挂板成形工艺分析与模具设计

冯晓杰

（广东松山职业技术学院 机械工程学院，广东 韶关 512199）

0 引言

家用电器的钣金件壁厚一般在1.0 mm以下，设计成形1.0 mm壁厚制件的模具时，其使用寿命一般要达到30万冲次以上，凸、凹模材料一般选用Cr12MoV，热处理硬度为58～60 HRC。但对于壁厚较厚的制件，模具结构、模具零件材料及硬度与成形1.0 mm以下的制件都不同，特别是冲孔、落料等工序的凸、凹模，由于压力机施加在模具上的力较大，模具在工作过程中所受的振动也较大，模具零件容易出现爆裂现象。在设计制件壁厚为3 mm以上的冲模时，为了使模具的使用寿命达到30万冲次以上，凸、凹模一般选用DC53，热处理硬度为60～62 HRC。现以某电热水器挂板为例，介绍壁厚较厚的冲模结构。

1 制件结构分析

电热水器挂板结构简单，外形尺寸为205mm ×48mm ×19 mm，材料为 SPCC，壁厚为 3 mm。制件表面为异形曲面，分为2个区域，一个是平台区域，一个是圆弧形曲面区域；制件有1个方形的通孔和2个椭圆形的通孔，如图1所示。利用冲模成形该制件时，压力机滑块对模具的冲击较大，模具的凸、凹模容易爆裂，如何防止模具零件爆裂是设计的重点。

图1 制件结构

2 排样设计

如果采用单工序模成形该制件，需要落料、预成形、成形、拉深、冲孔、修边等至少6副模具，工序多，流程复杂，不利于大批量生产；如果采用级进模成形该制件，能提高生产效率。制件上有2个区别明显的特征，由于钣金材料具有回弹的特性，不能一次成形制件的形状，应将其成形部分分为预成形、成形与拉深3个工序，其中预成形与成形工序是成形圆弧状曲面，拉深工序是成形制件的平台，制件成形共分为11道工序，如图2所示。

图2 排样设计

工序1主要是在条料的两边冲出2个直径为φ6 mm的定位孔及切断，2个定位孔在毛坯轮廓以外的区域，作用是对条料进行定位，防止在送料过程中条料偏移，当冲压结束时，定位孔部位随废料一起进入废料收集框中，切断按照落料模的要求设计，防止材料在成形时发生塑性变形，引发周围的材料向成形位置靠拢导致条料发生变形；工序2空工位；工序3由于材料厚度较厚，具有回弹特性，无法一次成形，先对条料进行预成形，成形制件的初步形状，以便后续的成形工序对待成形制件进行成形及定形；工序4空工位；工序5在预成形的基础上成形待成形制件的曲面形状；工序6空工位；工序7拉深待成形制件上的台阶，由于制件的厚度为3 mm，在成形与拉深工序中材料会变薄，变形较大，应将拉深工序与成形工序分开，并且拉深工序的凸模形状与成形制件内表面形状一致，在拉深时，由凸模压住待成形制件，防止成形制件时变形；工序8空工位；工序9在成形工序中，材料会发生塑性变形，应将冲孔工序安排在成形、拉深工序后，在冲孔工序中，压料板的形状应与制件内表面形状一致，冲孔时，由压料板再次对成形制件进行压形；工序10将制件与条料分开；工序11废料切断后滑入废料收集框中。上述工序中，工序1、9、10的凸模所用材料为DC53，热处理硬度为60～62 HRC，其余工序的凸模所用材料为Cr12MoV，热处理硬度为58～60 HRC，所有工序的凹模共用一块模板，凹模板的材料为DC53，厚度＞50 mm。

3 关键工序分析

3.1 确定步距

级进模中确定不同工序之间的步距很关键，步距太长浪费材料，步距太短无法成形。该制件的形状不规则，难以根据制件的形状计算毛坯尺寸，导致步距也难确定。解决方法是通过多次试模获得制件落料的精确尺寸：首先评估落料尺寸，接着用线切割得到毛坯件，之后用成形模对落料进行验证，根据试模的结果修正落料的尺寸。为了防止成形制件起皱，将预成形、成形与拉深3个工序视为带压边圈冲压，落料尺寸需要适当放大，在落料轮廓的基础上单边放大11 mm作为压边料，即合理的落料尺寸为225 mm×78 mm，如图3所示，取搭边料的宽度为4 mm，则设计级进模的步距为78+4=82 mm。

图3 落料尺寸

3.2 切断工序端面设计

制件成形时材料会发生塑性变形，即材料会向制件中心靠拢，为了不影响材料的平整性，必须按落料尺寸将材料切断。由于材料较厚，冲裁力较大，冲裁力的计算公式为：

其中，Fc为冲裁力，N；L为冲裁件轮廓长度，mm；t为材料厚度，mm；τb为材料抗剪强度，MPa。

落料工序零件轮廓长度约为606 mm，取材料的抗剪强度为300 MPa，如果将切断工序的凸模端面设计成平面形状，一次性将材料切断，则冲裁力为：

凸模切入材料的瞬间，凸、凹模刃口受到545.4 kN的冲裁力，在材料被切断的瞬间，该冲裁力消失，巨大的冲裁力出现又消失，对模具零件造成较大的振动，导致模具的凸、凹模刃口容易爆裂。因此为了防止冲裁力的突然出现又消失，将凸模的端面设计成折线形状，当凸、凹模闭合时，可以使落料的轮廓逐渐切断，冲裁力逐渐增加，随着凸模继续下降，冲裁力又逐渐减小，直到最后消失。切断工序的凸模结构如图4（a）所示，该结构可以减少压力机滑块对模具零件的冲击，降低振动，防止凸、凹模发生爆裂。为了使落料时与条料不完全断开，落料时与条料之间还需要保留4个相连的位置，相连的宽度约为1～2 mm。在切断工序的凹模上开设4条小槽，如图4（b）所示，落料时小槽的位置与条料相连。

图4 切断工序模具零件

落料工序的工作过程：当上模向下移动时，凸模的最高点首先接触条料，然后与凹模一起将条料切断，上模继续向下移动，条料依次被撕裂，当只剩下连接位置没有切断时，凸模停止向下移动，随后向上移动。凸模离开凹模后，条料的4个连接位置将落料件抬起，向上移动与凹模脱离，之后条料向前移动一个步距，开始下一次冲压。

3.3 切断凹模结构组件设计

为了达到模具30万冲次的使用寿命要求，防止凸、凹模在成形过程中出现爆裂现象，在切断工序中应将凹模刃口边缘与凹模镶件外沿轮廓的距离设计为80 mm以上，凹模厚度设计为50 mm以上。为了防止切断后的材料卡在凹模中，在凹模中设计推板、弹簧与限位杆，由弹簧和推板将材料推出，切断工序的凹模结构组件如图5所示。模具的步距为82 mm，为了不影响模具零件的强度，将凹模板设计为整体式，不再设置凹模镶件，对于成形工序，凹模应采用同样的结构。

图5 切断工序凹模结构组件

3.4 成形工序设计

制件上的圆弧形曲面形状简单，由于制件的厚度为3 mm，材料的回弹较大，一次成形困难，虽然成形的高度只有19 mm，但为了保证成形的制件形状稳定，防止回弹，将成形工序分为两步，预成形工序和成形工序。在工序7拉深制件上的平台时，还应将拉深凸模设计成待成形制件内表面的形状，由拉深工序的凸模再一次对制件进行压形。在工序9对制件进行冲孔时，应将压料板设计成待成形制件内表面的形状，由压料板再次对制件进行压形，使制件的圆弧形曲面形状进一步稳定。因此制件上的圆弧形曲面可以视为由4个工序先后压形而成，经过4次压形后，成形制件表面的形状趋于稳定。

4 模具结构及工作过程

模具结构如图6所示。模具工作过程：条料5沿进料机构和抬料销进入模具中，到达冲孔切边位置后，由切边零件对条料进行裁剪，裁剪落料件的同时冲工艺孔。条料继续送进到预成形工位，在预成形零件的作用下进行预成形，条料继续送进到成形工位将其进行形状的成形。条料继续送进到成形台阶的工位，在成形台阶零件的作用下进行台阶成形，进入冲孔工位对条料进行冲孔，最后进入落料和切断工位，将成形制件从条料上分离。

图6 模具结构

5 结束语

设计成形壁厚较厚的制件冲模时应与壁厚较薄的模具结构不同，不同形状的制件，其模具结构也应不同，在成形电热水器挂板的模具设计中，为了防止模具零件爆裂，采用4个关键的模具零件结构设计，该模具的开发对于壁厚较厚的制件成形具有一定的借鉴作用。