、圖6所示。目前該模具已投入使用1年8個月，月均產600件以上，鑲塊運行平穩，改進后的方案驗證有效。

6 模具結構強度分析

沖壓模具的設計主要依靠行業的標準或規范，以及設計者的經驗。對于設計效果的分析驗證，在生產前期難以精確獲得模具的變形和受力情況[1]，往往通過實物效果來驗證，而CAE為這難題提供了工具。

根據計算模具的沖裁力和壓料力，模具鑲塊兩側承受的載荷為53,043N。對模具結構的強度進行數值分析，根據模擬分析結果顯示，改進前的載荷集中在沖孔附近，改進后的載荷較為均勻分散，且沖孔附近的載荷低于改進前，如圖7、圖8所示；在載荷的作用下改進前的鑲塊的最大變形量為0.0252mm，改進后鑲塊的最大變形量為0.00827mm，變形量降低67.1%。改進后的結構載荷承載分布與抵抗變形的能力均優于初始設計，綜合實際運用效果，證明改進有效。

圖5 改進后凹模的正視截面圖與軸視圖

圖6 改進后凹模實物圖

圖7 改進前的凹模鑲塊應力與應變云圖

圖8 改進后凹模鑲塊的應力與應變云圖

7 結論

（1）改進后的環形鑲塊結構由于能平衡左右兩側的受力，提升鑲塊的強度，對生產保障、降低備件維修費用等方面均有積極意義，已推廣應用。

（2）有限元分析這一工具可以對模具結構進行優化和設計指導，運用于沖壓件的生產流程，可以提高生產的質量與效率。