銜鐵成形工藝與級進模設計

杜建霞

（甘肅機電職業技術學院 機械工程學院， 甘肅 天水 741001）

0 引 言

銜鐵是接觸器中重要的零件之一，也是成形難度較大的零件之一，其質量影響接觸器的關鍵參數、電性能和使用壽命。銜鐵形狀如圖1所示，之前采用多副模具分步沖壓成形，第1副模具為復合模，沖內孔、翻孔底孔、成形外形；第2副模具對中間圓孔翻孔；第3副模具對翻孔部分整形，即冷擠壓。這種成形工藝導致零件生產成本高，適合新產品研發初期試制和小批量生產。隨著產量的增大，設計了自動送料、自動沖壓的級進模，該模具在生產中存在送料不穩定、銜鐵無法滿足圖紙尺寸精度、表面粗糙度等要求。針對存在的問題及零件批量生產的需要，對銜鐵成形工藝及級進模排樣方案進行了改進設計。

圖1 銜 鐵

1 銜鐵工藝性分析

銜鐵材料為電工純鐵DT4，材料硬度低，塑性與韌性都較好，易擠壓成形。銜鐵形狀、尺寸、精度等要求如圖1所示。銜鐵上、下兩大面為磁系統中的吸合面，不僅平面度、平行度要求高，且外形、內孔要求無毛刺，基本無塌角。銜鐵中間高2.0 mm、外徑φ17.8 mm、內徑φ13.8 mm的圓孔部位是成形的難點，該圓孔部分雖類似于普通翻孔，但成形要求比普通翻孔高。普通翻孔如圖2所示，翻孔豎邊口部壁厚變薄嚴重，翻孔外壁存在較大錐度，翻孔口部和根部有較大圓角，翻孔端面有撕裂、毛刺等。而該銜鐵中間圓孔部分成形要求如圖3所示，孔壁厚度不小于料厚，且孔壁部分無錐度，翻孔的口部不能有圓角，翻孔根部最大圓角為R0.2 mm，要求翻孔端面光滑，且翻孔端面與銜鐵底面有平行度要求，翻孔內徑φ13.8 mm為過渡配合孔，且該孔兩端都為裝配入口端，尺寸精度和表面粗糙度要求較高。

圖2 未整形的普通翻孔

圖3 整形后的銜鐵翻孔部分

2 原銜鐵排樣方案及成形工藝驗證分析

原銜鐵排樣方案如圖4所示，先在材料寬度兩邊沖雙排導正孔、翻孔底孔，再雙排導正、翻孔、整形，然后沖4×φ2.2 mm孔、粗切外形、精切外形、壓毛刺、校平，最后切邊、出件。中間圓孔部位采用翻孔后整形工藝，經過3次整形，4×φ2.2 mm孔在中間圓孔部位就近工位沖裁，減少誤差累積，保證4×φ2.2 mm孔與中間圓孔的位置尺寸精度。銜鐵上、下兩大面平面度、平行度要求高，且外形棱邊要求無毛刺，基本無塌角，所以外形部分采用粗切邊后再精切邊工藝，同時增加壓毛刺、校平工位。整個零件外形采用切邊方式，最后從模具上方氣吹出件，零件毛邊一致，兩大面平面度比較好。

翻孔、整形各工位主要工藝尺寸如圖4所示，因翻孔后孔壁變薄，翻孔凹模、第一次和第二次整形凹模與翻孔外徑之間的間隙較大，翻孔外徑尺寸是自然變形所得，其外徑大小隨翻孔高度變化而變化，整個工藝尺寸按翻孔高度變化設計。翻孔底孔尺寸忽略整形時材料的輕微變化，按照整形前后體積不變原則預先確定，最后按實際尺寸輕微調整。

從理論上分析，該排樣設計緊湊、合理，能滿足零件尺寸及成形要求，但經沖壓生產驗證，存在以下問題：①中間圓孔內壁局部有類似環形的凹槽；②中間圓孔局部有拉傷痕跡、導正孔有拉傷、輕微變形；③4×φ2.2 mm圓孔、外形與中間圓孔的位置有偏移，尺寸超差；④料帶送料不穩定，有被拉扯情況。經過檢查、分析及驗證，出現上述問題的原因可能有以下2點。

（1）由于中間圓孔部位翻孔后口部和根部存在較大圓角，孔壁厚度明顯小于料厚，翻孔外壁存在較大錐度，翻孔后整形時，翻孔部分材料受到擠壓而流動，翻孔高度由高變低，孔壁厚度由薄變厚，翻孔壁、翻孔端部部分材料流到翻孔口部，填充口部圓角，翻孔根部圓角部位材料又流到翻孔壁及其它位置，消除根部圓角。在這一變形過程中，翻孔部位材料變形量、變形程度不同，材料流動不均，流動所受阻力不同，其中翻孔外圓因切向變形更大，存在較大錐度，而內孔切向變形較小，基本無錐度，所以內孔壁摩擦面大，所受摩擦阻力大，孔壁部分材料在流動變形過程中產生褶皺，導致圓孔內壁出現凹槽。

（2）翻孔部位在整形過程中，由于受到擠壓，翻孔端部、根部材料向翻孔壁、口部圓角處流動，引起翻孔周圍材料也出現一定的流動變化，導致包括導正孔在內的相關形、孔位置發生變動，各形、孔與中間圓孔的位置尺寸增大。這種材料流動導致的尺寸變化雖然較小，但因為多工位步距誤差累積，在送料導正時，料帶被拉扯而向后移動，最終導致整形后中間圓孔壁和導正孔壁出現拉傷、輕微變形，4×φ2.2 mm圓孔、外形與中間圓孔的位置偏向一側，尺寸超差。

針對上述問題，增加整形工位卸料板的彈壓力，同時增加翻孔后整形次數，由起初的3次整形變為5次整形，以減小每工位整形時材料的變形量，避免材料向翻孔周圍流動，同時盡可能減小孔內壁的褶皺。經試模驗證，增加整形工位壓力及整形次數并不能阻止材料向四周流動，也不能消除孔內壁凹槽、刮傷等問題。

3 銜鐵排樣方案及成形工藝的改進

根據原排樣方案及成形工藝存在的問題、原因分析及驗證總結，對排樣方案及成形工藝進行了以下改進。

（1）導正孔和導正方式的改進。根據沖壓成形特點，先后設置了2組導正孔，采用2種不同的導正方式。在翻孔、整形階段，因材料從翻孔部位向四周流動導致導正孔位置偏移，無法精確導正，所以在此階段采用間隙較大的粗導正方式，保證料帶按設計步距順利送料，待中間翻孔部位整形完成后的各工位成形時不再出現類似的材料流動，再沖切1組導正孔對料帶進行精確導正，成形除中間翻孔部位以外的形狀（包括外形）、4×φ2.2 mm孔等，保證外形、4×φ2.2 mm圓孔與中間圓孔的位置尺寸。

（2）中間圓孔部位成形工藝的改進。改進前中間圓孔部位是通過翻孔后多次整形方式成形，因整形時材料流動不可避免，造成其它形、孔及其位置的變化始終存在，基于此，在翻孔整形后采用精密沖裁方式，一方面糾正因整形時材料流動造成的孔及其位置的偏差，另一方面消除整形時孔內壁凹槽、拉傷等缺陷，同時精沖后再進行2次整形，消除沖切時可能出現的微小毛刺，保證翻孔口部無圓角，進一步降低孔內壁粗糙度值及提高尺寸精度。

考慮銜鐵材料易于擠壓成形的特點，經過整形前后尺寸的測算對比，考慮整形后增加精沖工序，翻孔后只進行了一次回壓整形。精沖時，單邊沖切量小，不超過0.2 mm，所以此處無毛刺或毛刺高度低。中間圓孔部位因翻孔高度較小，仍采用翻孔后整形工藝，無需采用拉深、沖底孔、再翻孔、整形工藝。

改進后的排樣如圖5所示，先在料帶中間沖初始導正孔，對料帶整形前各工位粗導正，再依次沖翻孔底孔、翻孔、回壓整形、精密沖孔、整形，之后在材料寬度兩邊再沖1對導正孔，對料帶精確導正，沖4×φ2.2 mm孔、粗切外形、精切外形、壓毛邊、校平，最后從模具上方氣吹出件。第⑨工位粗切邊因切邊與導正孔間距較小，為避免導正孔變形選擇先粗切邊再沖導正孔。因翻孔后整形時材料流動導致導正孔位置發生了變化，為了順利送料，初始導正孔只是粗略導正，導正間隙比較大，精沖、整形后料帶基本穩定，此時沖壓寬度兩邊的導正孔才是精確導正。

翻孔、整形、精切各工位主要工藝尺寸如圖5所示，翻孔底孔尺寸確定和改進前一樣，按照整形前后體積不變原則預先確定，其中應考慮精沖切除材料，最后按實際尺寸調整。

4 主要工位的模具結構

翻孔、擠壓、精沖、整形各主要工位的模具結構如圖6所示，擠壓、精沖、整形后，首先擠壓托板8、精沖托板4、整形托板26在氮氣彈簧、彈簧的作用下向上浮起，使料帶脫離相應的凹模鑲件，隨后在擠壓整形浮料銷27的作用下，料帶脫離凹模鑲件各托板，在浮料銷14的作用下浮升到安全高度，保證送料順暢。在料帶托起過程中，浮料銷14、擠壓整形浮料銷27及各個托板同時作用，只是浮起的高度不同。

圖6 主要工位模具結構

T形鎖扣一側呈T形，靠T形固定在凹模板上，另一側通過不同高度的臺階對凹模鑲件固定板、托板分別起定位、限位作用。

為便于調整高度，擠壓鑲件5、6設計為分體結構，在實際使用中可以根據其強度、易損程度設計成整體結構，如整形鑲件28。

擠壓整形浮料銷設置在擠壓、整形工位，使料帶從擠壓、整形托板上脫離。擠壓、整形工位變形大，卸料力大，需使用氮氣彈簧，通過凹模鑲件托板把料帶從凹模鑲件上脫離。在卸料力最大處通過托板卸料，卸料平穩，避免了料帶變形。

5 模具設計注意事項

在進行模具設計時需注意以下事項。

（1）翻孔后整形時，翻孔部位材料變形量較大，成形中間圓孔對應鑲件所受包緊力大，一方面，在生產中容易損壞零件，設計選材時還要考慮抗拉、抗壓強度高，韌性、耐磨性、紅硬性等綜合性能；另一方面，普通彈簧無法順利卸料，為保證料帶安全脫離并浮起，需選用彈力大的氮氣彈簧；此外，因對應的變形力大，卸料板易發生變形，導致凸模斷裂，所以在整形工位的卸料板上需安裝氮氣彈簧，保證上下彈壓力平衡，避免卸料板變形和凸模斷裂。

（2）整形后精沖時，為降低圓孔內壁表面粗糙度值，減少精沖凸模的磨損，需對精沖凸模進行潤滑冷卻，具體可在卸料板上設計油槽、油孔，通過油閥控制給油量。

（3）翻孔后整形引起材料向四周流動量較小，孔距、步距變化較小，預測在0.01 mm左右，最大不超過0.015 mm，孔內壁凹槽深度較淺，預測在0.1 mm以內，所以精密沖切量不宜過大，選擇單邊0.2 mm左右。

（4）應保證翻孔底孔的粗糙度值小、毛刺小，否則翻孔撕口破裂較嚴重，影響后序整形效果。

6 結束語

銜鐵排樣方案及成形工藝的改進、模具設計注意事項通過實踐驗證、分析、總結，具有一定的創新性，原排樣方案雖然存在一些不足，但通過對出現的各種問題及原因進行分析說明，對類似零件的模具設計具有一定的啟發和引導作用。改進后的排樣方案及成形工藝已應用在模具生產中，模具使用穩定良好，有一定的推廣價值。