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中厚板成形模的刚性卸料结构设计

厚度为4.5~25mm的钢板称为中厚板,中厚板在汽车上的使用主要是大梁类结构,包括汽车的横梁、纵梁。汽车梁类结构是汽车的骨架,不仅承载着整车质量,也是汽车受撞击时的受力部件。中厚板弯曲模一般结构简单,但是成形卸料后的零件质量难以控制,废品率较高。

在设计与制造模具时,不仅要保证中厚板梁类制件的成形质量,也要保证生产效率。因而,成形模卸料机构是否安全可靠对汽车零件生产效率的提高有着重要意义。以下主要介绍横梁类制件的工艺分析及成形卸料问题。

制件形状

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图1 横梁类制件外形

汽车用中厚板横梁类制件主要起支撑作用,一般要求制件结实,厚度在5~8mm,结构较简单,主要外形大致分为3类,即U形件、π形件、L形件,如图1所示。

制件工艺分析

U形件的一般工艺流程:落料、冲孔→弯曲成形,落料冲孔模主要是成形外形,冲后续成形模用的定位孔以及制件上各孔;π形件与U形件类似,只是多了两侧法兰,在弯曲成形上略复杂一些;L形件若单件压弯毛坯容易发生偏移,可采用成对弯曲成形,在实际制件设计及模具成形零件中,L形件一般都是左右对称,弯曲时左右件拼在一起成形,成形模与U形件基本相同,只是在弯曲成形后需再加1副冲裁模,即L形件具体工艺过程为:落料、冲孔→弯曲成形→冲裁、冲孔。如果L形零件两侧缺口较大,正面孔都比较集中于中心部位,在落料、冲孔时,可在两侧加工艺孔,用于后续定位。

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图2 某车型横梁连接板

图2所示为某横梁连接板L形件,材料为B610L,厚度为8mm,长度为685mm。

该制件具体成形工艺方案:①冲孔、落料,冲翼面孔,保证Y坐标相同,冲后续成形定位工艺孔及分离异形孔;②弯曲,保证间隙均匀,确保成功卸料;③冲孔及零件分离,分离接口需平齐,注意解决毛刺问题。各工序成形制件如图3所示。

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(a)冲孔落料

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(b)弯曲

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(c)冲孔及零件分离

图3 L形件成形工序

成形过程

因L形件具有代表性,此处以图2所示的厚8mm连接板制件为例进行说明。

冲压前先对落料后的板材及模具凸、凹模镶件进行表面润滑处理冲孔落料的凸凹模间隙,用润滑油涂抹。机床顶杆顶起推板,高于凹模镶件5mm左右,将板材置于推板上相应定位工艺孔处,保证板料中心与模具中心重合。在机床液压缸的压力推动下,凸模镶件随上模将板料下压进入凹模,保压一定时间,上、下模分离,推板升高,凸模和制件随上模离开凹模,上模氮气缸推动推杆将零件从凸模上推出,整个冲压过程完成。

影响卸料因素

在中厚板成形过程中,制件常会包裹在凸模上难以卸料,造成这种情况的因素很多,有摩擦力、制件回弹、凸模与凹模间隙等。由于成形该制件的凸模与凹模间隙合理,制件回弹也在合理范围内,考虑卸料困难的主要因素是摩擦力。

卸料现状

目前,中厚板成形弯曲模的卸料方式大部分采用氮气弹簧加顶杆的形式,因为中厚板成形时摩擦力主要集中在制件翼面,为了便于卸料,尽可能将顶杆布置在凸模上制件弯曲处附近,且离弯曲线越近越好,以消除摩擦力带来的影响。

当前卸料方式缺陷

制件成形时所受摩擦力大小的影响因素很多,与润滑方式、制件材质、凸凹模镶件表面粗糙度等因素都有一定关系,所以摩擦力的分布及摩擦力的大小很难计算,在选择氮气弹簧的规格和数量时也很难一次到位。

一般根据经验选取力度较大的氮气缸,在实际生产过程中,虽然氮气缸布置会尽可能靠近制件弯曲线,但也还有一定距离,如果氮气缸力度过大,卸料时制件受推杆正面的推力而出现反拱现象,推力越大,反拱弧度则越大,使得制件翼面包裹凸模镶件更紧,摩擦力随之增大,卸料更困难。

通过不断试验或根据经验选取合适的氮气缸对设计及生产造成很大的麻烦,且推杆靠近弯曲线太近,凸模镶件上的避让孔也越靠近制件弯曲线,造成凸模镶件强度减弱。当制件反拱紧贴凸模镶件时,为取下制件,钳工通常会用工具将制件撬下来再进行模具修整,容易损伤模具零件且存在一定的安全因患。

刚性卸料理论基础

由于目前中厚板成形卸料方式的缺陷较大,根据生产现场结合实际情况改进以前的卸料方式,设计出一种新的卸料结构。

中厚板制件弯曲成形时,为了完善布置弹簧或氮气弹簧,需要顶件力,而顶件力与自由弯曲力有关。U形件的自由弯曲力由以下公式计算。

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通过计算能大概得出顶件力的大小,然后根据顶件力选取合适的氮气弹簧大小和数量,但是此估算值对薄板作用较大,而中厚板摩擦力的浮动范围太大,只能得出大概的氮气弹簧数量及分布结构,而理论和实际也会有一定偏差,不能保证每次都完全卸料成功。

卸料问题主要原因是制件贴服凸模镶件,摩擦力过大造成卸料困难,需减小或消除摩擦力即可成功卸料。现场调试情况复杂,摩擦力很难计算,考虑到中厚板制件强度很高,可采用一种直接消除摩擦力的解决办法,即刚性卸料。根据作用力与反作用力的原理,用刚性卸料对制件的拉力抵抗制件与凸模镶件之间的摩擦力。

刚性卸料具体措施

刚性卸料结构

刚性卸料零件的材料选用45钢,为增加强度的同时保证一定的塑性,热处理进行调质28~32HRC。工作时,刚性卸料零件会直接勾住制件进行强力卸料,为了保证其稳定性,选用螺钉加销钉的方式固定于下模座上。卸料零件的结构简单,制作方便,如图4所示。

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图4 刚性卸料零件

中厚板制件弯曲成形时,在下模相对靠近制件弯曲线附近数铣一平面安装刚性卸料零件,保证各处安装平面高度一致,设计对应的安装螺纹孔和销钉孔,将刚性卸料零件装在下模。经实践证明,对角安装更方便取放料,对推板顶出后与刚性卸料零件的支撑斜角干涉处进行数铣,并铣出上模及凸模镶件与刚性卸料零件的让位部分,完成中厚板弯曲模各处加装刚性卸料零件的准备工作。如初期设计模具可直接将上述因素考虑在设计阶段,后期直接一次加工到位。弯曲成形模结构如图5所示。

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图5 模具结构

1.下模座 2.凹模 3.刚性卸料 4.凸模 5.上模座 6.氮气弹簧安装板 7.氮气弹簧 8.打杆 9.凸模基座 10.安全挡板 11.限位块 12.顶杆垫块

具体应用

成形中厚板制件时,将制件置于刚性卸料零件下的推板上,模具合模、保压后,上、下模分离,推板推出,制件包裹凸模镶件随上模上升,遇到刚性卸料时零件被直接卡住,在刚性卸料零件拉力和顶杆推力及机床滑块作用力的共同作用下,抵消摩擦力,中厚板制件脱离摩擦力阻滞后,在推杆推力下弹出,制件顺利卸下,将制件旋转至合适位置,避开刚性卸料装置取出,弯曲成形模完成一个冲次。

设计要点

刚性卸料装置在设计时需要注意以下几个要点:

① 挂台的高度尽可能高出制件,保证制件的放置操作简单;

② 刚性卸料装置对角线空档处需大于制件长度,卸料后便于制件取出;

③ 该装置安装于下模座上,安装时选用螺钉加销钉,生产时定期紧固;

④ 注意推板处的避让,防止推板顶出后与刚性卸料装置斜角处干涉;

⑤ 上模凸模镶件相应进行让位处理,不影响强度的情况下,越大越好;

⑥ 为便于适应机床及模具两侧交替工作,设计成四角刚性卸料,实际生产中,在方便取放料方向安装对应的对角刚性卸料装置。

实际生产中,为减少对刚性卸料装置及中厚板制件的冲击力,可改用普通弹簧加推杆结构,即将氮气弹簧换为普通螺旋弹簧,弹簧的力量有限冲孔落料的凸凹模间隙,基本不会使制件出现反拱变形,推杆也可以稍微靠近中心布置,以增强凸模镶件强度,推杆与刚性卸料结合应用,共同完成中厚板制件弯曲成形时的卸料。

此外,对凹模镶件进行TD处理,调整凸、凹模间隙等措施可进一步减小冲击力和抵消摩擦力。

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