一种翻孔拉伸复合模结构设计改进

闫 海

（济宁市恒松工程机械有限责任公司，山东济宁272000）

1 引言

液压挖掘机基本结构可以分为3大部分，分别为车体部分、工作装置部分和底盘部分，每个主体部分都由不同板厚的钢板焊接组装而成。其中集油盘是底盘部分上密封黄油的圆盘形的薄板件，该部件为实现其储存、密封功能，结构设计中有翻孔和浅锥体复合造型。本文通过对某厂家集油盘成形工艺分析，同时借助Autoform软件对模具成形过程进行模拟，优化并改进复合模结构，为后续生产出合格、质量稳定的制件提供有力的保障。

2 制件冲压工艺分析

2.1 制件分析

图1所示为我公司某种型号的集油盘，材质为SPHC，板厚为2.5mm。此制件的结构可分为内孔翻边和浅锥体成形两种造型组合而成，是一种典型的回转类圆盘制件，这类制件坯料的变形，呈轴对称且沿坯料的周边均匀分布：此制件内部圆孔翻边时对孔缘的状态反应最为敏感，对于冷轧低碳钢板，冲裁边缘的伸长变形能力比切削边缘减少30%~80%；孔缘在单向拉应力作用下，切向伸长变形引起的厚度减薄最大，最易开裂；外侧浅锥体成形时，由于外法兰边宽度相对较宽，锥体成形深度深，成形时容易产生翘曲、瓢偏。在模具设计时，需要注意这两个潜在危险点。

图1 集油盘

2.2 坯料的确定

坯料尺寸的确定有两种方法：①利用Autoform软件对该制件进行模拟计算，并结合现场试验，最终确定毛坯料的尺寸；②利用中性层长度不变的原则进行计算，然后结合现场试验进行确定坯料尺寸。此制件内孔尺寸较大，采用冲孔的工艺，会增加一个工序，模具投入也相对增加；同时考虑到冲裁边缘产生的加工硬化层、表面凸凹不平乃至微小裂纹的存在等原因，使其伸长变形能力相对于母材大大下降，因而翻孔时容易开裂。如果条件允许，可以采用激光下料。采用激光下料，孔外缘切割口一致，不会存在微小裂纹和加工硬化层；同时内孔的落料还可以进行套料，排版其它工件，提高了材料利用率，节约成本。在我司内部采用的是激光下料获取坯料。

2.3 现状分析

通常此类制件成形可通过图2所示复合模结构进行成形。此模具结构简单，加工方便，不需要使用复杂结构或者双动压力机，模具生产成本低。成形时，把坯料放于托料板之上，凹模随着油压机的上滑块不断下移，与托料板上的坯料接触夹紧。凹模不断下移，先进行内孔翻边，后进行浅锥形成形。最后凸凹模相互闭合，对制件进行整形。此模具结构的不足之处在于：外侧法兰面与模具不接触，出现了悬空，悬空部分抗失稳能力差，会出现翘曲，严重时会出现起皱。

通过实验发现：当制件满足法兰宽度小于25mm或锥体成形深度小于10mm时，采用图2所示模具结构进行冲压成形，所得制件能够满足质量要求。对于图1所示制件，法兰边宽度为接近100mm，锥体成形深度为20mm，制件外法兰平面度的要求为3mm。如果采用图2所示模具结构进行冲压成形，通过Autoform模拟分析可得，平面度达到了8.81mm，远大于平面度为3mm的质量要求，制件判定为不合格，最终会影响装配效果，如图3所示。

图2 改进前复合模结构

图3 改进前复合模成形结果对比

2.4 模具结构改进

我司大部分同种类型的制件可通过如图2所示复合模结构冲压成形，生产的制件质量能够符合图纸要求。而图1所示制件相对于其它同种类型的，成形深度相对要深，因而不能采用图2所示的模具结构。针对法兰部分翘曲、起皱的问题，常见的防皱措施有：①加大坯料直径；②加大压边力；③采用拉伸筋。现为了提高制件的质量，对模具结构进行优化：增加压边装置，通过对悬空部分施加压边力，消除翘曲现象。

综合以上分析，在原来模具上进行改进。改进后的复合模结构如图4所示。在凸模上增加外压料板，外压料板上周圈布置模具弹簧，通过导向螺栓进行连接。集油盘的内孔翻边通过凹模、凸模和内压料板相对运动来完成；浅锥形成形采用“锥-锥型”模具结构，即：锥形凹模、锥形凸模组配。通过Autoform软件的模拟可得集油盘的成形力，根据得出的成形力，进行模具弹簧的选型及数量，如图5所示。成形时，首先要通过压力机上滑块带动凹模上升，把模具打开。在把内托料板升起，保证内托料板上表面和凸模地面的定位在同一平面上，把坯料放置在内托料板上，此时凹模随着压力机下滑块下压。制件内孔翻边成形，当凹模下降到一定程度时，外托料板首先与下模座接触，对板料行程一个预压紧力。随着凹模不断下降，内孔翻边和浅锥体同时完成成形，最后在反向操作取出制件。

图4 改进后复合模结构

图5 模具成形力

3 改进后效果验证

改进后的模具，在外托料板的预压紧力的作用下，制件外法兰边的翘曲明显改善。经多次生产试验，制件能够满足图纸尺寸要求，平面度控制在3mm以内，如图6所示。现已进行批量生产，改造达到了预期效果。

图6 改进后的模具成形结果

4 模具制造需注意的问题

（1）翻孔内孔缘开裂的预防。

翻孔时，竖壁变形区的材料在拉应力的作用下，切向伸长变形大于径向压缩变形，导致材料厚度减薄，制件易出现开裂。为预防开裂现象的出现，改善翻孔时材料的塑性流动：①在凸模设计时，可采用抛物型凸模或球形凸模，凸模表面进行镀铬处理；②坯料可以采用激光下料或通过增加冲孔工序得到合适的坯料。若采用冲孔落料的方式下料，需要对孔缘的毛刺进行整修，去除毛刺，使其内边缘顺滑；③翻孔时，需将预制孔有毛刺的一侧朝向凸模放置，以减少开裂。

（2）锥形体成形时，外压料板需要高出凹模压料面约1.2t，便于外压料板提前和凹模接触，在弹簧的作用下，形成预压紧力。

5 结束语

本文对集油盘生产过程中出现的问题进行了分析，可以看出这类制件的模具设计并不复杂。但是，在设计时容易犯经验主义错误，造成不必要的损失。因此对于模具设计人员，不仅需要熟练掌握冲压工艺、模具结构设计、弹塑性力学等基础知识并灵活运用，还要在生产实践中多积累，认真总结，从而能更好地为冲压工艺生产提供有力的保障。