轴用弹簧挡圈的冲压工艺分析及模具设计5

轴用弹簧挡圈的冲压工艺分析及模具设计袁泉，刘光超（四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000）摘要：介绍一副用于制造轴用弹簧挡圈的模具，对其工艺方案、排样及压力中心作了详细的分析，设计出多工位级进模结构，并对模具结构及设计要点进行了总结，模具结构合理可靠，对同类零件的加工具有一定参考价值。关键词：轴用弹簧挡圈；冲压工艺；模具设计；级进模中图分类号：TG386.1文献标志码：A文章编号：ShaftcirclipstampingdiedesignandprocessanalysisYuanQuan,LiuGuangchao（SchoolofMechanicalEngineering，SichuanUniversityofScience&Engineering，Zigong643000，China）Abstract：Introducedapairofspringretainershaftusedinthemanufactureofmoldsforstampingintheprocess,theprocessplanandbasiclayoutanalysis,thedesignofthemulti-positionprogressivediestampingpartitionstructure,andmolddesignkeypointsasummaryofthemoldstructure,reliable,highprecisionandproductivity,aspartofthesameprocessprovidesareference.Keywords：springsheet;stampingprocess;diedesign;ProgressiveDie0引言轴用弹性挡圈是一种安装于槽轴上，肪止零件轴向窜动的机械标准件，在机械工程领域需用量大且使用广泛，适宜采用冲压模具大批量生产。由于该挡圈的内径比装配轴径稍小，安装时须用卡簧钳插入挡圈的钳孔中扩张挡圈，才能放入预先加工好的轴槽上，因此国家标准中对挡圈的结构和尺寸精度有较高的要求。下面以适配轴径32mm规格的轴用弹性挡圈为例，介绍该类零件的冲压工艺及模具设计。1工艺性分析如图1所示，轴用弹性挡圈工件较小，厚度仅为1.2mm。冲裁轮廓由内外圆弧段、开口处直线段及2个钳孔组成，其内、外圆弧的中心在横向有一偏心距，结构较复杂。由公差等级表确定其加工精度为：挡圈内圆弧028.006.29mm为IT8级，偏心距045.0098.0mm为IT10级，其余尺寸未注公差，按IT14级确定。普通冲裁所能达到的精度一般为IT10-14级，故除内圆弧尺寸外的其余尺寸均可采用IT8级的普通冲裁模。由于内圆弧尺寸精度等级较高为IT8级，其对应模具尺寸可采用IT7-6级精度设计。材料为弹簧钢65Mn，其延伸率为14-22.5%，屈强比为0.63-0.75，冲压性能与Q275接近，适合冲压成型，且综合力学性能优于碳钢。但弹簧钢冲裁过程中弹性变形量大，弹性回复值较高，使得挡圈上尺寸为3mmm的开口不易保证，因此模具应考虑回弹设计。图1零件图Fig.1PartsFigure2冲压工艺方案的确定轴用弹性挡圈的冲裁包括冲孔和落料两个基本工序，可采取不同的工序组合及先后顺序来确定工艺方案。由于挡圈需求量大，产量高，可排除低效率的单工序冲裁模生产；复合模生产效率较高，但其关键零件凸凹模的最小壁厚取决于挡圈孔轮廓边缘的宽度尺寸，经计算该壁厚不得小于3.2mm，而挡圈上相应部位的最小宽度约为2mm，故受到挡圈结构尺寸的限制和凸凹模壁厚强度的要求，不能采用复合模结构；级进模是一种工位多，效率高的冲模，广泛应用于尺寸较小冲件的生产，其冲孔和落料分别安排在2个工位进行，从而保证了刃口的壁厚强度要求，因此，综合比较，采用冲孔-落料级进模冲裁是最佳方案。3排样设计合理的排样是提高材料利用率、降低成本，保证冲件质量及模具使用寿命的有效措施。轴用弹性挡圈轮廓为简单圆结构，其排样主要有单排，双排，三排方式。单排方式材料利用率较低不予考虑，计算出双排利用率22.86%，三排利用率24.69%，因此采用三排。送料方式为侧刃定距，为保证料尾材料的充分利用，侧刃采用对角布置。如图2所示。工作时，条料每次送料距离为40mm，从左向右工位顺序如下：第1工位冲2个中间排钳孔，第2工位冲中间排内轮廓圆孔、上下排4个钳孔及下侧刃，第3工位空工位+导正销，第4工位冲上下排2个内轮廓圆孔，第5工位中间排外轮廓落料，第6工位空工位，第7工位上下排外轮廓落料,第8工位冲上侧刃。图2三排排样图Fig.2ThreeinarowlikeFigure4压力中心的确定级进模属于多凸模冲裁模具，各凸模合力的作用点就是级进模的压力中心。为了保证压力机和模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心线重合，否则因滑块承受偏心载荷，模具合理间隙不能保证,从而影响工件质量和降低模具寿命甚至损坏模具。根据力学原理，合力对某轴的力矩等于各个分力对同轴力矩的代数和，可建立图3所示坐标系，压力中心坐标按以下公式计算：图3压力中心计算图Fig.4Calculationofthecenterofpressure将相应数据代入，计算出压力中心坐标为X。=77mm，Y。=0。级进模由于工位多，且冲裁力最大的落料工序一般在最后工位，若严格按压力中心与滑块中心重合来布置模具，模具在工作台上的尺寸会出现沿送料方向前短后长的不协调现象，还会影响其他结构的布置空间（如模具漏料孔与压力机工作台孔）的布置，为此，在生产实践中，允许压力中心与滑块中心有合理偏离，原则上偏离值不超过压力机模柄孔的投影范围。本设计中模柄孔尺寸为φ50，故压力中心可偏离滑块中心25mm以内。5.模具结构及设计要点5.1工作原理模具总装图见图5。条料从右向左进料，每次送料距离为40mm，由前后对角排列的两个侧刃控制步距。工作时，上模下行，弹性卸料板压住板料，随后冲钳孔凸模、冲内轮廓孔凸模，外轮廓落料凸模分别在不同的工位完成冲裁。为了消除送进导向和送料步距的定位误差，模具在第3工位设置了导正销，导正条料位置，保证后续工位外轮廓落料外形与内孔的相对位置公差要求。从第9个工位开始，每向前送1个步距，就可得到3个挡圈零件。1.上模座2.导套3.导柱4.上垫板5.侧刃凸模6.凸模固定板7模柄.8.外轮廓落料凸模9.导正销座10.导正销11.冲内轮廓孔凸模12.卸料板13.冲钳孔凸模14.下模座15.钳孔凹模镶块16.凹模固定板17.内轮廓孔凹模镶块18.内轮廓孔漏料区19.外轮廓落料凹模镶块20.外轮廓落料漏料区21.下垫板图4模具总装图Fig.4Themoldassemblydiagram5.2冲钳孔小凸模设计由于挡圈钳孔的尺寸较小，为φ2.5mm，需对其纵向抗弯曲能力和承压能力进行校核，具体指标为自由长度和直径是否满足要求。凸模采用无导向凸模结构，计算出凸模允许的最小直径为2.13.mm，最大自由长度为7.3mm，计算如下：mmtd13.213506002.144minmmFdL3.7734763.2909022max冲钳孔凸模设计直径为2.632.13.mm，凸模工作段设计长度为77.3mm，所以凸模抗弯及承压能力均满足要求。本模具结构中，小凸模整体长度较长，为80mm，仍需要考虑一些措施来防止小凸模的折断和失稳弯曲：①将小凸模直径从工作段到安装固定段，逐步提高直径，即，直径由2.63mm,4mm,6mm,8mm进行过渡，从而增加小凸模整体的工作强度和刚度；②在各个直径台阶过渡部位，为防止削弱小凸模根部的强度，要求必须用圆角过渡，而不能加工倒角；③选用精度和刚度好的四角导柱模架，保证模具间隙的均匀；④适当选用较大的冲裁间隙，可降低部分冲裁力，减小对小凸模的冲击力。小凸模结构图见图5。图5小凸模结构图Fig.5Themoldassemblydiagram5.3异形凸、凹模设计挡圈外轮廓落料工序，由于落料轮廓为非圆形，其凸、凹模的工作部分均为异形，考虑到安装固定的方便，以异形凸模为例，将其中间配合部位和尾部固定部分设计为圆形，配合部位尺寸ф44按过渡配合H7/m6设计，尾部固定部分尺寸ф48用于形成台阶式固定。异形凸模工作中不允许转动，通常是添加防转销防止转动，但考虑到拆装的方便性，本设计采用将尾部固定台阶圆周两端铣削成防转面，与凸模固定板上固定孔对应的防转面配合固定，即可实现防止转动的目的，见图6。异形落料凹模的防转结构与异形落料凸模的结构设计类似。图6异形凸模结构图Fig.6Themoldassemblydiagram5.4挡圈开口防回弹设计挡圈开口处材料产生切断变形，会使得材料内部应力的平衡受到破坏，材料因弹性恢复易产生回弹，由于材料为弹簧钢，更加剧了回弹的变形程度。结果使得挡圈上尺寸为3mm的开口因回弹而大于3mm，并形成锥形开口，将对挡圈的安装使用产生影响。为了得到开口尺寸精确的挡圈，在凸、凹模刃口尺寸设计上，可选用较大的冲裁间隙，因为落料过程中材料除受剪切外，还受较大的拉伸和弯曲变形，当增大间隙，在落料后，尺寸向实体方向收缩，起到补偿开口回弹的作用，合理的较大间隙可在试模时逐步修模确定。5.5斜排料漏料孔的设计计算挡圈所需的冲裁力并考虑装模高度要求，选择公称压力为250KN的压力机，其工作台漏料孔尺寸左右260mm，前后130mm，直径180mm。模具工作时，必须确定好制件或废料的排出位置，原则上该位置需对应位于漏料孔尺寸范围的上方，才能确保产生的制件或废料均通过该漏料孔向下排出。经合理安排，在模具压力中心偏离压力机滑块中心20mm时，外轮廓落料后得到的工件可由下模座外轮廓轮廓孔漏料区排出，冲挡圈内轮廓孔废料可由下模座内轮廓孔漏料区排出，而冲钳孔废料的位置则偏离了工作台漏料孔范围区14.8mm，此时，可考虑将在下模座对应位置开一斜排料孔，将钳孔废料导入内轮廓孔漏料区排出。至于侧刃冲裁废料，由于位置离工作台漏料孔区太远，可考虑直接在下模座开一斜排料槽排出到工作台上，达到一定量时人工清理。6结束语经现场生产验证，模具结构合理、布局紧凑，方案可行。模具生产效率高、安全可靠，所冲工件尺寸精度达到产品质量要求，对同类零件的模具设计具有一定的参考价值。参考文献[1]周美蓉,吕孟春.汽车连接板级进模设计.[J].热加工工艺，2007，42（11）：150-152.[2]钟江静,梁士红.接触簧片冲压工艺及模具结构设计.[J].锻压技术，2008，38（4）：106-110.[3]刘建超,张宝忠.冲压模具设计与制造[M].北京：高等教育出版社，2002：238-272.[4]郑家贤编著.冲压模具设计实用手册[M].北京：机械工艺出版社，2007.7[5]卢险峰.中国模具设计大典-冲压模具设计基础[M].江西：江西科学技术出版社.2002.10