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汽车空调磁吸盘冲压工艺与模具设计
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作者：胡千祥 刘晓兰% J3 J1 Z% l- A( s8 M
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1 零件结构及工艺分析
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图1所示为汽车空调磁吸盘零件，材料为10钢，料厚6.0mm，零件表面要求磨削加工至厚度5.5mm，表面粗糙度要求几=0.8μm。零件有3个深度0.8mm圆环形凹槽，加工精度要求高，还均匀分布6个细长腰形孔，其宽度为3.0mm，孔深比t/D(料厚/孔径) ≥1，加工工艺方法为深孔冲裁，细长腰形孔之间的孔边距为5mm。零件生产批量大。根据零件结构特点分析，制造中存在以下技术难点:①零件属于厚料小孔冲裁工艺，加工难度大;②冲制6个细长腰形孔时，凸模易失稳折断、凹模刚性、结构强度难以保证;③3个圆环形凹槽采用数控车床切削加工，切削难度大，加工周期长，若采用冷挤压加工，可以提高工效，减轻劳动强度。由于零件圆环形凹槽尺寸精度高，必须要有合理的模具结构和正确的工艺方法保证。, V" _# C6 ?, g. r6 D
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# R# x5 X4 w t6 g8 I2 冲压成形方案比较及选择 0 U9 u% \: U4 q( ~. U7 _$ W9 k
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冲压、成形工艺方案主要根据零件材料特性、结构特点与要求来选定。由于零件的制造关键在6个细长腰形孔的冲裁和3个圆环形凹槽的加工，其工艺设计主要应考虑零件制造工艺的编制及合理的模具结构。具体工艺方案有以下3种:
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5 I3 p, K6 @9 O+ W* `2 _. W/ m5 e(1)复合冲孔、落料→分2次冲制6个细长腰形孔→车3个圆环形凹槽→磨端面。
. M& l! q# `9 k(2)复合冲孔、落料→液压机压制3个圆环形凹槽→分2次冲制6个细长腰形孔、磨端面。
) ]( u# K" T. n& `3 I1 t(3)复合冲孔、落料→液压机压制3个圆环形凹槽→1次冲制6个细长腰形孔→磨端面。
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$ @- n. b. p/ ~) Y/ }; O方案(1)由于分2次冲制6个细长腰形孔，由机械加工3个圆环形凹槽。该方法多了1道冲孔工序且采用机械加工圆环形凹槽，故零件生产周期长费用高，且6个腰形孔位协调性较差，因此该方案虽可行但不可取。 - K$ c( x( Z8 j" o+ {0 Y
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方案(2)由机械加工3个圆环形凹槽改为液压机压制3个圆环形凹槽，实现了无切削加工，但是要分2次冲制6个细长腰形孔，加工工序多，零件尺寸难以协调保证。 . Q" J, H" b2 J4 a8 Z3 w# W
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方案(3)是在方案(2)的基础上由2次冲制6个细长腰形孔改为1次冲制6个细长腰形孔，减少了1道冲孔工序，而且采用液压机压制3个圆环形凹槽，既提高了工效又实现了无切削加工，所以该方案为最佳加工工艺方案。
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! E+ O( M5 X' Y% F1 V3 模具设计 # }6 T4 d( v( h: d( V7 Y% e: ~
& X0 X9 p5 S" M2 R; B5 I零件第一工序采用复合模进行冲孔、落料，其冲裁力一般按下式计算:
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- [& }' m! Z; z7 a$ @P = 1.3 Ltτ 3 G3 O1 g. W p) \8 Q. Q
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式中：L-展开周长，mm；t-材料厚度，mm；τ-10钢材料抗剪强度，MPa。 / T j9 T0 ?8 C# D
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按式(1)计算磁吸盘零件的冲裁力约为152kN，但考虑到模具结构和实际情况，选用了400kN冲床。由于选择了合理的模具结构、冲床设计以及冲裁间隙，确保了该工序零件的加工质量。以下主要介绍细长腰形冲孔模、压槽模。
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. R( y) P% x& i3.1 腰形冲孔模 6 X, H0 L$ W# z6 T3 [; W
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模具结构如图2所示，腰形冲孔模是保证该零件加工制造成功的技术关键。由于零件料厚6mm，6个细长腰形孔之间的孔过止巨只有5mm氏零件生产批量又大，凸、凹模工作部分结构、刚度及强度尤为重要，要保证厚料冲小孔的连续进行，就必须提高凸、凹模工作时的强度和刚度，同时还要保证整副模具的刚性和稳定性。
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对于上述问题，通常采用以下4种方法来解决:
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(1)由于料厚，工作时冲裁力大，为保证凸、凹模的强度、刚性，模具材料均选用热处理后变形小，内应力小的Cr13MbV，淬火硬度58-62HRC。
9 z" M" V8 M# J) a* D+ j+ ^7 r; r(2)在凸模全长或局部增设保护套(导向块或导向板)。
- Q5 V# }; w" w6 L! `! r(3)采用超短凸模。
5 }! E. t3 r: I2 q(4)降低冲裁力，既要考虑凸、凹模的强度，又要考虑凸、凹模损坏以后能快换，才能提高工作效率。 ! D; b s; p- ^" f3 q x9 Z/ M
~0 D3 k$ f, T9 f! X3.1.1 模具设计要点
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, V+ v! P% P$ T w为了提高模具使用时的稳定性，卸料板4既是卸料板又是凸模保护套，小导柱11有4个，它与凸模固定板采用H7/r6紧配合，与卸料板采用Hg/h6滑配合，与凹模采用HS/h6滑配合。这样4个小导柱就将3块板连在一起(凸模固定板、卸料板、凹模)，起到了定位和导向作用，增加了模具刚性和稳定性。为尽量减小凸模长度没有采用橡胶卸料，而是采用强力弹簧8，即用8个强力弹簧装在上模板上，通过顶杆5卸料。零件通过定位销3定位。 " {; j! n; S: J" `; V
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3.1.2 腰形冲孔凸模 $ p3 ^4 p5 h7 ~- z# O
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为了减小冲裁力，凸模刃口做成斜刃，凸模固定没有采用常规方法，而是采用1个内六角螺钉拉紧，这样有2个好处:一是凸模损坏后可以快换;二是凸模加了护套浮动，装配时可以减少不必要的干涉。冲孔凸模见图3。
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3.1.3 冲孔凹模
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2 `# @1 K, B2 D; h% q由于一次冲制6个细长腰形孔，孔与孔之间的边距仅为5mm、小于6mm的材料厚度。为了降低冲裁力和推件力，凹模刃口也做成斜刃；为了延长凹模寿命，凸、凹模单边间隙取0.4mm；为了达到快换的目的，凹模用4个M10沉头螺钉固定在凹模加强板上;为了增加凹模强度，在凹模下面加了1块凹模加强板。冲孔凹模见图4。
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3.1.4 强力弹黄的选用 / Y9 P; l7 T- L$ E1 Z, n1 @
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强力弹簧主要起卸料作用，所以必须计算卸料力，卸料力的计算公式为：
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Px = KxP （2）
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. z$ U! U& E" [7 \- ]式中：Px--卸料力，N；Kx--卸料力系数；P--冲裁力，N。
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首先计算冲裁力：按公式（1）P=1.3Ltτ计算，细长腰形孔周长按图5计算，L=85.6mm；t=6mm；τ=260~340MPa。 . {; d1 |7 f( b1 w) `2 l5 p1 y( x" W0 v
, W: L- B- B, W9 H. t
将已知条件代入公式（1） P=1.3X85.6X6X340X6=1362kN。 ! x( E4 G- N) @4 _! M2 \
! @# _( d( `+ l7 n) y3 j4 U再计算卸料力： 1 t$ ^" K6 ^& F3 S- c
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按公式（2） Px=KxP 计算，Kx=0.03；Px=KxP=0.03X1362=40.86kN。 $ D5 M; ^# J0 R+ h' D- k
6 f4 P6 K. F& c用8个强力弹簧卸料，每个强力弹簧的卸料力必须不小于5.1kN，通过计算，所选强力弹簧标准是：QB1001-070.232 32x6。 3 }0 k+ N' s* m# a o$ |
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8 @% B+ a( {: {# d9 p0 X3.2 压槽模
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制件3个圆环形凹槽尺寸精度要求高，原采用数控车床切削加工，切削难度大，加工周期长，制造费用也高，现采用冷挤压加工，可提高工效，减轻劳动强度，但必须要有合理的模具结构和正确的工艺方法保证。
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压槽模结构见图6。工作时将冲孔落料后的毛坯用定位销8定位在凹模上，凸模下行时先将毛坯压入凹模框，凸模继续下行，由于毛坯的内孔和外圆均被凹模约束，毛坯在液压机的巨大压力下(450kN)，材料产生塑性变形。凸模上的3个凸槽在液压机的压力下将毛坯冷挤压出3个凹槽，槽深在1mm左右。限位块3避免压槽过深，可通过试模确定限位块高度。凸模压至下止点后上行，这时气垫通过顶杆、卸料板将毛坯顶出。 * P5 I4 u: b0 m+ Z2 v
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5 V9 a% \0 G9 P4 结束语 * G" j/ e8 C* q! Q1 [
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针对汽车空调磁吸盘零件的加工，设计了合理的冲压、成形模，用无切屑加工代替有切屑加工，实际生产表明，采用这种制造工艺与模具不仅能保证产品质量，而且还提高了劳动生产效率，降低了生产成本和劳动强度。(end) |
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发表于 2010-7-2 13:12:13