基于A1050板料的MP4前殼成形模設計

毛建冬， 肖國華，2， 李亞峰， 余健， 李興秀， 徐生， 楊少增，2

（1.浙江工商職業技術學院， 浙江 寧波 315412；2.寧波華寶智能科技股份有限公司， 浙江 寧波 315600；3.嘉興南洋職業技術學院 機電與交通分院， 浙江 嘉興 314031；4.寧波德科精密模塑有限公司， 浙江 寧波 315600）

0 引 言

在復雜鈑金件沖壓生產中，沖模結構的設計取決于多方面因素，包括模具制造成本、單件制件的模具費用平攤、企業設備能力、模具制造部門或外協加工單位的模具制造能力等。因此在實踐生產中，模具設計工程師針對復雜沖壓件進行模具設計時，相同制件會有多種不同的沖壓工藝和模具結構設計方案。對于復雜制件的成形，常用的模具設計方案分為2種：一種是多工序成形，采用多副單工序模具，經組合后實現制件的多工序成形；另一種是多工序集成在單副模具內進行連續沖壓成形的級進模。

現結合某MP4前殼的生產要求，針對制件難以采用級進模連續沖壓成形的問題，依據制件結構及企業現有沖壓設備能力，決定采用單工序模分步實現制件的沖壓成形，為此設計了12道工序的成形工藝，并針對每道工序的成形任務設計了對應的12副單工序模具。在其中一些模具中，設計了4種機構用于難成形特征的成形，實現了制件的批量沖壓生產。

1 MP4前殼結構

MP4前殼形狀如圖1所示，制件類似矩形盒蓋，外觀面要求光亮，且基于成形鈑金特點而有多種其他商標加工要求。制件內表面設有一個腰臺e，腰臺e在制件正面形成腰臺凹槽a，如圖1（a）所示。腰臺e上設有腰臺中心腰孔d和矩形孔b，矩形孔b靠近唇邊d一側，切除腰臺切邊c，如圖1（b）所示。制件內表面卡扣a～c為無側孔卡扣，卡扣d～g為有側孔卡扣。制件唇邊c、d上各有1個缺口，分別為缺口a、b。

圖1 MP4前殼

前殼尺寸如圖2所示，板料厚度為0.8 mm，板料公差為0.8+0.01-0.03mm。制件材料為A1050-H16，A1050鋁合金具有良好的延展性、強度和韌性，抗拉強度和屈服強度較高，焊接性能良好，同時耐蝕性和耐磨性好。一般對沖壓件工藝性影響較大的是幾何形狀、尺寸和精度要求，從圖2可以看出，7個卡扣特征、腰形凹槽a和2個側邊缺口使制件結構變得復雜，導致其成形困難，且4個卡扣有夾角加工需要，不利于沖壓成形。通過對所有標示尺寸進行成形精度計算后發現，標注公差的尺寸精度范圍在IT9～IT12。該制件的尺寸精度要求中等，用一般精度的模具可達到各特征的成形要求。制件設計基準為其幾何中心，適合采用沖壓成形。成形后的制件端面必須平整，外觀不能有劃傷、翹曲、變形等缺陷；制件不需進行噴砂處理，要求外觀法線及陽極蝕刻處理；制件毛刺控制在0.05 mm以內，生產中不使用含有環境管理物質；表面處理使用陽極暗香檳（近PANTONE 8402C∕偏暖色）圖案及文字蝕刻（凸出0.05 mm）。

圖2 前殼尺寸要求

從制件成形工藝性分析，由于卡扣有彎曲和側邊沖孔等要求，若采用級進模生產，工藝性差，不但材料損耗和廢品率會增加，甚至無法生產出合格制件。若采用多工序單工序復合模成形制件，工藝性較好，能滿足節省材料、工序較少、模具零件加工容易、使用壽命長、操作方便及制件質量穩定等要求。

2 成形工藝方案

2.1 工藝難點

（1）腰形孔腰部塌角或底部斷裂問題。如圖2中C-C剖面的問題Q1，腰臺e上設置的腰臺中心腰孔d處成形斷差為1.2 mm，而材料厚度為0.8 mm，成形時會產生塌角或底部斷裂，模具量產困難，改為半拔方式（半拔高0.5 mm）或采用多級拉深成形。

（2）卡扣g根部成形問題。如圖2中問題Q2所指卡扣g處，因為腰臺e凸包干涉無法成形，解決辦法是取消腰臺e凸包成形，改為平面上直接沖孔；如需保留腰臺e凸包成形，則卡扣g位置必須下移或優化工序步驟。

（3）缺口a、b的裁切問題。如圖2中問題Q3，由于制件周圍側壁較低，由外向里沖裁，凹模強度低，解決辦法是采用由里向外沖裁，保證凹模強度，使毛刺面朝外，經噴砂、陽極化處理后，毛刺會被腐蝕去除，不影響外觀。

（4）壁厚變薄問題。如圖2中問題Q4，4個唇邊（唇邊a～d）及7個卡扣（卡扣a～g）都需進行拉深，原始尺寸及公差為（0.8±0.10） mm，拉深時材料會變薄，故修改為（0.8±0.15） mm，否則無法達到制件設計成形要求。

2.2 成形工藝工序設計

對制件進行展開計算后，獲得的坯料形狀如圖3所示，制件按圖3所示工序進行沖壓成形生產，共12道工序。工序Ⅰ實現中心腰孔d的沖孔和坯料落料，坯料紋理方向垂直于中心腰孔中心線；工序Ⅱ完成腰臺e和4個唇邊的粗拉深；工序Ⅲ完成4個唇邊和腰臺e的精拉深；工序Ⅳ完成唇邊a、c的部分切除成形，獲得卡扣a、b、c、e、f的形坯及缺口a；工序Ⅴ完成唇邊a、b的部分切除成形，獲得卡扣d、g的形坯及缺口b；工序Ⅵ完成腰臺矩形孔b的沖孔成形；工序Ⅶ完成腰臺切邊c的成形；工序Ⅷ對卡扣a、b、c進行90°彎曲；工序Ⅸ對卡扣d進行90°彎曲；工序Ⅹ對卡扣e、f進行90°彎曲；工序Ⅺ對卡扣g進行90°彎曲；工序Ⅻ對卡扣d、e、f、g上的孔進行側沖孔成形，并完成制件外形的精整形。

圖3 工序排位設計

3 分工序與成形模結構設計

3.1 工序Ⅰ沖孔落料復合模

工序Ⅰ模具為沖孔落料復合模，如圖4所示，第一步先沖中心腰孔d；第二步落料，成形坯料形狀及中心腰孔d。料帶排位為步距83.5 mm，料帶寬120.4 mm，邊距2 mm，搭邊寬3 mm。凸模5與凸凹模6上對應的落料孔用于沖中心腰孔d，凸凹模6與凹模12配合用于坯料的落料成形。模具工作時，模具上模下行，壓料板13先壓住料帶，然后凹模12壓住卸料板11迫使其下行，凸模5沖裁中心腰孔d，隨著上模的繼續下行，凸凹模6將成形坯料反沖進凹模12的成形槽內而成形坯料。成形完畢后上模上行，卸料板11將料帶彈出，打桿1結合彈簧2的彈力通過推桿4而推動壓料板13將坯料從凹模12中推出。

圖4 工序Ⅰ沖孔落料復合模

3.2 工序II倒裝式粗拉深模

工序Ⅱ對工序Ⅰ成形后的工件進行拉深以獲得4個唇邊及7個卡扣成形所需的坯料。工序Ⅱ的模具結構如圖5所示，該模具為倒裝式粗拉深模，采用單次拉深，擬形圓整（獲得中間工序件拉深尺寸并進行圓整）后拉深系數為0.763，符合材料的極限拉深系數限制。

圖5 工序Ⅱ與Ⅲ拉深模

模具工作過程：上模下行時，由于氣缸頂桿21作用，頂推卸料板25將坯料壓緊在粗拉深凹模17的底部，隨著上模的繼續下行，粗拉深凸模18和被彈簧22頂出的浮動凸臺頂塊19將坯料向粗拉深凹模17頂部拉深，當到達凸臺拉深凸模16的底部時，凸臺拉深凸模16對制件的腰臺凹槽a進行拉深成形，同時浮動凸臺頂塊19克服彈簧22的彈力下行，拉深成形完成后，浮動凸臺頂塊19借助彈簧22的彈力將制件的腰臺從粗拉深凸模18內脫出。粗拉深完成后，由于所成形制件外壁設置了0.25°的脫模錐度，而內壁沒有設置，上模上行時，粗拉深制件從粗拉深凹模17的凹腔內脫出，留在粗拉深凸模18上，最后由氣缸通過氣缸頂桿21推動頂推卸料板25而脫模。拉深過程中，氣缸頂桿21被往下壓回，粗拉深深度為19 mm。

3.3 工序Ⅲ倒裝式精拉深模

工序Ⅲ的倒裝式精拉深模結構與工序Ⅱ模具結構基本相似，不同的是該模具只針對制件4個唇邊的成形進行精加工，如圖5所示，因而在上模只需設置精拉深凹模26即可，精拉深加工深度為1 mm。

3.4 工序Ⅳ側邊沖切模

工序Ⅳ使用側邊沖切模進行加工，如圖6所示，設置了2組側沖切滑塊機構S1、S2用于工件2個側壁沖裁成形，以獲得唇邊、卡扣、缺口特征，其中機構S1用于唇邊a、卡扣a～c特征的沖切成形，機構S2用于唇邊c、卡扣e～f和缺口a特征的沖切成形。機構S1與S2結構對稱，工作原理相同。以機構S1為例，其工作原理：上模下行沖切前，機構S1的側刃35和外壁凹模30狀態如圖6所示，當上模下行時，彈壓板28先將工件壓緊在支撐塊36上，在插桿29下行過程中，其下端的右側斜面先驅動外壁凹模30按F1'向壓緊毛坯外壁，之后隨著上模的繼續下行，插桿29下端的左側斜面驅動側刃35按F1向沖切，實現唇邊a、卡扣a～c的成形。沖切完畢，上模上行復位，一個氣缸通過氣缸頂桿37推動側刃35按F1'向復位，另一氣缸通過氣缸頂桿38推動外壁凹模30按F1向復位，取件后開始下一工作循環。

圖6 工序Ⅳ唇邊沖切模M4設計

3.5 工序Ⅴ側邊沖切模

針對唇邊b和唇邊d，使用圖7所示的唇邊沖切模進行成形，該模具中也設計了2組側沖切滑塊機構S3、S4，模具工作原理同圖6模具相同。

圖7 工序Ⅴ唇邊沖切模

3.6 工序Ⅵ沖孔模

針對腰臺矩形孔b，設計了沖孔模成形，如圖8所示，沖孔完成時，工件被凸模39從沖孔凹模41上帶出，最后由推板40從凸模39上推出，沖孔凹模41與凸模39的雙面間隙為0.04 mm。

圖8 工序Ⅵ沖孔模

3.7 工序Ⅶ側面刮切模

針對腰臺切邊c的成形，使用側面刮切凸模44進行側切成形（見圖9），機構組件包括件42～件47，工作時，在模具閉合，上模下壓過程中，壓緊凸模47先將工件壓緊在刮切凹模42內，之后刮切驅動插桿46的下端左斜面驅動刮切凸模44和刮切滑塊45按F1向移動進行側向刮切工件，成形腰臺切邊c。刮切凸模44安裝在刮切滑塊45上，其按F1向移動刮切工件，實施小加工量切料成形。

圖9 工序Ⅶ刮切模

3.8 卡扣彎曲機構

對于帶彎曲卡扣的盒蓋鈑金件，卡扣成形一般使用彎曲機構，保證卡扣達到尺寸和形狀的要求，需要做到兩點：①彎曲時需對卡扣兩面進行夾緊；②彎曲后須進行回彈修正?；诖耍O計的卡扣彎曲機構如圖10所示，機構組件主要包括件48～件58?？蹚澢鷷r，上模下行，彈簧48驅動壓塊49先將工件壓緊在支撐鑲件61上，插桿59先接觸推頂滑塊57（D1位置），并迫使其按F1'向移動，推動夾緊塊55抵住工件右邊，之后插桿50接觸彎曲滑塊53（D2位置）迫使其按F1向移動對工件左邊進行推進彎曲。彎曲滑塊53接觸工件左邊時，其上的活動壓邊滑塊52先接觸工件，由于彈簧51的作用，壓邊滑塊52壓住工件左邊。彎曲滑塊53彎曲卡扣工件的同時，將迫使夾緊塊55壓縮彈簧56，保證夾緊塊55抵住工件右邊，直到彎曲動作完成。彎曲完成后，插桿60接觸修正滑塊58（D3位置），迫使其按F1'向移動，對彎曲后的工件進行回彈修正，保證卡扣的成形尺寸。

圖10 卡扣彎曲機構

3.9 工序Ⅷ～Ⅺ卡扣彎曲模

結合3.8節設計原理，針對工序Ⅷ～Ⅺ的各卡扣成形，設計了4副卡扣彎曲模，4副模具中彎曲機構的結構設計原理同3.8節中的卡扣彎曲機構原理一樣，只是彎曲卡扣數量和尺寸有所不同。

3.10 工序Ⅻ卡扣精修側沖孔復合模

對于卡扣上設置孔的特征，設計了二次成形滑塊機構進行加工，如圖11所示，插桿62跟隨上模下行，其下端的斜面將推動母體滑塊67按F1向移動，移動過程中由于彈簧65的作用，卡扣精修滑塊63將先沖切彎曲工件上的卡扣，精修到位后，此時卡扣精修滑塊63不能繼續按F1向移動而被卡扣擋住，母體滑塊67將彈簧65驅動沖孔凸模64在卡扣上沖出卡扣孔。開模時母體滑塊67帶動沖孔凸模64先按F1向反向抽出，然后卡扣精修滑塊63離開成形制件的卡扣。由于7個卡扣都需進行精修，其中4個卡扣需要精修+沖孔，在工序XII模具中設置了3個二次成形滑塊機構S5、S6、S7用于精修+沖孔，并設置了一次成形滑塊機構S8，該機構只需去除沖孔凸模64即可，結構和工作原理同與二次成形滑塊機構相同。

圖11 卡扣精修沖孔模

4 結束語

結合MP4前殼使用0.8 mm鋁板成形的要求，設計了12道工序成形工藝，包括一次沖孔落料、兩次拉深、兩次唇邊沖切、一次沖孔、一次刮切、四次卡扣彎曲、一次卡扣精修沖孔成形等，并設計了12副模具對應各工序的成形。

針對唇邊直壁的切除成形，采用插桿驅動型對向移動滑塊切除機構保證了成形后的唇邊無毛刺或少毛刺；針對狹窄區域孔邊直壁的切除成形，所設計的刮切成形機構能實現該特征的無損成形；針對卡扣的彎曲成形，設計了插桿多次驅動型卡扣彎曲機構，且經過后續精修成形后，卡扣的成形精度達到IT9級，保證了制件的裝配使用精度要求。針對卡扣精修和沖孔的需要，設計二次成形滑塊機構，利用合模沖壓力驅動多滑塊復合機構分兩次實現卡扣的精修和沖孔，保證了制件的成形精度。

制件成形工序布置合理，模具結構合理，機構設計簡單、實用、高效可靠，能為同類制件的批量生產模具設計提供借鑒。