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编者按 通过对不锈钢长圆形件冲压工艺的分析及计算，提出将采用单工序模冲压的传统工艺改为新工艺，采用能完成冲切毛坯外形、拉深、侧冲及成形等工艺的多工位级进模进行冲压。详细介绍了该制件拉深工艺计算的过程，并根据计算的数据绘制出拉深工序图，将所绘制出的工序图合理地安排在制件排样图上，根据排样图设计出模具结构，并对该模具结构的特点做了详细介绍。经过生产验证，该模具排样和结构设计合理可靠，生产出的制件质量合格，生产效率高，能满足大批量生产的需求，对类似制件的生产有参考和借鉴价值。  不锈钢长圆形件是某汽车上的配件，材料为SUS304不锈钢。该制件的传统工艺采用9副单工序模冲压成形，即：毛坯落料、拉深复合模（工序①）；二次拉深（工序②）；三次拉深（工序③）；整形（工序④）；外形落料、冲中间顶孔（工序⑤）；侧冲孔（工序⑥、工序⑦）；凸缘处成形（工序⑧）；整形（工序⑨）。单工序模冲压模具虽然具有结构简单、模具设计及维修方便等优势，但所需模具较多，冲压成本高，随着产量的日益增长及市场的激烈竞争，单工序模已经无法满足大批量生产需求，缺乏竞争优势。经分析，决定采用一副可以落料、拉深、侧冲及成形的多工位级进模进行生产，其生产出的制件质量稳定性好，生产效率高，同时也大大降低了制件的冲压成本。 如图1所示，该制件形状复杂，是一个带弧面凸缘的长圆形件，料厚t＝1.6mm，最大外形长为76.8mm、宽为44.5mm、高为30.6mm；拉深部分为长圆形， 在长圆形的侧壁冲出一个21.5mm×14
图1 不锈钢长圆形件形状及尺寸 在多工位级进模上完成该制件的冲压成形，向上拉深成形较为合理，具体冲压工艺流程为：冲切毛坯外形→拉深→整形→冲顶孔及外形废料→侧冲孔→凸缘成形及整形→落料（制件与载体分离）[1]。 3.1 毛坯尺寸计算 该制件凸缘处形状不规则，按相关理论公式计算较繁琐，计算结果与实际相差较大。因此用专业的展开软件进行计算，速度快且准确度高，计算出的制件毛坯如图2所示。
图2 制件毛坯 3.2 拉深工序计算及各工序尺寸绘制 （ 1 ） 拉深工序计算[2] 由图1可看出，该制件为不规则异形凸缘的长圆筒形件， 当
图3 长圆形毛坯形状计算所涉及的尺寸 1）首次拉深工序尺寸计算。首次拉深形状按椭圆形过渡。
首次拉深高度按经验值预计算：
2）二次拉深工序尺寸计算。
二次拉深高度按经验值预计算：
3）三次拉深工序尺寸计算。
从A3、B3计算数据可以看出，该尺寸小于制件的尺寸，但与制件的中心线尺寸相差不大，因此，该工序的外形尺寸及高度按制件的外形尺寸及高度来绘制即可，即拉深高度H3＝29mm。需要说明的是，以上拉深高度为预估数据，具体值需在调试中做进一步调整。 （2）拉深工序简图绘制 根据以上计算，绘制出各工序的简易外形尺寸[3]，如图4所示。
图4 简易外形尺寸  （1）排样设计要点 排样设计是多工位级进模设计的核心环节之一，排样具体要点介绍如下：①冲压出的制件合格且稳定性好。②尽可能简化模具结构。③确保各凸、凹模有足够强度的前提下尽量减少工位数。④尽可能降低制造成本。⑤在保证带料送料稳定的前提下尽可能提高材料利用率[4]。 （2）排样要点分析 该制件冲压工艺比较复杂，具体步骤分析如下。 1）首先冲切出制件毛坯外形，留毛坯与载体搭边即可。该制件为拉深件，凸缘处是弧面。因此，载体与毛坯采用工艺伸缩带来连接过渡，这样可以确保载体不受毛坯在拉深、成形过程的影响而导致变形、扭曲，方便送料，同时也减小了成形时的阻力，载体及搭边设计如图5所示。
图5 载体及搭边设计 2）拉深工位布置。该制件先拉深，分3次完成，考虑到拉深的工作过程原理，在首次拉深前后各留一个空工位，方便压边圈设置及拉深动作的合理进行。 3）侧冲孔布置。拉深结束再侧冲方孔和一个φ2.1 4）侧冲孔结束后再进行凸缘弧面的成形、整形工作，最后落料（制件与载体分离，分离后的制件从右边模面出件）。 （3）排样图设计 经过以上几点分析后，将该制件分为23个工位来排样，如图6所示，具体工位安排如下：在工位1上冲导正销孔、预切外形废料；在工位2、工位3上预切外形废料；工位4为空工位；在工位5上完成首次拉深；工位6、工位7为空工位；在工位8上完成二次拉深；在工位9上完成三次拉深；工位10用于整形；工位11为空工位；在工位12上冲顶孔、冲切外形废料；工位13用于冲切外形废料；工位14为空工位；在工位15上侧冲孔；工位16为空工位；在工位17、工位18上侧冲孔；工位19为空工位；在工位20上完成凸缘弧面成形；工位21用于凸缘弧面整形；工位22为空工位；在工位23上完成落料（即制件与载体分离）。
图6 制件排样 （1）模具总体设计 模具结构如图7所示，该模具由1副大模架和6组模板组合而成，总长为2000mm，宽为650mm，高为450mm，各组的工作内容具体介绍如下[5]。
图7 模具结构 1—下模座 2—内限位块 3—外导料板组件 4、14、26、52—上垫板 5—上模座 6—矩形弹簧 7、31、54—凸模固定板 8、28—冲孔凸模 9—预切外形废料凸模 10、36、46、49—弹顶销组件 11—导正销 12、25、55—卸料板垫板 13—外导柱组件 15、20、22、24—顶块 16、35、40、83—氮气弹簧 17、19、21、23—拉深凹模 18、78—凹模固定板 27—小导柱组件 29—凸模固定块 30、32—冲切外形废料凸模 33—斜楔固定板 34、39、42、44—斜楔 37、43—斜楔垫块 38、41、45、76—滑块 47—凸缘部分弧面成形凸模 48—凸缘部分弧面整形凸模 50—卸料螺钉 51—冲切载体与制件分离凸模 53—切断载体凸模 56、77—卸料板 57—滑槽 58、61—冲切载体与制件分离凹模 59—下垫块 60—限位柱 62—凸缘部分弧面整形凹模 63—凸缘部分弧面成形凹模 64—垫块 65—浮动导料销 66、67—滑块固定压板 68、69—下模板 70、97—下垫板 71—侧冲方孔凸模垫块 72—侧冲方孔凸模 73—侧冲孔凹模 74—圆形侧冲小凸模 75—平行柱 79、80—冲切外形凹模镶件 81—凹模压板 82—冲顶孔及冲切外形凹模镶件 84、87、89—卸料板镶件 85—长圆形整形凸模86、91、95—导正销组件 88、90、94—拉深凸模 92—拉深凸模垫板 93—压边圈垫板 96—压边圈 98—套式顶料杆 99—下托板 100—预切外形废料凹模 101—冲孔凹模 1）第一组冲切导正销孔及毛坯的外形废料。为了简化冲切毛坯外形废料的结构，并考虑到凸、凹模的强度，该毛坯外形分7个刃口进行冲切。 2）第二组完成首次拉深。为了方便调整压边力，该模具将首次拉深单独设计为一组。 3）第三组完成二次拉深、三次拉深及整形。 4）第四组精切外形废料。该外形废料除了留4个搭边，其余部分分4个刃口冲切而成。 5）第五组侧冲方孔和一个φ2.1 6）第六组完成凸缘弧面成形、整形及落料。 （2）导柱、导套设计 为了提高模具的精度及使用寿命，在模座上设置4套φ60mm的外导柱、外导套和24套φ20mm的小导柱、小导套。 （3）导正销孔设计 该模具在两边载体及毛坯中间均设置导正销孔，均在工位1进行冲切，工位2采用3个导正销同时精确定位，后续根据每个工序的需要，将容易窜动的工位均设置成导正销定位。 （4）侧冲孔结构设计[6] 侧冲孔结构是该模具的关键结构之一，从图1可以看出，该制件共有2处侧冲，即一个21.5mm×14 以工位15的侧冲孔模具结构（见图8）为例做详细介绍。该部分结构比较特殊，左、右滑块均设置在带料的工位与工位之间来实现侧冲动作，斜楔垫块8、14埋在上模座9里面，斜楔6、17固定在斜楔固定板7上，滑块3、19吊装在卸料板垫板4上，各凸模分别固定在滑块及凸模固定块上，滑块复位采用氮气弹簧18来实现。
图8 侧冲孔模具结构 1—下模板 2—圆形侧冲小凸模 3、19—滑块 4—卸料板垫板 5—卸料板背板 6、17—斜楔 7—斜楔固定板 8、14—斜楔垫块 9—上模座 10、11、15、16、22—螺钉 12、18—氮气弹簧 13—弹顶销组件 20—侧冲方孔凸模垫块 21—卸料板 23—侧冲方孔凸模 24—下垫板 25、29—平行柱 26—侧冲孔凹模 27—工序件 28—圆形侧冲小凸模固定块 冲压动作：上模下行，导正销（图中未画出）先对带料进行定位，上模继续下行，滑块3、19底面接触到平行柱25、29的上平面后，上模继续下行至斜楔接触到滑块，使滑块3、19向中心滑动，对带料上的工序件27进行侧冲，模具回程时在氮气弹簧12、18的弹力下完成复位。 该模具安装在3150kN的闭式压力机上进行试冲及大批量生产，经过生产验证，冲压速度可达到30冲次/min。结果表明，该制件采用多工位级进模来实现拉深、侧冲是合理可行的，大大提高了生产效率并降低了制件的成本，满足了大批量生产的需求，试冲出的料带实物如图9所示。
图9 料带实物 传统工艺采用9副单工序模冲压，该模具改用新工艺，采用1副多工位级进模来冲压，可完成冲切毛坯外形、拉深、侧冲及成形等工序，大大提高了生产效率且降低了制件成本。为了方便制造、维修及调试，该模具由1副大模架与6组模板组合而成。首次拉深单独设计1组模板，可以在压力机上直接调整压边力，方便维修及调试。为了增加侧冲方孔凹模的强度，将21.5mm×14 参考文献： [1] 陈炎嗣．多工位级进模设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2012. [2] 薛启翔．复杂形状零件引伸[M]. 北京：机械工业出版社，1989. [3] 金龙建．连接支架自动攻丝多工位级进模设计[J].模具制造，2011（12）：84-87. [4] 陈炎嗣．多工位级进模设计与制造[M]. 北京：机械工业出版社，2014. [5] 洪慎章．实用冲压工艺及模具设计[M]. 北京：机械工业出版社，2015. [6] 金龙建．冲压模具设计实用手册（多工位级进模卷）[M]. 北京：化学工业出版社，2018. 本文发表于《金属加工（冷加工）》2022年第6期9~14页，作者：松渤电器（上海）有限公司 金龙建 ，原标题：《不锈钢长圆形件多工位级进模设计》。 |
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