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长条多孔厚板冲孔模

更新时间:2008-9-1 16:00:07 文章来源:互联网 点击:

摘要:通过对冲模在剪板机上合理应用的分析、研究,成功地设计出了适用于长条多孔厚板冲压加工的新工艺,详细地介绍了冲孔模的结构、工作原理、参数计算和主要零件设计技术方法,这对于拓宽非冲压设备的使用范围具有重要意义。
关键词:
模具设计;厚板冲压;剪板机

一、前言

图1所示横梁是某重型设备的重要零件,材料为A3钢,数量较多。工艺技术分析表明:(1)横梁外形简单,材料屈服强度低,冲压工艺性能好;(2)该零件的几何特征是细长、孔多、料厚,在普通压力机上只能采用单孔或多孔(≤3孔)冲模冲制,生产效率,尺寸精度不易保证,工艺经济性很差;(3)剪板机、折板机等非冲压设备工作平台尺寸足够(尤其是长度方向),力量较大,探索和研究用其来完成长条多孔厚板零件的冲压工作,对于挖掘设备使用潜力,提高工艺加工质量都具有重要意义。

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图1横梁

根据本厂实际情况,现采用Q11-13×2500型剪板机作为工艺试验设备。

二、模具结构与工作原理

1.模具结构

长条多孔厚板冲孔模如图2所示。模具安装调试前,需将剪板机下压头及附件拆去,在上刀架和工作平台上加工出安装螺钉孔。

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图2长条多孔厚板冲孔模
1.上模座2.垫板3.凸模4.导料侧板(卸料板)
5.工件6.凹模7.固定板8.导套9.导柱10.下模座

2.工作原理

长条多孔厚板冲孔模的工作原理是[1,2]:当模具处于上极限待工作位置时,可将毛坯条料(B=800-0.5)从机床一侧放置在凹模6上,并依靠导料侧板4及定位销(图2中未示出,安装在凹模6上)。模具工作时,上模随剪板机上刀架下行,凸模3即可完成工件各孔的冲制工作,废料从凹模孔中落下。最后,上模达下死点并随上刀架开始向上运动,凸模3退出凹模6。同时,刚性卸料组件(即导料侧板4)强迫卡在凸模3上的工件脱模。至此,横梁冲压工作完成。

三、参数计算

1.机床允许的最大冲裁力

迄今为止,国内出版的专业图书,对冲裁力的计算都用P=L.t.τ,有的加大30%的安全系数,演变成Pmax=1.3Ltτ。实验已经证明:当用平刃口普通全钢冲裁模冲裁时,其最大冲裁力是发生在凸模挤入板料约1/3料厚处。凸、凹模刃口处材料应力超过材料屈服极限σs结束塑性变形,且应力值达到材料剪切强度τ时,在凸、凹模刃口处产生裂纹并剪断分离。因此,产生最大Pmax的位置是在凸模挤入料厚1/3处,用P=Ltτ公式计算不够准确。推荐用Timmerbeil公式计算厚料(δ≥4mm)冲裁时的最大冲裁力[1]:

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式中P机max——机床最大冲裁力,N
L——冲裁线长度,mm
t——冲件厚度,mm
t′——冲裁开始的最初阶段,凸模挤入板料深度,mm
τ——冲件抗剪强度极限,MPa

根据Timmerbeil介绍,(1-t/t)是一个与冲件材料屈强比1-t/t有关的系数,并可用Timmerbeil给出的诺谟图求得1-t/t=0.66值,它们之间大致成1∶1线性关系(图3)。

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图3 1-t/t系数诺谟图

已知Q11-13×2500型剪板机可剪切板料最大厚度13mm,最大宽度2500mm,板料抗拉强度极限≤500MPa,屈服强度极限≤260MPa,抗剪强度极限≤240MPa。据此,可将L=2500mm、t=13mm、τ=240MPa、1-t/t=0.66(取下限),代入式(1)可计算出:P机max=4056kN。

2.工件需要的最大冲裁力

如图1所示,用A3钢制作的横梁,有σb=470MPa、σs=240MPa。因此,可将L=π×20×38=2386.4mm、t=10mm、τ=380MPa、1-t/t=0.66代入式(1)中,可得到工件最大冲裁力:P工max=5985.091kN。

四、主要零件设计

1.凸模

厚板冲压时,冲模工作零件即凸、凹模要承受更大的压应力,尤其是非圆断面凸模的尖角、凸耳、折线交点等处,接触应力远大于平均压应力,显著降低使用寿命。因此,必须采用高合金工具钢来制作工作零件。冲孔凸模材料可推荐Cr12MoV钢,热处理硬度58~62HRC。为满足P工max<P机max,有两种凸模结构形式可供选择[3,4]:

(1)斜刃口或波浪刀口凸模结构,可使常规平刃口的刚性面冲击、线冲切变成点接触的斜刃和圆弧刃剪切,有良好的减噪效果。一般要求斜刃高与波浪弧顶高取(1-2)t,最大应≤3t。实测这类冲模降噪2~13dB,降低冲裁力40%~80%。但由于横梁冲孔直径较小,高度过大,不仅制作困难,而且凸模受力不均易折断,还会造成材料在受压力作用时产生滑移,使工件产生翘曲、扭曲变形,影响工件质量,故较少采用。

(2)台阶式凸模结构(图4),具有降低冲裁力和消减噪声的双重效果。设计时,将凸模分成两组,按模具横向对称间隔布置,可实现P工max′=P工max/2<P机max。最后我们决定采用此种台阶式凸模结构型式。

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图4 台阶式凸模结构

2.凹模

由于模具横向尺寸较大,故应将凹模设计为组合件,即采用凹模套与凹模座组成。这样既可以节约贵重材料,又能简化加工工艺,易保证尺寸精度及使用要求,便于安装与维修。凹模座可用45钢制造,热处理硬度28~32HRC;凹模套仍推荐采用Cr12MoV钢,热处理硬度58~62HRC。

五、结束语

(1)工艺试验证明,长条多孔厚板冲孔模设计是成功的,具有使用价值及推广意义,拓宽了非冲压设备使用范围。
(2)采用台阶式凸模结构,可以实现P工max′<P机max,从而高效优质地完成横梁的冲孔工作。
(3)因剪板机的最大封闭高度较小,因此,在保证使用方便、强度足够的前提下,应尽量减小模具几何尺寸。

作者简介:黄春峰男,39岁,高级工程师
作者单位:黄春峰(中国航空燃气涡轮研究所621703)

参考文献
[1]张正修.厚板冲压技术.模具技术.1997(4):62~68
[2]黄春峰.支承座三工序复合冲压模具.燃气涡轮研究与试验.1996(8):25~28
[3]梁炳文.实用板金冲压工艺图集,第1集.北京:机械工业出版社,1992:56~57
[4]冯炳尧.模具设计与制造简明手册.上海:上海科学技术出版社,1985:90~96




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