冲制桥形切口板面变形分析及模具设计

1冲制桥形切口板面变形的分析及模具设计蒋传刚（汕头市电器控制设备厂有限公司，广东汕头515041）摘要:分析了冲制桥形切口后工件板面发生变形的原因，介绍了能消除弹复应力、防止板面变形的模具结构。关键词:桥形切口弹复应力模具结构TheDieDesign&anAnalysisofDeformationWhileStampingthePlatedSurfaceofBridge-shapeCutJIANGChuan-gang（ShantouElectronicControlEquipmentCo.,Ltd,Shantou515041,China）Abstract：Analysethedeformationreasonoftheplatedsurfaceafterpressingthebridge-shapecut，andintroducethemethodsforeliminatingthestressofspringbackandpreventingtheplatedsurfacedeformingofdiestructure.Keywords：Bridge-shapeCut；SpringBackStress；Diestructure1.引言桥形切口是电器柜柜体上常用的一种通风孔形式。通常在柜体的侧面、顶部或前后门的面板上成组冲制。它不仅能起到柜体内通风、向外散热的作用，也使原来显得呆板的板面增加美感，同时被冲钣金件的刚性也会有所增加。本文所述的成组桥形切口如图1所示，图中桥面段1与两端的斜边段3构成桥形区，搭边段2的宽度F等于桥面段宽度E的0.618倍。2图1桥形切口示意图1.桥面段2.搭边段3.斜边段冲制桥形切口后的工件板面，会发生整体扭曲变形如图2所示，和搭边段拱曲变形如图3所示，造成工件板面平面度质量下降。如2mm钢板800×1000的工件变形，严重时局部翘起达22mm！工件冲压后已不可能再用辊平的方式进行修整,必须增加较烦琐的如锤展矫正等手工整形工序，这不但明显增加成本,而且整形后的板面质量也达不到理想的效果。致使装配后出现柜体变形、门不能关紧、内应力较大等质量问题。我们对桥形切口的冲压过程及变形后的工件进行了分析，找到了变形的原因和相应对策，在模具结构的设计上作了相应的改进，最终使变形问题得到了彻底解决。3图2冲制桥形切口后的工件变形示意图2.桥形切口的冲压过程和工件板面变形分析当冲床的滑枕下行时，首先是卸料板在上模弹压力的作用下压紧工件，凸模随后切入工件，并同时使桥面段边线与工件发生剪切分离；随滑枕继续下行,凸模的斜刃部分对工件进行剪切。因斜边大于直角边的原因,使对应的该部分材料在紧贴凸模的剪切过程中，延45度方向同时拉伸变长,这时，先前已剪切分离的桥面段，也因斜边段的拉伸而相应发生水平方向弹性拉长;当滑枕回程时，顶料块将工件顶出凹模。此时的工件板面已发生了扭曲和局部拱曲变形。不同尺寸和不同组合的桥形切口，冲压后或多或少都会发生这类变形，且变形的方向一致，有相同的规律性。图3搭边段受压后失稳拱曲示意图1.桥面段2.搭边段在冲制桥形切口时，工件在外力作用下产生斜边段的弹塑性伸长变形和桥面段的弹性伸长变形。当施加于工件上的载荷消失后，由斜边段、桥面段组成的桥形区随即发生弹复变形。如图3所示，桥形区的水平方向弹复使A点、B点之间的距离缩短，因搭边段刚性差而受压失稳，并向外拱曲变形，这是其一。其二同样是由于A点、B点之间的距离缩短，造成整个工件的中心部位受拉，内应力较大（俗称“内紧”）而使工件板面扭曲变形如图2所示。这两种变形导致工件平4面度严重超差。为证实我们的分析，应用切口分离法[1]，将桥面段延宽度方向锯开，或如图3所示按箭头方向锤击J和G点使桥形区长度伸长，都等于去除了桥形区的弹复应力，随即可见整个工件板面的扭曲和拱曲变形消失，工件板面随之恢复平整。由此可以断言，工件板面的扭曲和局部拱曲，都是因为桥形区的弹复应力导致的。因此，消除卸载后的桥形区弹复应力是解决工件板面变形的关键。目前许多厂家普遍采用了加大搭边段宽度F的方法，这种用加大宽度而增加搭边段截面积的方法，能使其受到的压应力减少。当搭边段宽度F大于2倍桥面段宽度E时,这时弹复应力已不足以使已增大横截面的搭边段发生变形(或只是微量变形),此时整个桥形区的水平方向弹复因搭边段刚性增加而完全受阻,其弹复应力以残余应力的形式保留下来[1],此时A点和B点之间的距离没有发生变化，所以工件是平整的。这种方法在生产中已得到印证。但是，增加搭边段的宽度必然使通风口数量减少而影响柜体内通风的功能，所以这还不是一个好的办法。3.能消除工件弹复应力、防止板面变形的模具结构围绕着既要保持设计要求的通风量、保持美观的视觉比例，同时又要解决板面变形的问题，我们从消除桥形区的弹复应力入手，考虑了二个方案，重新设计了模具结构。5图4结构1示意图1.凸模2.工件的桥面段3.有二处凸起的顶料块结构1如图4所示，在顶料块3上设计二处凸起，其作用是在桥形切口冲制的最后时刻，在凸模1和顶料块3的共同作用下，使顶料块的二处凸起楔入桥面段表面。也就是说使桥面段2的料厚方向受到挤压而使其水平方向伸长,与水平弹复量Δl相互抵消。冲压时可以通过调整楔入的深度，使其产生不同量的伸长以适应不同形状的工件。这种模具结构的改进取得了满意的效果。其不足之处是工件的形状有所改变，桥面段表面增加了两条(或数条)浅槽，虽说不影响美观但与原设计意图不太相符，同时对于板厚比较薄的工件会造成一些强度下降。结构2如图5所示[2]，重新设计了凸模和顶出器。6图5结构2示意图1.凸模2.弹性件3.卸料板4.顶料块5.凹模6.顶杆7.底座8.螺杆9.顶出盘10.顶出橡胶11.垫片12.顶平橡胶13.螺母1.重新设计的凸模将刃口工作面由平面改为圆弧面因连接两点之间的距离圆弧线比直线长，我们设想能利用这种长度差，先将桥面段先冲成圆弧面，之后再将圆弧面顶平为平面，用以补偿桥形区的水平弹复量Δl。在冲压过程中，因剪切时工件紧贴凸模，此时桥面段也带有与凸模相近似的圆弧，顶料块始终顶紧桥面段。当达下极点之后，卸料板依旧对工件施压，凸模随机床回程而开始缩回卸料板，因而使失去凸模支撑的桥面段在顶料块下顶力的作用下开始变形，使圆弧面展平为平面或接近为平面。此时，桥形区上的A、B点之间的距离增加了Δ，与工件水平弹复量Δl相抵消，使桥形区的弹复应力消失。随着机床的继续回程，工件由顶料块顶出凹模。2.重新设计的顶出器将顶出力和顶平力分开考虑到顶料块将圆弧面顶为平面时需要较大的力,极易使工件在顶出凹模时7因顶力过大而变形。所以，新设计的顶出器将顶出力和顶平力分开，分别作用于冲压的不同时段。如图5所示，通过调整螺母13,可调整顶平橡胶12的预压量。图中C等于顶出行程，数值为材料厚度加通风口高度。冲压作业中随凸模的下行，顶杆6随之受压下行。因顶平橡胶12的面积大于顶出橡胶10，因此，顶出橡胶首先变形，直至C=0。此时,外力开始直接传递在顶平橡胶12上,顶平橡胶受压力而开始变形储能。通过下极点后的凸模开始回程，卸料板依旧压紧工件，凸模开始缩回卸料板，顶平橡胶因凸模缩回而将桥面段的圆弧面顶平，直至行程受限而顶平橡胶停止工作。此后，由顶出橡胶继续对顶杆施力，间隙C由0开始恢复至最大值，直至将工件顶出凹模。图6为顶出器的顶出力和行程坐标图，图中om为顶平行程，mn为顶出行程。m图6顶出力和行程坐标图3.模具设计中工件弹复量的确定在整个冲压后工件的弹复变形都是处于比例极限范围内，根据虎克定律σ=E·ε和普通钢板的比例极限，可以确定工件桥形区的弹复量Δl=l·ε=l·σ/E桥形区长度l=67.6,查Q235－A钢板的屈服强度不低于235MPa，本例中8取235MPa，E=2.05×105MPa，代入后得出Δl=67.6×235÷(2.05×105)=0.077(mm)所以，我们取凸模圆弧弧长为67.68mm，等于直线长加桥形区的水平弹复量。凸模详细尺寸如图7所示。图7带圆弧面的凸模4.结束语正如预期的那样，重新设计制造的冲模，在工件成组冲制桥形切口时，因模具的特殊结构而消除了水平弹复量。工件已不再扭曲和拱曲变形,平面度的误差也在公差允许的范围内，这项技术革新取得了满意的效果。参考文献：[1]李硕本等冲压工艺理论与新技术[M]北京机械工业出版社2002.11[2]冲模设计手册编写组冲模设计手册[M]北京机械工业出版社19999作者简介：蒋传刚男1948年9月出生籍贯上海中专学历高级技师、机械工程师，长期从事工艺与工装设计、制造联系电话：[phone]电邮：[e-mail]单位：汕头市电器控制设备厂有限公司地址：汕头市饶平路5号