先冲孔再修孔后切断的链板级进模设计*

刁中华

(江苏大力神链传动有限公司，江苏 泰州 225324)

0 引言

某摊铺机链条的链板，毛坯采用热轧扁钢，原来每月产量约30 000件，原工艺采用分工序，即切断、冲孔、修孔3道，生产效率较低，质量也不稳定。近两年由于工程机械行业形势持续向好，需求大幅增长，这种链板现在每月需求产量为80 000件左右，全年可达1 000 000件。原有的生产效能已不适应市场需求，需要设计一套级进模提高生产效率。

1 工艺分析

如图1所示的链板工件毛坯为符合GB704-88的热轧扁钢，长度为6 m定尺，材质为优质碳素结构钢45Mn，直线度小于2.5 mm/m、硬度小于HB217；[1]工件为对称形状，两端为圆弧R30，两孔直径为15.9 mm，中心距为(79.8±0.1)mm，平面度小于0.4 mm。采用先冲孔再修孔后切断的三工步级进模。冲两孔冲裁力为P冲=KLtτ=1.3×2×14.6 mm×3.14×8 mm×600 N/mm2=572 133 N；修两孔冲裁力为P整=L(δ+ktn)τ=15.8 mm×3.14×2×(1.2+0.1×8×8)mm×600 N/mm2=452 461 N；切断冲裁力为P断=KLtτ=1.3×110 mm×8 mm×600 N/mm2=686 400 N；总的冲裁力P总=1 710 994 N[2]。考虑借用现有冲床JA21-160，将切断凸模做成斜刃，切断冲裁力降低30%，修正后切断冲裁力P断修正=P断×0.7=686 400 N×0.7=480 480；另外，卸料力为总冲裁力的3%左右，JA21-160冲床完全满足冲裁力要求。经计算，模具压力中心在修孔凹模芯中心偏左约9 mm。冲孔凸模直径14.6 mm，冲孔凹模刃口直径15.6 mm，冲裁间隙1 mm，修孔凸模直径15.8 mm，修孔凹模直径16.0 mm，切断凸、凹模间隙取1 mm。侧面定位两点距离及位置的选择，较高精度热轧扁钢其直线度小于2.5 mm/m，两点定位距离应适宜。当侧面定位两点距离为250 mm时，经计算其直线度就小于0.16 mm；当侧面定位两点距离为100 mm时，经计算，其直线度就小于0.025 mm；当侧面定位两点距离为138 mm时，经计算，其直线度就小于0.05 mm，即工步一与工步二沿扁钢宽度方向的定位不重合误差最大为0.05 mm。因冲孔凹模刃口直径15.6 mm，而修孔凸模直径15.8 mm，可保证孔15.9 mm在厚度上全部修出。

图1 链板零件示意

2 工步设计

该零件形状对称简单，毛坯为板厚8 mm宽45 mm的热轧扁钢，工件长度为128 mm，零件切断的搭边大了浪费材料，小了切断凸模的强度又不足，最后确定搭边为10 mm，这样步距确定为138 mm。工步分解如图2所示： 工步一先冲两孔，工步二再修两孔并切出零件一端的圆弧，工步三切断分离零件。

图2 工步分解示意

3 模具结构及结构要点设计

3.1 模具结构设计

图3为链板的冲孔、修孔、切断级进模。上模部分： 模柄1、联结板36、聚氨酯橡胶34、侧板3、导向板2、顶板33、顶杆4、上模板7、导套6、上垫板9、衬板10、凸模固定板26、冲孔凸模8、修孔凸模11、切断凸模25、小导柱24、卸料板13、定距套27、接近铁板30、螺钉5、31、32、35等；下模部分： 凹模固定板21、冲孔凹模芯19、修孔凹模芯20、切断修孔组合凹模芯22、小导套23、滚轮37、滑块38、滚轮轴15、弹簧46、气缸41、气缸座40、气缸联结板42、侧顶杆39、端定位块44、端定位导向座43、切断定位块47、接近开关支架29、接近开关28、下垫板16、下模板18、导柱17、垫片14、螺钉12、45等。

1—模柄；2—导向板；3—侧板；4—顶杆；5—螺钉；6—导套；7—上模板；8—冲孔凸模；9—上垫板；10—衬板；11—修孔凸模；12—螺钉；13—卸料板；14—垫片；15—滚轮轴；16—下垫板；17—导柱；18—下模板；19—冲孔凹模芯；20—修孔凹模芯；21—凹模固定板；22—切断修孔组合凹模芯；23—小导套；24—小导柱；25—切断凸模；26—凸模固定板；27—定距套；28—接近开关；29—接近开关支架；30—接近铁板；31—螺钉；32—螺钉；33—顶板；34—聚氨酯橡胶；35—螺钉；36—联结板；37—滚轮；38—滑块；39—侧顶杆；40—气缸座；41—气缸；42—气缸联结板；43—端定位导向座；44—端定位块；45—螺钉；46—弹簧；47—切断定位块图3 模具装配示意

如图4所示，该模具因制件较长、较厚，导致模具外形结构尺寸较大，为保证冲压的平稳性，采用了四导柱、导套的导向结构，同时为保证模具的刚性，下模板18的厚度达80 mm，上模板7的厚度达60 mm，联结板36和上模板7通过导向板2联结成刚性整体，以承载冲裁力；为保证弹压卸料板13的平稳性和对冲孔凸模8、修孔凸模11、切断凸模25的导向精准性，其上也布置了6个小导柱24；为防止修孔凸模11在冲压过程中松动，产生转动使油孔堵塞，采取了削扁的防转措施。所有的凹模芯均未设计防止向上位移的台阶结构[3-4]，主要考虑到以下3种情况： 一是将凹模芯与凹模固定板21采用小过盈配合；二是冲压时弹压卸料板始终压住扁钢并压在凹模芯上；三是便于维修、刃磨凹模芯。

图4 模具三维图

3.2 模具结构设计要点

图5 定位部分三维图

如图5所示，第一组定位滚轮点位置选在两冲孔模芯的中间，第二组定位滚轮点位置选在修孔模芯的中间。初始工步一侧面定位时，用第一组定位滚轮点，以及在第一组定位点向右100 mm处设置的初始定位滚轮点；工步二侧面定位时，用第一组定位滚轮点和第二组定位滚轮点，初始定位滚轮通过弹簧产生约100 N压紧力，在外力大于100 N压紧力时，允许初始定位滚轮向后摆动0.5 mm，初始定位滚轮将失去作用，防止过定位。工步三侧面定位时，仍用第一组定位滚轮点和第二组定位滚轮点，在工步三的一侧设有两个终定位滚轮点，通过弹簧产生约100 N压紧力，在外力大于100 N压紧力时，允许终定位滚轮向后摆动0.5 mm，终定位滚轮也将失去作用。当单根扁钢冲压快完成而工步二无料时，直接将扁钢一侧送到两个终定位滚轮点，即可完成侧面两点定位。

冲压的零件厚度达8.0 mm，冲孔直径只有14.6 mm，采用的是弹压卸料，如将聚氨酯橡胶放置于凸模固定板与卸料板之间，冲孔凸模长，会比较容易折断。为保证冲头的刚性，将聚氨酯橡胶移至上模板的上面，聚氨酯橡胶直径100 mm，厚度80 mm，共放置6块，压缩30%时，6块聚氨酯橡胶产生6 t的弹力[5-6]。

如图6所示，零件的中心距要求较高，弹压卸料板在6个小导柱上平稳滑动，弹压卸料板除起卸料作用外，还为所有凸模起到导向护套的作用[7-8]，为减少凸模与卸料板的接触面磨损，增加精冲油流淌到修孔凸模刃口处的长度，凸模与卸料板的圆周配合面为6段均布的长约2 mm圆弧，两者的间隙约0.02 mm，其余间隙约0.5 mm。

图6 卸料板三维图

如图7所示，因冲孔、修孔、切断凹模的磨损程度不一样，为便于凹模的维修、刃磨、更换，采用镶嵌结构，其中切断凹模与其中的一个修孔凹模组合在一起，提高了组合凹模整体的强度[9]。在修磨刃口以后，在镶嵌凹模芯下面垫上一定厚度的垫片，保证所有的凹模芯处于同一平面。

因为每批材料的宽度在轧制时有公差，为保证零件两孔基本居中，通过调整定位滚轮定位处的尺寸大小来实现。

图7 切断修孔组合凹模芯三维图

在冲床旁边设有离地面高度约2 m的体积约30 dm3的精冲油箱，通过金属软管接头与修孔凸模固定板上油路连接，管路上设有流量调节阀[10]，如图8所示，修孔凸模距刃口向上15，20， 25 mm圆周上分别设有8个均布的径向小孔共24个(圆周360°上每孔间隙为45°)，上、下相邻的孔错位15°，精冲油沿径向油孔向下流淌润滑、冷却修孔凸模刃口，提高了修孔凸模使用寿命。

图8 修孔凸模三维图

3.3 模具工作过程

冲床滑块处于上死点时，将扁钢送至冲孔工步端部定位块处，侧面靠到第一组固定定位滚轮和初始定位滚轮两点处，滑块下行至行程160 mm的一半左右时，接近开关靠近接近铁板，气动阀得电，气缸活塞伸出，带动气缸联结板顶向侧顶杆，推动活动定位滚轮压紧扁钢侧面；滑块继续下行，卸料板压住扁钢，开始冲孔，上模顶杆顶住顶板，聚氨酯橡胶被压缩；滑块行程到达下死点时，冲孔结束，滑块回程，聚氨酯橡胶弹性恢复，卸料板将工件从冲孔凸模上脱开；滑块继续上行至行程一半左右时，接近开关离开接近铁板，气动阀失电，气缸活塞缩回，活动定位滚轮松开扁钢；滑块回到上死点，完成一个循环。将扁钢前移至修孔端定位块，重复上述过程，修孔并切出链板一端圆弧，滑块再次回到上死点；将扁钢前移至切断定位块，重复上述过程，外链板半成品从扁钢上切断分离，在重力作用下从漏料孔落下。

4 制件经济性分析

原链板加工工序分为切断、冲孔、修孔3步，采用160 t冲床切断，每班产量8 000件，人工工资、设备及模具折旧、电费、管理费等，切断工序折算后每件制造成本达0.15元；采用100 t冲床冲孔，每班产量6 000件，冲孔工序折算后每件制造成本达0.20元；采用63 t冲床修孔，每班产量7 200件，修孔工序折算后每件制造成本达0.15元，累计每件制造成本达0.50元。而现在采用级进模加工，每班产量8 000件以上，折算后每件制造成本为0.20元。级进模比原分工序加工的制造成本每件可节约0.3元，全年按100万件计算可节约成本约30万元。

5 结论

该级进模经过近1.5年的冲压生产，累计完成产量超过1 200 000件，产品质量稳定，减轻了工人劳动强度，取得了较好的经济和社会效益。