不銹鋼方形吊環模具設計

王修濤 劉國強 李 強 翟 茜

（山東省機械設計研究院，濟南 250031）

沖壓工藝是指模具在沖床或壓力機的沖擊作用下，經過一個或者多個工序完成復雜形狀零件的加工。經沖壓工藝加工完成的零件，不僅精度較高，還能保證零件尺寸的一致性和互換性。沖壓模具在現代工業、農業和日用生活用品等各個領域都得到了廣泛應用。彎曲成形是沖壓工藝的一種方式，可將坯料彎曲成所需形狀。彎曲成形的材料有型材、管材、板材和棒材等[1-5]。

1 零件結構與成形工藝分析

1.1 零件結構

不銹鋼方形吊環零件如圖1所示，由不銹鋼材料通過彎曲成形而成。材料型號為316L，產品屬于工業應用范圍，可用來吊裝支撐工件。材料厚度尺寸有兩種規格，分別為4 mm和3 mm，零件寬度為35 mm。彎曲成形后，要求零件內腔尺寸公差為0～0.2 mm，平面平整且變形小。材料疊加部分焊接固定，每年需求量約2萬件。

1.2 零件成形工藝分析及沖壓方案的確定

通過對零件的分析，零件材料選擇316L不銹鋼，高度為140 mm，寬度為35 mm，內腔長度為450+0.2mm，寬度為150+0.2mm，公差為一般公差，料厚有4 mm和3 mm兩種規格。零件要求整體平整、變形小，產品年需求量約1萬件，生產批量較小。經分析確定，該零件沖壓方案將零件分兩個工序加工，如圖2所示。第一個工序為壓U形彎。在加工兩種不同厚度的材料時，通過更換凹模的方式保證工件外形尺寸要求。第二個工序為成形方形腔。在加工兩種不同厚度的材料時，第二個工序通過更換鑲件的方式加工不同厚度的零件。成形方形腔工序中，通過改變型芯、上模和彈料板的形狀減小材料的回彈。為了提高生產效率，每個工序可同時加工3件零件。

2 模具結構設計

根據零件的結構特點和模具加工工藝方案，零件利用兩套模具完成，分別為U形彎彎曲模具和方形腔彎曲模具。U形彎彎曲模具針對不同厚度的材料配備一組更換凹模。方形腔彎曲模具凹模上設有鑲塊，加工不同厚度的材料時需更換鑲塊。下面是對模具結構設計的詳細描述。

2.1 U形彎模具結構設計

U形彎模具結構采用后側導向方式，如圖3所示。設計U形彎凸模、凹模方案時，根據零件內腔尺寸，U形彎凸模工作端寬度為15 mm，長度為150 mm。為了增加凸模強度，凸模固定端尺寸加大為25 mm，同時增大與墊板的接觸面，工作端圓角半徑為0.5 mm。凸模的尺寸是保證零件內腔尺寸。不同厚度的材料，內腔尺寸一樣，所以凸模不用更換。凹模上面設置兩個定位，以保證板材加工過程中不出現偏斜。凹模尺寸是保證零件腔體外部尺寸，根據材料厚度尺寸的不同，更換相應尺寸參數的凹模。材料厚度為4 mm時，使用凹模腔寬度為23 mm，如圖4（a）所示。材料厚度為3mm時，使用凹模腔寬度為21 mm，如圖4（b）所示。

圖1 產品零件圖

圖3 U形彎模具結構

2.2 成形方形腔模具結構設計

2.2.1 成形方形腔上模設計

成形方形腔上模和上模板連接，如圖5所示。上模采用開口腔方式，參與成形零件方形腔上部，一側和零件形狀重合，另一側和下模配合，配合間隙為0.05 mm，保證上模和下模的相對位置不偏移。針對不同厚度材料的產品，上模尺寸不變。

圖4 U形彎模具凹模示意圖

圖5 成形方形腔模具結構

2.2.2 成形方形腔下模設計

成形方形腔下模采用下模加鑲塊的組合方式，如圖6所示。下模板開設固定槽。下模固定在下模板固定槽內，防止下模受力偏移。針對不同厚度材料，下模鑲塊需加工不同尺寸。通過更換鑲塊滿足方形腔外形尺寸。材料厚度為4 mm時，使用凹模腔寬度為53 mm，如圖6（a）所示。材料厚度為3 mm時，使用凹模腔寬度為51 mm，如圖6（b）所示。下模右側加擋塊，作用是加固下模，同時對加工零件起到支撐作用。型芯外形尺寸和零件方形腔尺寸一致，圓角尺寸為半徑0.5 mm，型芯長度尺寸大于下模長度尺寸70 mm，長出部分均勻置于凹模兩側，和限位板間隙為1 mm。限位板通過螺栓固定在下模上，工作過程中限制型芯寬度方向移動距離。

圖6 成形方形腔凹模結構

2.2.3 成形方形腔彈料設計

彈料板置于下模腔內，高度尺寸和成形下模腔高度差為工件方形腔寬度尺寸的一半（7.5 mm）。彈料板起到彈料的作用，同時參與成形。螺紋孔采用盲孔，避免成形時零件出現壓痕。為了減小對模具強度的影響，彈性元件設置在下模板下方，通過螺桿控制彈料板的運動。

2.2.4 減小零件彎曲回彈的設計

回彈是板材彎曲成形的常見現象。彎曲件回彈使其彎曲半徑發生變化，難以與構件形狀要求相一致，會影響板材的彎曲質量。為了解決彎曲回彈問題，主要是在模具加工方面采取相應的措施，也可以改變模具模芯運動行程，通過過量彎曲使得回彈后的零件形狀達到零件的精度要求[6-7]。

針對不銹鋼方形吊環的尺寸公差要求，為避免材料回彈對產品的影響，在成形方形腔時，改進退料板和型芯的形狀結構，采用改變模具模芯運動行程補償法克服回彈。退料板位于零件下面，在退料板和零件接觸面采用凸起圓弧的方法。圓弧高于退料板1 mm，如圖7（a）所示。型芯位于零件形腔內部，上下面采用凹圓弧，圓弧低于型芯表面1.3 mm，如圖7（b）所示。

圖7 模芯結構

3 模具工作過程

通過對零件的工藝分析可知，該零件共分兩個工序完成。第一個工序彎曲U形彎，一次可以將3個板材放入模具同時加工。凹模一側設有定位板，板材靠近定位板彎曲成形。針對不同厚度的板材，可以更換相應的凹模。第二個工序成形方形腔，把型芯放入第一工序加工完的U形件中，3個工件同時放入，然后置入下模腔卸料板上。由于型芯長度方向大于下模長度，長出部分均勻位于下模兩側，寬度方向靠近限位板內側。沖壓成形后，將零件和型芯同時取出。由于材料回彈，可以將型芯單獨取出。由于材料回彈，工件加工完成后會出現開口的形狀。焊接時需要通過夾具夾持工件焊接。焊機完成后得到的最終產品，如圖8所示。

圖8 產品圖

針對不銹鋼材料的特性和零件的工藝分析，通過在模具結構上更換組件和活動鑲塊的方法，可以實現兩種厚度尺寸的零件加工。模具結構簡單，加工容易實現，減少了成本投入，可滿足產品的使用需求。此外，多件同時加工，提高了生產效率。

4 結語

本文主要從投入成本少、模具結構合理、操作簡單以及實用性等方面考慮，采用所述模具結構具有較好的實用價值。在使用過程中，模具結構可以進一步改進，如增加退料裝置，提高生產效率。