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軟硬模輥式?jīng)_壓模具設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化

2019-2-14 來源：宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院作者：劉勇

摘要: 軟硬模輥式?jīng)_壓模具解決了傳統(tǒng)鋼質(zhì)模輥沖裝置存在的干涉問題，但在實(shí)際使用中仍存在諸多缺陷，如: 上下輥的易調(diào)節(jié)操縱性差、板料沖裁加工變形大等。結(jié)合沖壓模具的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)軟硬模輥式?jīng)_壓模具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和沖頭優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化調(diào)整了下輥高度的楔形機(jī)構(gòu)，保證沖壓時(shí)的重疊量且更容易實(shí)現(xiàn)上下輥的水平度; 將輥式?jīng)_壓機(jī)上的平刃口圓柱沖頭改為中空內(nèi)斜刃沖頭，減小了沖壓后產(chǎn)生的塌陷深度，提高了板的平整度。經(jīng)計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明本文所提出的優(yōu)化方案切實(shí)可行，能夠有效提高沖壓質(zhì)量。

關(guān)鍵詞: 輥式?jīng)_壓模具; 楔形結(jié)構(gòu); 模具缺陷; 沖頭; 沖裁力

隨著工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，沖壓產(chǎn)品呈現(xiàn)出多品種、少批量、復(fù)雜化、精密化、更新?lián)Q代快的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的沖壓工藝越來越難滿足需求。

我國(guó)板材沖孔工業(yè)規(guī)模雖大，技術(shù)卻較落后，輥沖工藝的出現(xiàn)在很大程度上使當(dāng)前沖壓技術(shù)得到了一定改善。

付建華等對(duì)輥式?jīng)_孔機(jī)的研究較多，其研究主要集中在上下輥模具齒輪咬合式的沖壓工藝，并對(duì)沖壓機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)沖裁力、輥壓力、輥直徑等參數(shù)提出了理論的計(jì)算公式，還對(duì)凸模的形狀進(jìn)行了優(yōu)化分析。

但研究對(duì)象仍還是采用了傳統(tǒng)的鋼質(zhì)模具，并沒有解決模具磨損問題，另外這種滾動(dòng)沖裁帶來了機(jī)械干涉的問題，造成沖裁質(zhì)量的下降。付志強(qiáng)對(duì)輥沖進(jìn)行了研究，并將其研究成果與現(xiàn)有的輥彎成形生產(chǎn)線進(jìn)行了有效結(jié)合。趙鵬展等設(shè)計(jì)研發(fā)了上模為鋼模、下模為聚氨酯橡膠軟模的軟硬模輥式?jīng)_壓機(jī)，該機(jī)器已能夠成功完成一定的沖孔工藝，所得沖壓件質(zhì)量較高。

綜上研究成果，并結(jié)合部分大中型沖壓廠家在使用輥式?jīng)_壓中存在的不足，本文對(duì)軟硬模輥式?jīng)_壓模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為輥式?jīng)_壓新型工藝技術(shù)應(yīng)用于輥彎成形生產(chǎn)提供一些參考。

1 、沖壓模具簡(jiǎn)述

輥式?jīng)_壓模具結(jié)構(gòu)主要由 3 部分組成: 喂料結(jié)構(gòu)、沖裁結(jié)構(gòu)及修整結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

板材經(jīng)喂料結(jié)構(gòu)的傳遞和調(diào)整送達(dá)沖裁結(jié)構(gòu)。為保證其水平度，3 部分結(jié)構(gòu)理論上位于同一水平面上。沖壓工藝需在剪切區(qū)建立良好的水平靜壓狀態(tài)作為沖壓的必要條件，這一必要條件正是沖壓工藝的難點(diǎn)。

輥式?jīng)_壓原理為: 受剪件局部受剪變形但受整體不變形的制約，從而獲得剪切面而不出現(xiàn)撕裂面。

其沖頭與坯料局部接觸施壓，形成局部剪切狀態(tài)，隨著輥軸的旋轉(zhuǎn)，在剪切狀態(tài)下連續(xù)地完

成沖孔。

其沖裁結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼制模輥沖裝置存在顯著不同，具體構(gòu)造如圖 2 所示。

上輥采用鋼質(zhì)模，而下輥采用聚氨酯，高度調(diào)節(jié)采用楔形機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上下輥重疊量的調(diào)整，調(diào)節(jié)螺栓在機(jī)座的內(nèi)側(cè)。板材沖裁過后需要修整結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行矯正，降低板材的變形量。

2 、模具缺陷分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

沖壓模具在實(shí)際工作中，由于聚氨酯下輥的高度調(diào)節(jié)采用楔形機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)螺栓在機(jī)座內(nèi)側(cè)，同時(shí)下輥高度的調(diào)節(jié)范圍也相當(dāng)有限，使得調(diào)節(jié)起來非常不方便，甚至采用專用設(shè)備在實(shí)際操作過程中也很難調(diào)整至期望位置。為此，本文從實(shí)際使用的易操作性出發(fā)，對(duì)沖壓模具結(jié)構(gòu)、沖壓工藝進(jìn)行優(yōu)化。

其中，模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括下輥高度調(diào)整機(jī)構(gòu)優(yōu)化和沖頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2. 1 下輥高度調(diào)整機(jī)構(gòu)優(yōu)化

設(shè)計(jì)下輥高度調(diào)整機(jī)構(gòu)仍由 4 部分組成，包括上楔形塊、下楔形塊、楔形塊底座和楔形塊擋板。將調(diào)節(jié)螺栓由機(jī)座內(nèi)側(cè)調(diào)整至機(jī)座外側(cè)邊，同時(shí)增大調(diào)節(jié)高度，這樣保證了沖壓時(shí)的重疊量，而且更容易實(shí)現(xiàn)上下輥的水平度，優(yōu)化改進(jìn)后楔形下輥高度調(diào)整機(jī)構(gòu)中各組件設(shè)計(jì)圖如圖 3

所示。

其中，圖中所設(shè)計(jì)參數(shù)比改進(jìn)前基礎(chǔ)上增大了約 20% 調(diào)節(jié)高度，其具體尺寸值僅作為參考。安裝時(shí)首先固定底座，再分別放置下、上楔形塊，最后用沉頭螺栓固定擋板 ( 具體使用螺絲的規(guī)格及數(shù)量，根據(jù)沖壓模具的實(shí)際使用情況確定) 。楔形機(jī)構(gòu)的各參數(shù)根據(jù)使用設(shè)備情況設(shè)計(jì)，材質(zhì)選取硬質(zhì)鋼。同時(shí)，上下楔形塊的接觸面必須保證足夠的粗糙度。

圖 3 楔形機(jī)構(gòu)改進(jìn)后組件設(shè)計(jì)二維圖

2. 2 沖頭優(yōu)化

目前，設(shè)備上的沖頭通常采用平刃口圓柱形狀，厚度一般為 5 mm。通過監(jiān)測(cè)實(shí)際使用情況發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的上下往返式?jīng)_孔工藝，其沖頭的形狀會(huì)影響沖孔過程中的沖裁力和沖孔后板料的塌陷度。

結(jié)合工程實(shí)際，將沖頭采用兩種方案進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比，然后根據(jù)仿真結(jié)果選取最佳方案。這兩種方案分別為橢圓相貫沖頭和內(nèi)斜刃沖頭，如圖 4 所示。

首先求取在相同工況下沖孔過程中沖頭的沖裁力，由于仿真過程中沖頭的變形會(huì)耗散沖頭沖擊能，因此將沖頭設(shè)定為剛性材料; 工件設(shè)定為彈塑性材料，且材料參數(shù)按拉伸試驗(yàn)測(cè)定值設(shè)定。通過有限元仿真反求，在平刃口圓柱沖頭載荷為 5436 N 的沖壓工況下，橢圓相貫沖頭的沖裁力為 6459 N，內(nèi)斜刃沖頭的沖裁力為 6030 N。進(jìn)一步求取沖壓過程中斷裂瞬間 3 種結(jié)構(gòu)的沖頭變形量，即塌陷深度值。在上述反求得到的沖裁力作用下，材料參數(shù)同樣按上述反求沖裁力設(shè)置，進(jìn)一步計(jì)算得到其變形位移云圖，如圖 5 所示。

圖 5 不同沖頭形狀的變形仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出: 在相同工況下，采用圓柱沖頭沖孔時(shí)塌陷變形最大，深度值為 1. 5 mm; 采用橢圓相貫沖頭次之，最大塌陷量為 0. 9 mm; 當(dāng)采用中空內(nèi) 斜刃沖頭時(shí)，其塌陷變形最小，為0. 3 mm。由此不難看出，沖頭的形狀對(duì)沖孔效果的影響顯著。

將輥式?jīng)_壓機(jī)上的平刃口圓柱沖頭改為中空內(nèi)斜刃沖頭，沖壓后產(chǎn)生的塌陷深度會(huì)大大減

小，同時(shí)也減小了碾平機(jī)架的工作負(fù)擔(dān)，板料的平整度會(huì)得到很大的提高。

2. 3 沖壓工藝優(yōu)化及沖壓質(zhì)量實(shí)測(cè)對(duì)比

為進(jìn)一步對(duì)中空內(nèi)斜刃沖頭方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，選取 Q195 鋼板作為試驗(yàn)板材，其被試件參數(shù)為長(zhǎng)2000 mm × 寬 100 mm × 厚 4 mm。為客觀評(píng)價(jià)其沖壓效果，沖壓的其他參數(shù)與試驗(yàn)前實(shí)際使用的沖壓保持一致。

將沖壓工藝優(yōu)化調(diào)整為: 首先將 3 機(jī)架上的上下輥輥縫調(diào)整至能使板料順利穿過，板料穿過碾平輥約 10 cm 左右; 同時(shí)，調(diào)整修整機(jī)架上輥高度，使其與下輥緊緊壓住板料; 然后調(diào)節(jié)楔形機(jī)構(gòu)，即上升聚氨酯下輥，左右側(cè)同時(shí)調(diào)節(jié)，以保證水平度。

沖頭將板料咬入聚氨酯里一定量時(shí)為止，由于重疊量過大，當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)設(shè)備無法正常啟動(dòng)，因此，調(diào)節(jié)該步驟中的重疊量時(shí)其值不宜過大，約 5 mm左右。最后調(diào)節(jié)咬入上輥，在保證左右無縫隙差的情況下，適當(dāng)壓緊板料。

圖 6 模具優(yōu)化前 ( a) 、后 ( b) 板料沖壓結(jié)果

圖 6 所示為模具優(yōu)化前后板料沖壓結(jié)果。從被試件的沖壓結(jié)果中可以看出: 板料跑偏的問題得到很好地解決，同時(shí)沖不透的情況也有所改善，整個(gè)被試板料的彎曲度也大大降低。中間鑰匙形孔與兩側(cè)圓孔完全能夠被沖透，邊緣孔大多數(shù)能被沖透，僅有極少數(shù)孔未被完全沖透，但較優(yōu)化之前的未沖透孔的數(shù)量要少很多。

同時(shí)，這些未被完全沖透的孔中，大部分是由于與板料有少量連帶所以落料未能順利掉下; 板料邊緣的折疊現(xiàn)象幾乎不存在。優(yōu)化后被試件整體板料較優(yōu)化前的彎曲度大大降低其平整度更好，這說明在沖壓過程中板料不均勻變形量得到了抑制。

3 、結(jié)論

( 1) 對(duì)沖裁機(jī)架上控制聚氨酯下輥高度的楔形盒機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改善了調(diào)節(jié)方式，在滿足足夠壓下量的前提下，使得操作更為方便，同時(shí)增大了高度的調(diào)節(jié)范圍。

( 2) 在當(dāng)前使用的平刃口圓柱形沖頭基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了橢圓相貫沖頭和內(nèi)斜刃沖頭兩種方案，并對(duì)其進(jìn)行仿真對(duì)比，其結(jié)果表明: 在相同工況下，橢圓相貫沖頭的塌陷變形量要比平刃口圓柱形沖頭小，中空內(nèi)斜刃沖頭塌陷變形最小，該沖頭方案能夠有效提高板料的平整度。

( 3) 將沖壓工藝進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，中空內(nèi)斜刃沖頭較之原設(shè)計(jì)方案平刃口圓柱形沖頭，能夠有效解決板料跑偏的現(xiàn)象，同時(shí)沖不透的情況也有所改善，整個(gè)被試板料的彎曲度也大大降低，能夠顯著提高沖壓效果。

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