冷沖凹模四型腔的夾具設計及數控車床加工

吳錦虹，余伙慶

（1.汕頭職業技術學院，廣東汕頭 515078；2.廣東正誠電氣科技有限公司，廣東汕頭 515041）

0 引言

當前我國廣泛使用冷沖壓模具進行產品生產，冷沖模是一種非常重要的工藝裝備，主要在大批量沖壓件的生產中使用，其質量的好壞尤其是凹模和凸模工作部分精度和尺寸會對沖壓件的質量、生產的穩定性產生直接的影響［1］。同時，為適應大規模生產，往往在冷沖壓模具上采用了異型多型腔的設計。模具傳統切削加工方法依靠鉗工技能保證精度，其加工質量難以保證。

目前，數控車床的使用保證了模具加工精度和質量，同時提高了工作效率。圖1所示為四型腔冷沖模，常用的四型腔模具加工方法有兩種：一是采用通用夾具進行加工，在加工完一個型腔后，重新裝夾和對刀，進行下一個型腔的加工，對于批量生產的模具，不僅效率低下，而且加工精度也難以保證；二是采用專用夾具，通過人工移動工件在專用夾具中的位置來避免重復定位和對刀［2］。由于冷沖模零件針對的產品各異，需要采用專用夾具，本文在解決冷沖模的加工過程中設計了不需要重復裝夾和定位，也不需移動工件“一面兩銷”的數控車床加工專用夾具并編制了加工的通用宏程序，保證了加工精度和效率。

1 零件分析及夾具設計

零件如圖1 所示，是類似于“奇趣蛋”的形狀，使用聚丙烯（PP）片材沖壓成型，制品厚度1 mm。此沖壓模每次備件80 個，每天8 h 連續工作，沖壓速度20 次／min，模具損耗量較大，屬批量生產。

1.1 零件的結構特點

零件結構特點如下。

（1）該零件為方形，外形尺寸94 mm ×94 mm ×36 mm，主視圖外形尺寸mm，公差等級IT10。

（2）主視圖上半橢球孔間的軸線距離為（44 ±0.05）mm，公差等級IT10。裝的工件孔底面限制了工件3 個自由度，兩個銷釘都限制了兩個方向的自由度，其中一個定位銷限制了兩個方向移動，剩下繞垂直圖面軸線的轉動，另外一個定位銷限制了x方向和轉動，出現了x 方向定位矛盾，就會出現安裝過程可能安裝不了的情況，因此采用圓柱銷加削邊銷［4］。

（3）主視圖上4 個沉頭孔距離為（82 ±0.1）mm，公差等級IT11。

（5）剖視圖左端面對零件對稱中心線的垂直度公差為0.015 mm，公差等級IT5。

（6）剖視圖右端面對左端面平行度公差為0.05 mm，公差等級IT8。

（7）剖視圖下端面長度（32 ±0.05）mm，公差等級IT9。

（8）剖視圖右端面有4 個?40 mm ±0.01 mm 的凸臺，公差等級IT7。

（9）剖視圖左右端面以及半橢球孔表面粗糙度為Ra1.6，其余表面Ra6.3。

（10）材料硬度達到HRC62。

1.2 零件工藝分析

零件材料SKD11，是一種使用廣泛的空冷硬化冷作模具鋼。高硬度、高耐磨，共晶碳化物均勻，韌性好、不易開裂，硬度較高，易于切削［3］。

根據零件結構，4 個半橢球孔表面粗糙度要求較高，是加工的重點也是難點，如果用加工中心加工，刀具必須使用成型刀具，且刀具在旋轉過程中，中心速度為零，很難達到高的表面粗糙度要求。而數控車床特別適合用于加工小批量，精度要求高的回轉零件。

因此該零件的加工工藝安排為：毛坯先在車床上加工出定位圓柱，在加工中心上完成除半橢球孔、凸臺及通氣孔之外的加工——在數控車床上完成半橢球孔的粗加工和精加工——在加工中心上完成4 個凸臺加工以及鉆?5 mm通氣孔。零件為四型腔模具，對每個半橢球孔都屬于偏心加工，在車床上必須使用專用夾具。

1.3 夾具設計

為完成半橢球孔的加工，采用圖2 所示的夾緊方案，使用花盤、分度盤和夾具體完成工件裝夾。分度盤轉動可更換加工型腔。工件采用“一面兩銷”定位，夾具安

圖2 夾緊方案

（1）工件的工藝加工

工件毛坯為?100 mm ×40 mm 的圓鋼，為加工4 個偏心半橢球孔，先將零件先做適當加工。如圖3 所示，加工mm定位圓柱，以定位圓柱軸線為基準加工4 個端面及2 個?5 mm工藝銷釘孔，嚴格保證公差，控制零件4 個端面的公差，作為半橢球孔的測量基準。

圖3 PP冷沖凹模加工尺寸

（2）定位銷尺寸及定位公差計算

由于定位銷軸線并非工藝基準，因而圓柱銷和削邊銷位置可任意安排，但安裝時削邊銷作為防轉支承長向要求與兩銷中心線垂直。

查《機床夾具設計手冊》［5］，選圖4 所示的定位銷。

圖4 定位銷

定位銷與夾具配合部分計算方法如下。

查表1，d ＝6 mm，夾具上孔銷配合按H7／n6，查公差表，夾具上銷孔上偏差ES＝＋0.012 mm，下偏差EI＝0，夾具銷孔尺寸為：mm。定位銷上偏差es＝＋0.018 mm，下偏差ei＝＋0.008 mm，與夾具配合部分定位銷尺寸為：mm。

表1 定位銷結構尺寸mm

定位銷與工件配合部分計算方法如下。

工件上孔銷配合按H7，查公差表得ES＝＋0.012，EI＝0，孔尺寸為?50＋0.012mm。

兩銷孔中心距：Lx＝Ly＝（82 ±0.1）mm。

兩銷中心距公差：δLd＝δLD／3 ＝0.033 mm。

圓柱銷的基本尺寸：d1＝D1＝5 mm。

銷孔的配合按g6 制造，查公差表知：銷的上偏差es＝-0.004 mm，下偏差ei＝-0.012 mm，所以圓柱銷的尺寸為：mm。

查表1，削邊銷尺寸：B ＝d2-0.5 ＝4.5 mm，b1＝1 mm。

確定削邊銷直徑尺寸及公差如下。

計算補償值：

a ＝δLd＋δLD＝0.033 ＋0.1 ＝0.133 mm。

計算最小配合間隙：

X2min＝2ab1／D2min＝0.053 mm。

計算削邊銷工作部分直徑：

削邊銷孔的配合按h6，查表得，削邊銷es＝0，ei＝-0.008 mm。

削邊銷尺寸為：

計算定位誤差：

以工件對稱面為工序基準，設計基準與工序基準重合，ΔB＝0。

基準位移誤差：

Δγ ＝δD1＋δd1＋X1min＝0.024 mm。

定位質量分析：由于加工的半橢球孔中心在兩個定位銷釘中心的連線上，并不會增加x 和y 方向的平動誤差，因此并不考慮轉角誤差。

因此，采用此種定位方法，誤差在許可的范圍之內。式中：δLd為兩銷中心距尺寸公差的一半；δLd為兩孔中心距尺寸公差的一半；δD1為銷孔尺寸公差；δd1為圓柱銷尺寸公差；X1min為圓柱銷最小配合間隙；X1max為圓柱銷最大配合間隙；X2min為削邊銷最小配合間隙；X2max為削邊銷最大配合間隙；d2max為削邊銷最大極限尺寸；δG為半橢球孔中心距公差。

⑥ ⑩ ? ?? ? ? ? Louis Hartz，The Liberal Tradition in America，An Interpretation of America Political Thought since the Revolution，Harcourt Inc．，1991，p．164，p．145，p．149，pp．156 ～157，p．236，pp．11 ～13，p．309，pp．13 ～14．

（3）偏心分度盤設計

圖5 偏心分度盤

夾具由偏心分度盤和夾具體兩部分組成，偏心分度盤是通過分度盤保證待加工的半橢球孔的軸線與主軸軸線重合，分度盤結構如圖5所示，分度盤的直徑是?280 mm，厚度25 mm，分度盤上鉆兩個螺紋孔，M10螺紋孔為分度盤心軸安裝孔，采用螺紋圓柱銷GB87810x35，與夾具體孔配合公差為g6。另一個M8 孔為定位螺紋圓柱銷釘安裝孔，銷釘選用GB878 8 ×35 螺紋圓柱銷標準件，公差要求g6。4 個?10 mm孔為夾具體安裝孔，3 個?14 mm孔為花盤安裝孔。將分度盤裝在花盤上，用百分表校正外圓和端面，使其跳動在0.02 mm以內。

分度盤固定在花盤上相對不動，但定位螺紋圓柱銷與夾具體有相對轉動，必須對銷釘進行淬火處理，以增加銷釘的耐磨性，必要時在銷釘上加襯套，襯套與銷釘相對固定不動，只要更換襯套就能直接使用。［6］

（4）夾具體設計

夾具體結構如圖6 所示，外形為盤狀體，大徑為?200 mm，總厚度為65 mm，中心有一個沉孔（?24，?10H7）與心軸配合，4 個?10H7 孔與螺紋圓柱銷配合，4 個?10 孔為與花盤連接的螺栓安裝孔。夾具體開有95 mm×95 mm×35 mm 的凹槽用于安裝工件，凹槽底面按照定位銷的形狀以及公差要求開2 個沉頭孔。

圖6 夾具體

圖7 平壓板

夾具上鉆兩個M6 螺孔，用以安裝限位板。限位板選用A6x45 GB2183—1991 平壓板。查壓板圖7，尺寸參數如表2 所示。

表2 壓板結構尺寸mm

（5）螺釘及定位銷選擇

半橢球孔采用立方氮化硼刀具，預先鉆?20 ×10的盲孔。參照《切削用量簡明手冊》計算：粗加工ap ＝1 mm，f ＝0.2 mm／r，vc＝40 m／min，n1＝1 000 vc／πd ＝636 r／min；精加工余量為0.5 mm，f ＝0.08 mm／r，vc＝140 m／min，n2＝1 000 vc／πd ＝1 485 r／min。

查《簡明金屬切削計算手冊》，切削要素計算：切削力FC≈2 000 f ＝2 000×0.2 ＝400 N，切削功率PC＝Fcvc／60 000 ＝0.93 kW，主軸功率Pm＝P電機·η ＝3.4 kW。主軸扭距M主軸＝7 162 000×Pm×1.36／n2＝22 301 N·mm。

查《機械設計手冊》［7］，選擇M6 螺釘，參數計算：螺釘材料選用45 鋼，8.8 級，屈服極限σS＝360 MPa，安全系數SS＝4；許用應力σ1p＝90 MPa；預緊力·πσ1p／（4 ×1.3）＝1 956.5 N，取F1′＝1 956.5 N。

當工件處于圖8 所示位置時，夾具繞O 點旋轉，在回轉平面內受力如圖，因限位板和工件重力經計算只有0.033 N，G ＝0.25 N，忽略不計。當力系達到平衡時：

圖8 工件受力

其中：

代入得銷所受橫向力F銷＝206.61 N。式中：f為摩擦因數，取0.15；kf為考慮摩擦因數不穩定而引入的可靠性系數，取1.5；T1、T4為螺釘預緊力扭矩；T2，T3為銷釘所受扭矩。

銷的剪切應力τ ＝4F銷／πd2＝10.52 MPa；銷的擠壓應力σp＝F銷／dδ ＝41.32 MPa；銷材料選用45 鋼，取許用應力［τ］＝80 MPa，［σp］＝σS／1.25 ＝360／1.25 ＝288 MPa。

為提高銷釘耐磨性，對其進行表面淬火處理。

（6）加工操作

把分度盤裝在花盤上，用百分表校正，將夾具體安裝在分度盤上，使用螺紋圓柱銷定位；并將工件裝在夾具體的凹槽里，用銷釘定位，限位板壓緊，螺釘鎖緊，加工第一個半橢球孔。當第一個半橢球孔加工完成后，拆下夾具體與分度盤的鎖緊螺栓，拔出定位螺紋圓柱銷，推動分度盤繞心軸轉動90°，使螺紋圓柱定位銷和夾具體上的孔準確配合，再鎖緊夾具體，進行第2 個孔加工，用同樣的方法加工第3 個、第4 個孔。

由于所使用的夾具采用花盤類非對稱旋轉夾具，工件安裝后有可能會產生偏心，車床旋轉時可能會嚴重影響加工的穩定性，因此必須在加工前，應先做靜平衡實驗，選擇合適的配重塊，以保證加工平穩性。

圖9 半橢球孔

2 半橢球孔數控車床加工

2.1 設備和刀具選擇

加工的半橢球孔如圖9 所示。選擇CK6140 數控車床，配置FANUC 0i-TD 數控系統。工件材料為SKD11 模具鋼，硬度62HRC，具有良好的韌性與抗高溫疲勞性能，能承受溫度聚變，適宜在高溫下長期工作具有良好的切削性能和拋光性能。SKD11在加工過程中會產生大量的熱量，如果使用冷卻效果好的水溶性切削液，會使刀具在短時間內進行反復的劇烈加熱和冷卻，而造成刀具表面形成熱裂紋，縮短刀具壽命，可以采用空冷干式切削［8］。使用立方氮化硼刀具對零件進行干式切削可以獲得較高的尺寸精度和表面質量，可以實現“以車代磨”，甚至超過磨削加工的表面質量，可以提高加工效率［9］。

立方氮化硼刀具屬于脆性刀具材料，在加工淬火鋼時，無論在哪種情況下，刀具前角都要取負值，因為正前角刀具比負前角刀具更容易崩刃，取γ0＝-15°～-5°。主偏角盡量取大值，以使崩刃和切深缺口磨損最小，同時考慮避免內孔加工干涉，取Kr＝92°～95°。副偏角Kr’＝15°～30°。粗加工時應滿足車刀刀尖角εr≥120°～160°。刀尖圓弧的半徑選擇直接影響加工零件的表面粗糙度和刀具耐用度，刀尖圓弧的合理選擇，既可以提高刀尖部分的強度，可以增加散熱面積，起到一定的光整作用，一般刀尖圓弧半徑r ＝0.1～1.0 mm［10］。為了防止內孔車刀后刀面和孔壁的摩擦，一般兩個后角α01和α02，其中α01取6°～12°，α02取30°左右。內孔車刀參數基本和偏刀一致，但刀尖到刀桿外端的距離a小于孔徑R。

為方便加工工件，預鉆?20 mm ×10 mm 底孔，粗加工內孔孔徑小，選用直徑?12 mm刀桿，精加工為增加刀桿剛度，采用直徑?16 mm刀桿。如在加工過程中出現刀具尖銳鳴叫，盡量減少刀桿伸出長度，檢查刀尖磨損情況，或考慮是否后角太大與工件摩擦，檢查工件是否松動。

2.2 加工宏程序編制

粗加工選用類似G72 的走刀路線，采用端面切削方式，編程零點放在右端面的中心，采用直角坐標方程。精加工采用仿形加工，使用極坐標方程，半精車、精車各一次。粗、精加工采用宏程序編程（表3），方程所有參數均使用變量，當成品為同形狀不同尺寸時，只需要修改對應變量值，無需重新編寫程序即可直接用于加工，方便后續系列產品的生產［11-13］。

3 結束語

本文在分析四型腔沖壓模結構和使用工況的基礎上，編排加工工序，設計出以“一面兩銷”定位加工偏心內橢球孔的夾具，并對其進行定位誤差和受力分析。此專用夾具在數控車床上使用，不需要重復定位和對刀，也不需要改變工件在夾具中的位置，通過轉動夾具分度盤就能更換加工的型腔，既保證了加工精度又提高了效率。編制了加工凹橢球孔的通用宏程序，使得能在數控車床上自動完成偏心半橢圓內孔加工。對比在普通車床上加工，降低了重復編程的難度，使加工效率得到了提高，工件的尺寸一致性好，工人的勞動強度大大降低。為同類型工件在數控車床上的加工提供了實例參考。