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摘要：通過對(duì)沖模在剪板機(jī)上合理應(yīng)用的分析、研究，成功地設(shè)計(jì)出了適用于長(zhǎng)條多孔厚板沖壓加工的新工藝，詳細(xì)地介紹了沖孔模的結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)計(jì)算和主要零件設(shè)計(jì)技術(shù)方法，這對(duì)于拓寬非沖壓設(shè)備的使用范圍具有重要意義。
關(guān)鍵詞：模具設(shè)計(jì)；厚板沖壓；剪板機(jī)

一、前言

圖1所示橫梁是某重型設(shè)備的重要零件，材料為A3鋼，數(shù)量較多。工藝技術(shù)分析表明：(1)橫梁外形簡(jiǎn)單，材料屈服強(qiáng)度低，沖壓工藝性能好；(2)該零件的幾何特征是細(xì)長(zhǎng)、孔多、料厚，在普通壓力機(jī)上只能采用單孔或多孔(≤3孔)沖模沖制，生產(chǎn)效率，尺寸精度不易保證，工藝經(jīng)濟(jì)性很差；(3)剪板機(jī)、折板機(jī)等非沖壓設(shè)備工作平臺(tái)尺寸足夠(尤其是長(zhǎng)度方向)，力量較大，探索和研究用其來完成長(zhǎng)條多孔厚板零件的沖壓工作，對(duì)于挖掘設(shè)備使用潛力，提高工藝加工質(zhì)量都具有重要意義。

圖1橫梁

根據(jù)本廠實(shí)際情況，現(xiàn)采用Q11-13×2500型剪板機(jī)作為工藝試驗(yàn)設(shè)備。

二、模具結(jié)構(gòu)與工作原理

1.模具結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)條多孔厚板沖孔模如圖2所示。模具安裝調(diào)試前，需將剪板機(jī)下壓頭及附件拆去，在上刀架和工作平臺(tái)上加工出安裝螺釘孔。

圖2長(zhǎng)條多孔厚板沖孔模
1.上模座2.墊板3.凸模4.導(dǎo)料側(cè)板(卸料板)
5.工件6.凹模7.固定板8.導(dǎo)套9.導(dǎo)柱10.下模座

2.工作原理

長(zhǎng)條多孔厚板沖孔模的工作原理是［1，2］：當(dāng)模具處于上極限待工作位置時(shí)，可將毛坯條料(B＝800-0.5)從機(jī)床一側(cè)放置在凹模6上，并依靠導(dǎo)料側(cè)板4及定位銷(圖2中未示出，安裝在凹模6上)。模具工作時(shí)，上模隨剪板機(jī)上刀架下行，凸模3即可完成工件各孔的沖制工作，廢料從凹模孔中落下。最后，上模達(dá)下死點(diǎn)并隨上刀架開始向上運(yùn)動(dòng)，凸模3退出凹模6。同時(shí)，剛性卸料組件(即導(dǎo)料側(cè)板4)強(qiáng)迫卡在凸模3上的工件脫模。至此，橫梁沖壓工作完成。

三、參數(shù)計(jì)算

1.機(jī)床允許的最大沖裁力

迄今為止，國(guó)內(nèi)出版的專業(yè)圖書，對(duì)沖裁力的計(jì)算都用P＝L.t.τ，有的加大30%的安全系數(shù)，演變成Pmax＝1.3Ltτ。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明：當(dāng)用平刃口普通全鋼沖裁模沖裁時(shí)，其最大沖裁力是發(fā)生在凸模擠入板料約1/3料厚處。凸、凹模刃口處材料應(yīng)力超過材料屈服極限σs結(jié)束塑性變形，且應(yīng)力值達(dá)到材料剪切強(qiáng)度τ時(shí)，在凸、凹模刃口處產(chǎn)生裂紋并剪斷分離。因此，產(chǎn)生最大Pmax的位置是在凸模擠入料厚1/3處，用P＝Ltτ公式計(jì)算不夠準(zhǔn)確。推薦用Timmerbeil公式計(jì)算厚料(δ≥4mm)沖裁時(shí)的最大沖裁力［1］：

式中P機(jī)max——機(jī)床最大沖裁力，N
L——沖裁線長(zhǎng)度，mm
t——沖件厚度，mm
t′——沖裁開始的最初階段，凸模擠入板料深度，mm
τ——沖件抗剪強(qiáng)度極限，MPa

根據(jù)Timmerbeil介紹，(1-t/t)是一個(gè)與沖件材料屈強(qiáng)比1-t/t有關(guān)的系數(shù)，并可用Timmerbeil給出的諾謨圖求得1-t/t=0.66值，它們之間大致成1∶1線性關(guān)系(圖3)。

圖3 1-t/t系數(shù)諾謨圖

已知Q11-13×2500型剪板機(jī)可剪切板料最大厚度13mm，最大寬度2500mm，板料抗拉強(qiáng)度極限≤500MPa，屈服強(qiáng)度極限≤260MPa，抗剪強(qiáng)度極限≤240MPa。據(jù)此，可將L＝2500mm、t＝13mm、τ＝240MPa、1-t/t=0.66(取下限)，代入式(1)可計(jì)算出：P機(jī)max＝4056kN。

2.工件需要的最大沖裁力

如圖1所示，用A3鋼制作的橫梁，有σb＝470MPa、σs＝240MPa。因此，可將L＝π×20×38＝2386.4mm、t＝10mm、τ＝380MPa、1-t/t=0.66代入式(1)中，可得到工件最大沖裁力：P工max＝5985.091kN。

四、主要零件設(shè)計(jì)

1.凸模

厚板沖壓時(shí)，沖模工作零件即凸、凹模要承受更大的壓應(yīng)力，尤其是非圓斷面凸模的尖角、凸耳、折線交點(diǎn)等處，接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于平均壓應(yīng)力，顯著降低使用壽命。因此，必須采用高合金工具鋼來制作工作零件。沖孔凸模材料可推薦Cr12MoV鋼，熱處理硬度58～62HRC。為滿足P工max＜P機(jī)max，有兩種凸模結(jié)構(gòu)形式可供選擇［3，4］：

(1)斜刃口或波浪刀口凸模結(jié)構(gòu)，可使常規(guī)平刃口的剛性面沖擊、線沖切變成點(diǎn)接觸的斜刃和圓弧刃剪切，有良好的減噪效果。一般要求斜刃高與波浪弧頂高取(1-2)t，最大應(yīng)≤3t。實(shí)測(cè)這類沖模降噪2～13dB，降低沖裁力40%～80%。但由于橫梁沖孔直徑較小，高度過大，不僅制作困難，而且凸模受力不均易折斷，還會(huì)造成材料在受壓力作用時(shí)產(chǎn)生滑移，使工件產(chǎn)生翹曲、扭曲變形，影響工件質(zhì)量，故較少采用。

(2)臺(tái)階式凸模結(jié)構(gòu)(圖4)，具有降低沖裁力和消減噪聲的雙重效果。設(shè)計(jì)時(shí)，將凸模分成兩組，按模具橫向?qū)ΨQ間隔布置，可實(shí)現(xiàn)P工max′＝P工max/2＜P機(jī)max。最后我們決定采用此種臺(tái)階式凸模結(jié)構(gòu)型式。

圖4 臺(tái)階式凸模結(jié)構(gòu)

2.凹模

由于模具橫向尺寸較大，故應(yīng)將凹模設(shè)計(jì)為組合件，即采用凹模套與凹模座組成。這樣既可以節(jié)約貴重材料，又能簡(jiǎn)化加工工藝，易保證尺寸精度及使用要求，便于安裝與維修。凹模座可用45鋼制造，熱處理硬度28～32HRC；凹模套仍推薦采用Cr12MoV鋼，熱處理硬度58～62HRC。

五、結(jié)束語(yǔ)

(1)工藝試驗(yàn)證明，長(zhǎng)條多孔厚板沖孔模設(shè)計(jì)是成功的，具有使用價(jià)值及推廣意義，拓寬了非沖壓設(shè)備使用范圍。
(2)采用臺(tái)階式凸模結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)P工max′＜P機(jī)max，從而高效優(yōu)質(zhì)地完成橫梁的沖孔工作。
(3)因剪板機(jī)的最大封閉高度較小，因此，在保證使用方便、強(qiáng)度足夠的前提下，應(yīng)盡量減小模具幾何尺寸。

作者簡(jiǎn)介：黃春峰男，39歲，高級(jí)工程師
作者單位：黃春峰(中國(guó)航空燃?xì)鉁u輪研究所621703)

參考文獻(xiàn)
［1］張正修.厚板沖壓技術(shù).模具技術(shù).1997(4)：62～68
［2］黃春峰.支承座三工序復(fù)合沖壓模具.燃?xì)鉁u輪研究與試驗(yàn).1996(8)：25～28
［3］梁炳文.實(shí)用板金沖壓工藝圖集，第1集.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：56～57
［4］馮炳堯.模具設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)明手冊(cè).上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985：90～96

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