基于304不銹鋼材質線性打扣機成型模具的設計

李寧，劉淇

1.許昌技術經濟學校 河南長葛 461500

2.新鄉學院機電工程學院 河南新鄉 453000

1 序言

線性打扣機又稱四合扣機。利用兩個及兩個以上的機械設備動力裝置和相應模具、工裝把線性金屬材料彎折成機械成品的成套設備統稱為線性打扣機。該設備廣泛應用于生產方、圓、六角和橢圓等線性金屬材料的各種平面扣類，如彎扣、S扣、窗簾扣、登山扣、D型扣、日字扣和各式掛鉤等形狀產品，具有操作方便、價格低廉、生產高效且質量可靠等顯著優點[1]。目前市面常見線性打扣機主要加工普通碳素結構鋼、低合金結構鋼、鋼筋鋼、螺紋鋼以及有色金屬線材，但是對于像304不銹鋼等這樣的特殊性能鋼，用市面上常見的線性打扣機加工則顯得不盡如人意，加工出來的產品存在著彎折角度不準、形狀回彈變形等問題，產品表面出現拉傷、壓扁和裂紋等現象，無法滿足客戶需求。

本文結合具體案例進行介紹，通過對線性打扣機成型模具設計的優化和改進，完成了對304不銹鋼類特殊性能材質的自動化打扣加工，并應用到企業生產中，提高了零件質量，減少了操作人員，具有很好的推廣價值。線性打扣機生產出來的手扣產品如圖1所示。

圖1 線性打扣機生產出來的手扣產品

2 扣形產品介紹

（1）產品簡介 某型號戶外斷路器外殼應客戶要求，采用耐酸、耐氧化、耐腐蝕性能較好且具有較高強度和硬度的304不銹鋼材質，斷路器外殼配件均要求為同一材質。某型號斷路器不銹鋼手扣如圖2所示，該手扣毛坯材料采用304不銹鋼圓鋼，直徑為8mm，這是一種很常見的不銹鋼，業內也叫做18/8不銹鋼，因其具有較好的抗腐蝕性能且價格相對便宜，所以廣泛地用于制作綜合性能（耐腐蝕和成型性）要求較高的設備和機件[2]。

圖2 用在電氣設備上的手扣

（2）客戶對手扣產品的質量要求 該手扣產品客戶要求拉壓強度足夠，單邊手扣能承重40kg以上，且受力無塑性和明顯彈性變形，外觀鏡面，無裂紋、劃痕、壓傷及拉傷痕跡，經過查詢機械設計手冊和企業實踐論證，經客戶同意，建議采用304不銹鋼材質。

（3）常用加工方式 該手扣設計工藝圖樣如圖3所示[3]，毛坯材料采用φ8mm的304材質圓鋼，采用市面上常見的普通打扣機設備，屢次出現質量問題，多次收到客戶投訴，不得已只能采用傳統加工工藝。傳統加工工藝分為5道工序，分別是：定尺→截斷→人工與模具配合折彎（4次）→去除應力→校驗，利用定制工裝夾具和電動彎折設備，輔助手工完成加工，單件產品生產總工時約為5min，企業需要安排定尺截斷、彎折、去除應力和校驗4個人工崗位。

圖3 手扣產品設計

3 線性打扣機成型模具的設計

這種手工彎折打扣的生產方式很顯然不能適應現代化企業自動化、智能化生產的需求，必須進行自動化升級改造，在保證產品質量的前提下，必須大幅提升生產過程的自動化程度，降低人工成本，提高生產效率。借助市面上普通打扣機設備無法保證質量，經過技術人員攻關，在普通打扣機設備的基礎上對折彎模具進行優化設計，解決了質量不穩定的技術難題。

（1）設計思路 通過設計一套自動化模具工裝，可以把原來手工打扣的5個工序的工藝流程簡化成一步完成。利用牽引輪拖動不銹鋼圓鋼，經過調直筒調直后前行，到設計長度尺寸后，觸發傳感器產生電信號，通過PLC控制截斷刀具運動，截斷刀具精準截切適量長度的圓鋼后，截斷刀具再次觸發傳感器，電信號通過PLC控制上模的液壓缸來控制電路，然后由上模（或稱上刀）向下壓截切后的圓鋼（一般情況是把截切刀具焊接在上模邊側，上模在向下運動時便完成截切），中間設置模芯支撐下壓的圓鋼，完成U字形結構，然后左右各布置一個支頂模塊，把U形圓鋼的兩腳分別向左右頂，最后再布置一個向上運動的下模頂塊，與上模、側模一起把圓鋼壓成設計形狀。

與手動彎折打扣相比，由原來的5道工序簡化成1道工序，加工時間也由原來的5min縮短到0.5min，并且幾乎不需要設置專門的人工崗位。這個思路集中了工序，大大降低了加工時間和人工成本，優勢顯而易見。

（2）設計的打扣機成套模具 新設計的打扣機成套模具組成如圖4所示，線性打扣機成型模具共分10個部分，模具動作順序為上模塊先向下壓圓鋼，然后左、右模具頂塊分別向左、向右頂圓鋼兩端，最后下模塊向上頂圓鋼，確保成型。試制的打扣機成型設備實物如圖5所示。

圖4 成套模具組成示意

圖5 打扣機成型設備實物

4 成型模具設計的技術難點

（1）優化模具結構角度，解決產品彎折回彈問題 304不銹鋼材料在彎曲過程中，塑性變形和彈性變形同時存在。在彎曲結束時，因彈性變形的恢復而產生形狀回彈，如圖6所示。回彈現象直接影響工件的尺寸和形狀精度，必須加以控制。對此采取的工藝措施為角度補償法，本案例中工件折彎角度為90°，打扣機成型模具的模芯與上模相配合的彎角必須＜90°[3]，具體角度值與彎折溫度、毛坯尺寸等多種因素有關，機械設計手冊中并沒有一個可以參考的經驗值。課題組經過多次試驗，最終確定：針對304不銹鋼材質該直徑和長度的工件，上模刀具角度設計為88°，模芯的過渡角確定為87°，可以滿足設計需求。上模形狀簡圖如圖7所示，模芯形狀簡圖如圖8所示。

圖6 彎折時的回彈現象

圖7 上模形狀簡圖

圖8 模芯形狀簡圖

除了角度補償法解決彎折過程中的回彈問題，本案例中還利用了增加加壓時長校正法來進一步解決304材質的回彈問題。在彎曲終了時進行加壓校正，延長打扣機上模、模芯、側模、下模與工件的接觸時間，以增加毛坯各彎折圓角處的塑性變形程度，使拉壓區纖維的回彈趨勢互相抵制，從而減少回彈。

（2）改善模具材質、形狀、關鍵部位表面質量等，保障產品表面質量 圓鋼毛坯在彎折過程中，受打扣機上模、模芯和下模強力擠壓作用，在毛坯的表面會出現不同程度壓痕、拉傷或者滑傷。一般碳鋼件表面粗糙度要求不高，輕微的傷痕對其沒有影響，但是對于304不銹鋼材質，要求外觀鏡面，工件表面必須光潔、無裂紋、無劃痕且無拉傷，因此在毛坯彎折過程中必須要設計一定工藝措施予以保護。這是一個技術難點，通常做法有：①根據材料屈服極限設計彎折壓力，模具彎折壓力要大于304材料的屈服極限壓力。②模具各部分要均勻施加壓力，盡量減少彎折過程中的模具對毛坯的沖擊應力。③增大折彎下模芯的寬度，使其成型圓角半徑增大，減少下模對工件的擠壓。④上模刀和模芯之間留一定間隙，減小毛坯與模具的接觸面積。⑤模具各部分材質硬度要遠大于毛坯硬度。⑥上模彎折圓角、模芯的各彎折圓角、左右側模和下模等各處過渡圓弧必須過渡順滑、接觸表面質量高且圓弧度精準。當然也可以通過在上模刀、模芯與毛坯件接觸位置鋪紙隔離來減少產品的質量問題。有較好生產條件者，還可以使用防壓痕墊來提高彎折表面質量。

在本案例中，為了保障彎折后手扣的表面質量，此套模具原材料采用Cr12MoV合金工具鋼，真空淬火，硬度≥60HRC，并且過渡圓角一律采用數控加工中心銑削加工，然后再利用鉗工（牛皮輪）進行拋磨，確保各部分圓弧的光滑度和圓弧度，使各接觸部分順滑。

另外在上模刀具上設置圓鋼定位槽，防止毛坯圓鋼在彎折過程中出現滑動現象，造成表面拉傷、劃傷；設計上模過渡圓角為R16.67mm，要略大于手扣過渡圓角R16mm，盡量減少毛坯和模具的接觸面積。同時稍微大一點的模具彎折圓角還有利于減少在彎折過程中出現應力集中現象，防止出現彎曲裂紋。上模刀具設計如圖9所示。

圖9 上模刀具設計

通過上述針對304不銹鋼特殊材質打扣機模具的優化設計方案，完全克服了304材質在打扣彎折過程中出現的表面裂紋、折疊和拉壓傷等表面質量問題，這是完全區別于普通打扣機的彎折擠壓模具優化設計方案。

5 基于304不銹鋼材質線性打扣機成型模具技術創新點

此套基于304不銹鋼材質線性打扣機成型模具的設計具有如下顯著優點：①對模具中各部分角度進行了優化，增加了順滑的過渡圓弧和光滑的定位槽，避免了毛坯表面的拉壓傷問題。②上模、下模與模芯的角度略小于彎折角度，使打扣彎折過程中，彎折更進一步，有效防止了工件的回彈問題。③模芯上下面增加了凹坑，減少了在彎折過程中上模、下模、模芯和毛坯表面的接觸，減少模具施加壓力時對工件表面的損傷。④在模具動作控制方式上由常規凸輪、連桿機構控制模具升級為PLC＋液壓油站控制，使模具運行壓力更平穩，減少了模具對工件的沖擊應力，使運動更加精準。另外凸輪、連桿驅動控制模具動作機構，關鍵部件凸輪很容易磨損，維修麻煩，成本高，使用壽命短，難以保障控制精度。而利用PLC＋液壓油站控制，壓力平穩，控制精準，故障率也很低，維修簡單，改型升級都很方便[4]。⑤在普通打扣機的基礎上，又增加了自動送料平臺和送料傳輸裝置，完全省去人工上下料。基于304材質的打扣機結構如圖10所示。

圖10 基于304材質的打扣機結構示意

6 結束語

這一款基于304不銹鋼材質設計的線性打扣機成型模具有效解決了企業生產中的技術難題，滿足了客戶需求，生產效率由過去人工打扣5min/個提高到0.5min/個，并且不需要專門設置操作人員看護，大大提高了企業的生產效率。新改善的打扣機設備增加了1個液壓油站、4個液壓缸、若干控制閥、2臺驅動電動機、一個控制柜、一臺小型PLC、若干電線、若干油管和廢舊鋼板等，改造總成本約8500元。自制的這臺不銹鋼打扣機，成本不到市場上普通打扣機的1/3，同時滿足普通常見材質和不銹鋼等特殊材質的彎折操作，拓展了打扣機針對不同性能材質的應用領域。該套設備設計有自動上料系統，節省了人力，達到了“機器換人、設備換芯”企業自動化改造升級的目的，提升了現代企業智能化生產的能力。這一項設計不僅大幅降低了企業生產成本和員工勞動強度，而且還提高了企業產品的質量、安全系數和環境指數，很值得推廣。