三角农用钣金件成形工艺分析及模具结构设计

赵 峰

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

钣金件是一种利用钣金工艺加工出来的产品，厚度一般都在6 mm以下，其被广泛应用于各种农机机械产品中。通常，钣金件是通过灯丝电源绕组、激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割来制作的。冲压模具是在室温下把金属或者非金属材料加工成钣金件的一种工艺装备[1-4]，近年来在生产实际中的应用越来越广泛，按照工艺性质，其可以分成冲裁模、弯曲模、拉深模、成形模、铆合模。本设计的目的是在满足生产要求的前提下，设计出简单高效的冲压模具用以生产三角农用钣金件或者类似形状的钣金件。

1 三角农用钣金件零件图及工艺分析

三角钣金件零件图如图1所示。对图1分析可知，该三角钣金件形状比较复杂，需多道工序成形。如果依靠普通机械，加工难度较大且加工成本较高，但如果使用冲压模具生产则可以降低加工难度和加工成本，并且从零件图上的标注可以看出，使用冲压生产完全可以满足该钣金件的制造精度要求，即该零件适宜冲压成形[5-7]。从该钣金件的零件图可以看出，其中3个74 mm尺寸的位置可以弯曲成形得到；3个Φ40 mm+高8 mm尺寸的位置可以采用拉深成形，并且该处的拉深系数较大，材料变形程度较小，拉深后端面不会因为材料的各向异性图形凸耳；筒形底部可以采用拉深+弯曲+胀形得到[8-10]。

图1 三角钣金件零件图

2 三角农用钣金件工艺方案的确定

由三角钣金件零件图可知，成形该零件时要经过落料、成形、冲孔三道工序，工艺方案有两种。

第一种工艺方案：落料→冲孔（大、小孔同时冲）→成形（拉深、折弯）。

第二种工艺方案：落料→成形（拉深、折弯）→冲孔（大、小孔同时冲）。

若采用第一种工艺方案，则存在两大难题：1）首次冲孔时坯料的准确定位；2）进行成形工序时，形孔的变形，即孔的精度不能保证。即便是解决了坯料的定位问题，而相应的定位元件也会增加模具的复杂程度，且形孔的变形难以避免。

若采用第二种方案，那么也就不存在上述问题。坯料成形工序的定位由坯料外形完成，成形模具的设计即能满足。而零件上的孔是在成形后完成的，成形精度由模具即可保证，不存在变形问题[11-15]。因此，应采用第二种工艺方案。

根据零件的外形，总共可以确定两种排样方案，如图2所示，具体分析比较如下。

图2 两种排样方案示意图

分析排样图可以看出，方案一的材料利用率明显高于方案二，且由于采用两个凸模同时落料，故生产效率更高。若选择方案一，则凹模的尺寸可确定如下。

凹模厚度H凹：

其中，s为垂直送料方向的凹模刃壁间最大距离；t为材料厚度；k为系数，考虑板料厚度的影响。s=214 mm，t=2 mm时，k=0.18，则H凹=0.18×214=38.52 mm，取H凹=40 mm。

凹模宽度B：

凹模长度L：

其中，s1=574 mm，s2=52 mm。

从计算结果可以看出，该方案所需凹模周界尺寸较大，且模架需要单独定制，会造成模具的制造、使用和维护成本提高。

因为是两个落料凸模同时冲裁，所以冲裁力Fcz（仅落料时）的计算如下：

其中，K=1.3，L=678 mm，t=2 mm，τ=340 MPa，则Fcz=2×1.3×678×2×340=1 198 704 N=1 198.70 kN。

由此可见，需要选用的压力机吨位数较大，生产的经济性不好。

综上所述，应采用第二种排样方案，在设计时共需设计三副模具，分别为落料模、成形模、冲孔模。

3 三角钣金件模具设计相关计算

3.1 落料模设计相关计算

3.1.1 凹模轮廓尺寸的计算

凹模厚度H凹：

其中，s=158.5 mm，t=2 mm时，k=0.18～0.22，则H凹=0.22×158.5=34.87 mm，取H凹=40 mm。

凹模宽度B：

凹模长度L：

其中，s1=152.55 mm，s2=52 mm。

3.1.2 料板尺寸的计算

凸模固定板厚度h1：

刚性卸料板厚度h2：根据手册，取h2=25 mm。

导料板的厚度h3：h3=8 mm。

3.1.3 模架的选取

根据GB/T 2851—2008《冲模滑动导向模架》，结合凹模周界尺寸，选取的冲模滑动导向模架：315 mm×(275 mm～320 mm)。

3.1.4 冲裁力的计算

冲裁力F：

其中，K=1.3，L=678 mm，t=2 mm，τ=340 MPa，则F=1.3×678×2×340=599 352 N=599.35 kN。

卸料力Fx：

其中，Kx=0.05，F=599.35 kN，则Fx=0.05×599.35=29.97 kN。

推件力Ft：

其中，Kt=0.055，n=6/2=3，F=599.35 kN，则Ft=3×0.055×599.352=98.89 kN。

3.1.5 压力机的选取

由于该冲裁模采用弹性卸料装置和下出料方式，故压力机公称压力Fz：

由计算值选取公称压力为800 kN的开式可倾压力机，最大闭合高度380 mm，闭合高度调节量100 mm。

3.2 冲孔模设计相关计算

3.2.1 凹模轮廓尺寸的计算

凹模厚度H凹：

其中，s=94 mm，t=2 mm时，k=0.22～0.35，则H凹=0.35×94=32.9 mm，取H凹=40 mm。

凹模宽度B：

凹模长度L：

其中，s1=94 mm，s2=48 mm。

3.2.2 料板尺寸的计算

凸模固定板厚度h1：

弹性卸料板厚度h2：根据手册，取h2=20 mm。

导料板的厚度h3：h3=8 mm。

3.2.3 模架的选取

根据GB/T 2851—2008《冲模滑动导向模架》，结合凹模周界尺寸，选取的冲模滑动导向模架：250 mm×(240 mm～280 mm)。

3.2.4 中间大圆孔冲裁力的计算

冲裁力F：

其中，K=1.3，L=πD=3.14×94=295.16 mm，t=2 mm，τ=340 MPa，则F=1.3×295.16×2×340=260.92 kN。

卸料力Fx：

其中，Kx=0.05，F=260.92 kN，则Fx=0.05×260.92=13.05 kN。

推件力Ft：

其中，Kt=0.055，n=6/2=3，F=260.92 kN，则Ft=3×0.055×260.92=43.05 kN。

3.2.5 压力机的选取

由于该冲裁模采用弹性卸料装置和下出料方式，故压力机公称压力Fz：

由计算值选取公称压力为400 kN的开式可倾压力机，最大闭合高度300 mm，闭合高度调节量80 mm。

4 三角钣金件成形工序复合模具结构及特点

成形工序复合模具结构如图3所示。开模状态下，在弹性元件橡胶2和顶杆13的作用下，推块7向下运动至其下底面和成形凸模8下底面平齐，垫柱11和垫块12一起上行至和凹模9上底面平齐。此时，把上副模具得到的工序件放入定位圈15内，达到对工序件的准确定位效果。然后，上模（包括模柄1、弹性元件橡胶2、六角螺钉3、上模座4、垫板5、凸模固定板6、推块7、成形凸模8）开始下行，在下行过程中，首先由推块7、成形凸模8、垫柱11、垫块12这四个零件配合完成对坯料的压紧，然后完成弯曲成形，接着是拉深成形，最后是对三个顶角位置完成压弯和胀形。开模过程则在弹性元件橡胶2、推块7、垫柱11、顶杆13的作用下完成自动出件。

图3 成形复合模具结构

5 设计要点

1）模具结构紧凑，刚性较好，且模柄的中心线和三角钣金件的压力中心完全重合，避免了在生产过程中出现偏载现象，提升了模具的使用寿命。

2）该模具需要的推件力较小，所以给推件块采用橡胶的供力方式，可以实现推件的同时简化模具结构，降低成本。

3）采用定位圈对工序件进行定位的方式具有稳定、可靠、快换、实惠的优点，定位圈内孔的单边尺寸比工序件外形尺寸大0.2 mm为宜，定位圈厚度比工序件大1 mm～2 mm为宜，这样既便于工序件准确定位，又便于零件的放置和出件。

4）下模设置顶件块结构，既能在成形过程中起到压紧工序件防止滑移的作用，又能在出件过程中保证零件不变形，一举两得，简单易行。

6 结束语

实践证明，该成形模具结构设计合理，能够可靠地完成送料、定位、冲压、出件等动作，生产效率高、成本较低，且完全满足产品设计要求，是一副较成功的模具设计，可为同类农用钣金件的生产提供借鉴。