摘要：介紹了一種沖壓模具技術(shù)在復(fù)雜斷面冷彎型鋼生產(chǎn)線上定尺切斷技術(shù)的應(yīng)用。圍欄樁冷彎型鋼是一種端面復(fù)雜并且封閉的型材，為了充分發(fā)揮生產(chǎn)線的效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善生產(chǎn)環(huán)境，采用沖壓模具對(duì)圍欄樁冷彎型鋼在線切斷，通過(guò)分析圍欄樁冷彎刑鋼的沖壓工藝和生產(chǎn)線特點(diǎn)，確定了模具結(jié)構(gòu)及數(shù)量、對(duì)模具具體設(shè)計(jì)作了深人分析，從產(chǎn)品展開(kāi)到模架選擇，從確定模具結(jié)構(gòu)到運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析都做了詳細(xì)探討，特別闡述了凸模的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)證明這種切斷方式具有噪聲小、斷面質(zhì)量高和效率高的優(yōu)點(diǎn)。
1 引言
冷彎型鋼的斷面結(jié)構(gòu)合理、品種規(guī)格多、幾何尺寸精確，是一種用途廣泛的經(jīng)濟(jì)成型鋼材，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，在建筑、交通、機(jī)械、家電等各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的冷彎型鋼的品種、規(guī)格約有2000余種。冷彎型鋼輥壓線機(jī)組通常包括開(kāi)卷、矯直、帶鋼切頭、成形、定尺切斷、檢查、收集〔其中有的包括有焊接，還有的包括沖孔模具等)等主要工序。切斷裝置是冷彎型鋼輥壓線機(jī)組的重要組成部分。國(guó)內(nèi)的輥壓線機(jī)組切斷裝置大多采用飛鋸切斷，型鋼斷面處有較大的變形和毛刺，定尺長(zhǎng)度精度低，鋸切時(shí)噪聲較大，隨動(dòng)行程較大。對(duì)于開(kāi)口型鋼的在線切斷，可采用剪切機(jī)，從而保證了型鋼斷面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了快速切斷，剪切噪聲低、振動(dòng)也較小并且無(wú)毛刺川。可對(duì)于復(fù)雜封閉截面的型鋼生產(chǎn)線，如何保證斷面質(zhì)量并且有效的發(fā)揮生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度卻是一個(gè)難點(diǎn)。
圖1為冷彎型鋼自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)品一圍欄樁零件圖，其截面如圖2所示，對(duì)圍欄樁的在線切斷問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，決定采用在線模具化切斷。具體切斷系統(tǒng)包括:預(yù)沖孔模具、隨動(dòng)小車、復(fù)位氣缸、機(jī)械定位裝置、光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)、控制系統(tǒng)、液壓缸及切斷模。本文主要介紹模具部分。
圖1 零件
2 在線切斷工藝分析
由圖2可以看出，產(chǎn)品的斷面不但封閉而且比較復(fù)雜，由豎直面、橫面和弧面組成封閉截面，材料為1. 25 mm的鍍鋅鋼板。要求切斷時(shí)不但要保證斷面質(zhì)量而且不能破壞鍍鋅層，還要滿足生產(chǎn)線的速度。這為模具設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大麻煩。若采用常規(guī)切斷模具做整體切斷，將無(wú)法切除，不能滿足產(chǎn)品要求，根據(jù)零件特點(diǎn)作了深人分析，決定在冷彎成形前預(yù)留6.8mm的切斷量。因?yàn)榱慵螤詈芴厥猓鼓Ｈ锌诓糠直囟楫愋危坏芮袛嗷∶妗M面及豎直面而且不能有塌角和刮傷，根據(jù)工藝需要，為了防止塌角并保證凸模的強(qiáng)度，決定在零件中間及拐角處要預(yù)先沖出工藝孔，并且必須在成形前沖出預(yù)沖孔，也就是在冷彎前再加一工序-做預(yù)沖孔，因此要設(shè)計(jì)一套預(yù)沖孔模具。即切斷該工件需要兩套模具:一套預(yù)沖孔模具，一套切斷模具。
圖2 工件截面圖
3 預(yù)沖孔模具設(shè)計(jì)
3.1 互預(yù)沖孔的位置確定
從預(yù)沖孔到切斷，中間還有成形工序，這樣預(yù)沖孔的位置確定就比較復(fù)雜。不但要保證切斷面的質(zhì)量，還要盡量選擇合適的位置以提高切斷模凸模的強(qiáng)度，并且還要保證不影響后序的冷彎成形，再根據(jù)沖壓工藝的要求，沖裁件的孔與孔之間、孔與邊緣之間的距離不應(yīng)過(guò)小，來(lái)對(duì)孔的位置進(jìn)行修正，通過(guò)電腦反復(fù)模擬，設(shè)計(jì)出預(yù)沖工藝孔如圖3所示。中間部分的孔是為了保證凸模的中間部分不要過(guò)長(zhǎng)過(guò)尖，并且在沖切工件的頂部時(shí)，使形成的切屑容易排開(kāi)。拐角處的孔是為了保證切斷時(shí)不會(huì)有塌角，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生不易排開(kāi)的料屑。
3.2工件的展開(kāi)
直接利用Pro/E的展開(kāi)命令把零件展開(kāi)而得到展開(kāi)圖。通過(guò)展開(kāi)命令進(jìn)行展開(kāi)有Feature Create Sheet metal Unbend Regular,選擇一個(gè)展開(kāi)時(shí)的基準(zhǔn)面或邊(不動(dòng)面或邊)，再選Unbcnd All命令，再點(diǎn)擊OK即可。生成如圖4所示的展開(kāi)圖。
3. 3 預(yù)沖孔模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作過(guò)程分析
(1)預(yù)沖孔模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)展開(kāi)圖及精度要求，選擇對(duì)角導(dǎo)柱模架，采用正裝方式，凸模在上，凹模在下。預(yù)沖孔模具的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。為了加工經(jīng)濟(jì)方便，以及便于維修更換，凸、凹模均采用鑲塊式結(jié)構(gòu)，這樣可以不用卸下整套模具便能更換鑲塊。兩塊凸模4與凸模固定板5定好位后，連同凸模墊板6一起利用螺絲直接固定在上模座7上，兩塊凹模21對(duì)稱鑲?cè)讼履ＤＷ?內(nèi)。為了防止廢料粘模，特別在凸模上設(shè)計(jì)了卸料橡膠22，沖裁下廢料后，在橡膠22的彈力作用下使廢料與凸、凹模順利分開(kāi)。為了剪切省力，將刃口部分做成了1. S0斜度，凸模如圖6所示。另外因?yàn)槭窃诰€自動(dòng)化生產(chǎn)，板帶自動(dòng)送進(jìn)，所以采用了固定卸料板，這樣卸料板不但起到卸料作用而且也起到導(dǎo)料板的作用，并且固定卸料板具有卸料力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn).單的特點(diǎn)。
(2)預(yù)沖孔模具工作過(guò)程分析
在工作過(guò)程中，板帶導(dǎo)人導(dǎo)料板〔在此導(dǎo)料板與卸料板3為同一塊板)，生產(chǎn)過(guò)程中是自動(dòng)送料，是由光電開(kāi)關(guān)確定沖裁位置。板帶走到適當(dāng)位置，在液壓機(jī)作用下上模座帶動(dòng)凸模4下行，凸模開(kāi)始工作，在凸、凹模共同作用下，沖孔完成。在橡膠22的彈力作用下使廢料順利從漏料孔漏出，凸模上行，一個(gè)沖程完成。
4 切斷模具設(shè)計(jì)
4. 1切斷模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
切斷過(guò)程是在運(yùn)動(dòng)中完成，從總體上來(lái)說(shuō)模具的重量要盡量輕，重心要盡量低，以使在切斷時(shí)靈巧而又不至于傾斜。切斷模具結(jié)構(gòu)如圖7所示:凸模14是通過(guò)銷7、小擋板8及凸模固定板3定好位，連同凸模墊板19一起固定在上模座4上。為了制造和使用方便，下模設(shè)計(jì)比較特殊，它是由夾板A 10, B11、導(dǎo)位板A 12, B13及塞板17組合在一起固定在下模座15上，在此夾板A l0, B 11是所謂的凹模固定板，同時(shí)也對(duì)凸模起到導(dǎo)向作用;導(dǎo)A和B一起組成凹模，在切斷過(guò)程中不僅對(duì)工件起導(dǎo)向作用同時(shí)也起支撐作用，這樣大大減少了切斷過(guò)程中的不良變形，更好的保證斷面的質(zhì)量，
切斷模具整體上是由上模和下模兩部分組成。因?yàn)橐ＷC切斷面的質(zhì)量，則必須保證凸、凹模的間隙大小合適并且分布均勻，可是凸模很薄且長(zhǎng)，并且行程也長(zhǎng)，這樣就要求有好的導(dǎo)向裝置，為了減少導(dǎo)柱本身的變形，盡量縮短導(dǎo)柱的長(zhǎng)度〔按常規(guī)的設(shè)計(jì)，把導(dǎo)往安裝在下模座上，導(dǎo)柱將很長(zhǎng)，則比較容易變形)，將導(dǎo)柱裝在下模的夾板上(圖7)則解決了這一問(wèn)題。夾板在此有兩個(gè)作用:對(duì)凸模起導(dǎo)向作用，很好的保護(hù)凸模，以增加凸模的壽命;分別用來(lái)固定導(dǎo)位板A12和導(dǎo)位板B13。
4. 2切斷模具工作過(guò)程分析
型材一直是在運(yùn)動(dòng)中，切斷過(guò)程也是在運(yùn)動(dòng)中完成，切斷模具固定在隨動(dòng)小車上。具體模具工作過(guò)程是:工件有導(dǎo)位板導(dǎo)人，運(yùn)行至隨動(dòng)小車，模具隨小車一起運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)根據(jù)光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，使機(jī)械定位裝置工作實(shí)現(xiàn)機(jī)械精確定位，隨后液壓缸根據(jù)控制系統(tǒng)的信號(hào)，帶動(dòng)切斷上模下行，凸模14開(kāi)始工作，在切斷過(guò)程中凸模利用其角度和弧度完全將廢料排開(kāi)，保證與工件貼合，直至完全切斷，壓力機(jī)也到了下死點(diǎn)，所形成的廢料分成6段，成卷狀，由漏料孔排出。切斷過(guò)程如圖8所示，由①到②切掉上端兩側(cè)弧面部分;由②到③切掉豎直面部分并且開(kāi)始切下端弧面;由③到④將下端弧面切掉。隨著壓力機(jī)回程，凸模脫離工件回到上止點(diǎn)，機(jī)械定位裝置解除定位，然后隨動(dòng)小車帶動(dòng)切斷模具在復(fù)位氣缸的作用下快速?gòu)?fù)位，型材繼續(xù)前移，下一個(gè)行程開(kāi)始。
4. 3切斷模具的凸摸設(shè)計(jì)及凹模部分設(shè)計(jì)
因?yàn)楣ぜ亩嗣嫘螤畋容^復(fù)雜，并且預(yù)留切斷量只有6. 8 mm,因此，在設(shè)計(jì)凸模時(shí)，對(duì)凸模的強(qiáng)度及韌性還有刃口的形狀都提出了很高的要求。
4. 3. 1凸模材料選擇
凸模失效的形式為斷裂、彎扭和磨損，因此，凸模的材料選用抗磨損冷作合金鋼Cr12MoV材料，且經(jīng)多向鍛造進(jìn)行細(xì)化晶粒的預(yù)處理，然后再淬火，再回火，回火溫度達(dá)260-280℃，其表面硬度達(dá)58-61HRC，以保證有較高的強(qiáng)度與韌性。
4. 3. 2凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于工件的特殊性，要將整個(gè)異形斷面分離，也就是不僅要對(duì)豎直方向的金屬分離而且還要對(duì)水平和圓弧方向的金屬分離，可是凸模只作上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣凸模的刃口部分必然要有一定的形狀才能使工件不致變形。根據(jù)前面沖出預(yù)沖孔的位置及大小，再結(jié)合工件的形狀，進(jìn)行刃口部分的設(shè)計(jì)，整個(gè)刀刃部分由4段弧組成，左右對(duì)稱，為了減小沖裁力，在凸模的刃口部分設(shè)計(jì)了1. 5°的斜度，這樣也是對(duì)凸模的一種保護(hù)。另外，預(yù)沖孔的寬度只有6. 8 mm，因此凸模厚度只能小于6. 8 mm，在此設(shè)計(jì)為6. 0 mm，可要使整個(gè)斷面分離，切斷行程比較長(zhǎng)，凸模長(zhǎng)度達(dá)到256 mm，根據(jù)綜合分析采用直通式凸模，上端開(kāi)孔，插入圓銷以承受卸料力，這樣設(shè)計(jì)出的凸模及實(shí)物照片如圖9所示。上端設(shè)計(jì)有4個(gè)孔，目的是為了凸模磨損或損傷后調(diào)整凸模的高度，可以再次磨刃口，以增加凸模的使用壽命，節(jié)省成本。刃口的不同角度走向及弧度主要有兩個(gè)作用:(1)保證切屑外翻或內(nèi)卷，使形成廢料能順利排出，其目的是不影響后面的切斷;(2)凸模下行的過(guò)程中保證凸模和工件合理地力作用，以較小
的沖壓力平穩(wěn)地切斷。
4. 3.3凹模部分設(shè)計(jì)
下模采用拼塊式結(jié)構(gòu)，如圖7所示:由夾板A10、夾板B11、導(dǎo)位板A 12、導(dǎo)位板B13和塞板17及下模座15組成，組成切斷凹模的主要部件為導(dǎo)位板A12、導(dǎo)位板B13二導(dǎo)位板不僅可以支撐工件，以減少工件在切斷過(guò)程中的變形，而且便于加工，可以方便的調(diào)節(jié)切斷模的合理問(wèn)隙因?yàn)橥埂寄５拈g隙大小及分布的均勻性是保證沖裁件質(zhì)量(指切斷面質(zhì)量、尺寸精度及形狀誤差)的書要因素，同時(shí)間隙對(duì)沖裁力、模具壽命的影響也很大。在工作過(guò)程中，凹模的受力及磨損也是很大的，為了保證凹模的強(qiáng)度，材料選用與凸模相同，為抗磨損冷作合金鋼Cr7 2MoV。
5結(jié)論
這兩套模具應(yīng)用于生產(chǎn)后，達(dá)到了自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。切斷后型鋼斷面無(wú)毛刺、塌角，隨動(dòng)行程短，切斷噪聲低、振動(dòng)小，適應(yīng)高速冷彎型鋼機(jī)組不停機(jī)生產(chǎn)要求，相對(duì)于傳統(tǒng)的割斷或鋸斷是一個(gè)很大的飛躍。對(duì)于異型復(fù)雜封閉斷面冷彎型鋼在線切斷的模具設(shè)計(jì)得出結(jié)論如下:
(1)對(duì)于異形復(fù)雜封閉斷面冷彎型鋼的在線切斷完全可以由沖壓模具完成，但是預(yù)沖工藝孔的選擇非常重要，它是能否順利實(shí)現(xiàn)沖切的前提。
(2)關(guān)于切斷模具中凸模的設(shè)計(jì)不但要充分考慮凸模的強(qiáng)度和剛度，而且要根據(jù)不同截面形狀的型鋼來(lái)確定刃口部分的形狀，首先保證切斷過(guò)程中凸模和工件合理地力作用，同時(shí)也要考慮沖切時(shí)產(chǎn)生的廢料形狀及走向，使廢料能順利排出，不影響后續(xù)的切斷。
