条带装配细槽冲制结构和工艺设计*

叶远东，孙效禹，李俊颀，盛国福

(中广核铀业发展有限公司，广东 阳江 529500)

0 引 言

核燃料组件的骨架由格架与导向管组成，利用格架与燃料棒之间的的过盈配合，固定燃料棒。而格架通过条带上的装配槽进行定位、组装。由此可见，装配槽凸凹模设计、冲制精度对格架组装精度至关重要。针对装配槽冲制难度大，凸模加工难度高等问题，笔者以某型号条带为例，分析冲制难点，研究最适合的模具结构与凸凹模加工方式。

1 冲制工艺分析

图1为某型号条带外形结构示意图，主体结构为一长条形薄片，厚度为0.425 mm，其上分布有16组装配细槽，将整个条带分隔为17个栅元，细槽宽度为0.46 mm。

图1 条带外形结构图

如图2所示，装配细槽的宽度分为两段，开口方向称为前段，其宽度为0.48±0.03 mm，后段宽度收窄为0.46±0.02 mm，两段槽宽间的对称度要求为0.01 mm。如采用两次冲裁分别冲制两段细槽，则两段槽宽间的对称度0.01 mm不易保证，且两段槽宽间的过渡部分容易形成微小的棱角，不利于后续条带的装配，因此决定采用一次性整体冲制装配细槽的方案，这样模具的设计及制造难度就很高。

图2 条带装配细槽

装配细槽冲制的难点主要在于两点：①槽宽较窄，这样凸模的强度不高，在冲裁中凸模容易折断；②细槽的形状不是标准的细长方形，而是在细长方形的两端形成Φ0.8 mm的圆弧，如果采用将细槽形状一次冲出的方案，则模具中凸模的加工较为困难，如果采用将细槽和圆弧分开冲制的方案，模具加工的难度将大大降低，但同时增加了模具数量。经过仔细的分析和评估后，最终决定采用将细槽形状一次冲出的方案。

2 凸凹模间隙分析

模具中凸模和凹模的间隙取值对冲裁件断面质量、冲裁力、模具寿命都有很大的影响，因此在设计模具前需要选择一个合理的间隙，使冲裁件断面质量较好、所需冲裁力较小、模具寿命较高。根据Zr-4合金材料的硬度值和其它性能指标，结合材料的厚度尺寸，对冲裁间隙值Z取材料厚度的8%～10%。为此首先采用一副简单的冲裁模对Zr-4合金材料带材进行冲裁试验，检测冲件断面的质量，经过三次试冲检测和对凸、凹模间隙值的微量调整，取得了高质量的冲裁断面质量，最终确定了一个精确合理的凸、凹模间隙值，带材冲裁断面质量较好，毛刺高度小于0.02 mm。

3 凸模的结构设计和制造工艺分析

图3为凸模结构设计图，A视图为模具中凸模的前端工作部分，为保证两段槽宽的精度，凸模的两段宽度公差均按±0.005 mm控制，同时为保证两段槽宽对称度，凸模两段宽度间的对称度要达到0.002 mm，这样就同时保证了槽宽的对称度以及两段槽间的圆滑过渡。

图3 装配细槽凸模

为提高强度，凸模结构采用变截面式设计，A视图为凸模前端工作部分截面图，两端的圆弧和两段宽度及两段宽度的过渡部分，在保证有效长度不小于8 mm后，通过不同的圆弧段过渡到厚度为2 mm的凸模中段，以增加凸模的整体强度。为降低凸模的冲裁力，减少凸模冲裁时承受的冲击力，降低凸模在冲裁时拆断的几率，在凸模的前端设计为V形结构，变平刃冲裁为斜刃冲裁，可降低冲裁力50%左右。

装配细槽模具中的凸模是结构较复杂、精度要求较高、制造难度较大的零件之一，采用精密工具磨床再配以高精度的光学曲线磨床，经过多次试制，加工出了合格的凸模，保证了条带装配细槽的各项尺寸精度要求。

对于凸模的加工采用如下工艺：①材料热处理后采用快走丝下料，切出挂台和长方形，留磨量；②成型磨床加工挂台及长方形尺寸到位；③光学曲线磨加工凸模前端工作部分形状。至此零件加工完毕。在上述加工步骤中最重要的就是光学曲线磨，其加工方法是先在透明纸上绘制放大50倍的凸模前端工作部分形状(曲线磨的光学投影倍数为50倍)，然后将透明纸放置于曲线磨机床的投影屏幕，半成品凸模的长方形截面经机床光学放大50倍投影于屏幕，与放大图比对后沿轮廓线将多余的部分磨削后加工出凸模前端工作部分形状。为保证凸模的加工精度，绘制的放大图其轮廓线线宽不超过0.05 mm。

4 模具总体结构设计特点

如图4所示，模具采用精密四导柱滚动导向钢模架，并设计有4根小导柱和小导套对固定板、卸料板和凹模板进行精密导向，小导柱和小导套均采用耐磨性较好的GCr15材料，最终热处理硬度为HRC60～64，单边间隙设计为0.002～0.003 mm，从而更精确地保证凸、凹模间隙的均匀性。

图4 主剖视视图1.封口板 2.圆柱销 3.浮动定位钉 4.定位钉套 5.上模板 6.上垫板 7.圆柱销 8.小导套 9.小导柱 10.衬管 11.垫圈 12.弹簧 13.螺塞 14.模柄 17.凸模(1) 18.凸模(2) 19.螺钉 21.螺钉 22.凸模固定板 23.卸料板 24.凹模板 25.螺钉 26.下模板 30.固定销 31.弹簧(2)

为了提高凸模固定板、卸料板、凹模板、凹模镶件和凸模等重要零件的冲击韧性和耐磨性能，提高模具的寿命，采用了低温冷处理技术。其中凸模材料选用W6Mo5Cr4V2，热处理硬度达到HRC64～67。

模具中的凹模(见图5)直接决定了冲件的形状及尺寸精度，是非常重要的零件之一。

图5 俯视图27.凹模拼块(1) 28.凹模拼块(2) 29.凹模拼块(3)

由于装配细槽宽度很窄，因此采用镶拼式结构，凹模镶件采用沿装配细槽中轴线剖开，每个镶件各有一半的装配细槽形状，采用高精度的光学曲线磨床加工，镶件互相对接形成一个完整的装配细槽型腔，共有17个镶件拼装成16个装配细槽型腔，为保证条带装配细槽间位置度0.025 mm的严格要求，镶件的装配尺寸精度要求达到了较高的加工精度等级：±0.002 mm。

5 结 语

凸模加工精度、凸凹模间隙对装配槽最终冲裁尺寸精度影响较大，最终影响格架尺寸精度。通过此次所述模具的试模及首批条带产品的冲制结果表明，装配细槽冲裁断面良好，尺寸精度检测符合图纸要求，凸模工作状态稳定。该方法可用于类似冲裁件的设计与加工。