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軟硬模輥式衝壓模具設計及工（gōng）藝（yì）優化

2019-2-14 來源：宜賓職業技術學院作者：劉勇

摘要: 軟硬（yìng）模輥式（shì）衝壓模具解決了（le）傳統鋼質模輥衝（chōng）裝（zhuāng）置存在的幹涉問題，但在實際使用中仍存在諸多缺陷（xiàn），如: 上（shàng）下輥的易調節操縱（zòng）性差、板料衝裁加（jiā）工變（biàn）形大等。結合（hé）衝壓模具的實際應用情（qíng）況，對軟硬模輥式衝壓模（mó）具進行了結（jié）構改進和衝頭優化設計。優化調整了下輥高（gāo）度的楔形機構，保證衝壓時的重疊量且更容易實現上下輥的水平度; 將輥式衝壓機上的平刃口圓柱衝頭改為中空（kōng）內斜刃衝頭，減小了衝壓（yā）後產生的塌陷深度，提高了板的平整度（dù）。經計算仿真和實（shí）驗驗證，表明本（běn）文（wén）所提出的優化方案切實可行，能夠有效提高衝壓質量。

關鍵詞: 輥式衝壓模具（jù）; 楔形結（jié）構（gòu）; 模具缺陷; 衝頭; 衝裁力

隨（suí）著工業產品（pǐn）質量的不斷（duàn）提高，衝（chōng）壓產品呈現出多品種、少批量、複雜化、精密化、更（gèng）新換代（dài）快的特點，傳統的衝壓工藝越來越難滿足需求。

我國板材衝孔工業規模雖大，技術卻較落後，輥衝工藝的出現在很大程度上使（shǐ）當前衝壓技術得到了一（yī）定改善。

付建華（huá）等對輥式衝孔機的研究較多（duō），其研究主要集（jí）中在上（shàng）下輥模具齒輪咬（yǎo）合式的衝壓工藝，並對（duì）衝壓（yā）機的結構進行了設（shè）計與優化，對衝裁力、輥壓力、輥直徑等參（cān）數提出（chū）了理論（lùn）的計算公式，還（hái）對凸模的形狀進行了優化分析。

但（dàn）研（yán）究（jiū）對象仍還是采用了傳統的鋼質模具，並沒有解決模具磨（mó）損問題，另外這種滾動衝裁帶來了機械幹涉的問題，造成衝裁質量的下降。付誌強對輥衝進行了研究，並將其研究成果與現有的輥（gǔn）彎成形生產線進行了有效結（jié）合。趙鵬展等設計研發了上模為（wéi）鋼（gāng）模、下模（mó）為聚氨酯橡膠軟模的軟硬模輥式衝壓機（jī），該機器已能夠成功完（wán）成一定的衝孔工藝（yì），所得衝壓件質（zhì）量較高。

綜上研（yán）究成果，並結合部分大中型衝壓廠家在使用輥式（shì）衝壓中存在的不足，本文對軟硬模輥式衝壓模具進行了優化設計（jì），並對其進行實（shí）驗驗證，為輥式衝壓新型工藝技術應用於輥彎成形（xíng）生產提（tí）供（gòng）一些參（cān）考。

1 、衝壓模具簡述

輥式衝壓模（mó）具結構（gòu）主要由 3 部分組成: 喂料結構、衝裁結構及（jí）修整結構，其結構示（shì）意圖如圖 1 所示。

板材經喂（wèi）料結構的傳遞和（hé）調整送達衝（chōng）裁結構。為保證其水平度，3 部分結構理論上位於同一水（shuǐ）平麵上。衝壓工藝需在剪切區建立良好的水平靜壓（yā）狀態作為衝壓的必（bì）要（yào）條件，這一必要條件正是衝（chōng）壓工藝的難點。

輥式衝壓原理（lǐ）為: 受剪件局部受剪變形但（dàn）受整體不變（biàn）形的（de）製約，從（cóng）而獲得剪切麵而不出現撕（sī）裂麵。

其衝（chōng）頭與坯料局部接觸施壓，形成局部剪（jiǎn）切（qiē）狀（zhuàng）態，隨著輥軸（zhóu）的旋轉（zhuǎn），在剪切（qiē）狀態下（xià）連續地完

成衝孔。

其衝裁結構與傳統鋼製模輥（gǔn）衝裝置存（cún）在顯著不同（tóng），具體構造如圖 2 所示。

上輥采用鋼質模，而下（xià）輥采用聚氨酯，高度（dù）調節采用楔形（xíng）機構，實現上下輥重疊量的調整，調節螺栓在機座的內側。板材衝裁（cái）過後需要修整結（jié）構對其進（jìn）行矯（jiǎo）正，降低板材的變形（xíng）量。

2 、模具缺陷分析與結（jié）構（gòu）優化

衝壓模具在實際工作（zuò）中，由（yóu）於聚氨酯下（xià）輥的高度調節采用楔形機（jī）構，調（diào）節螺栓在機座內側，同時下輥高度的調節範圍也相當有限，使得調節起來非常不方便，甚至采（cǎi）用專用設備在實際操作過程中也（yě）很難調整至（zhì）期望位置。為此，本文從實際使用的易操作性出發，對衝壓模具結構、衝壓工藝進行優化。

其中，模具結構的優化包括下輥高度調整機構優化和衝頭結構（gòu）優化。

2. 1 下輥高度調整機構優化

設計下（xià）輥高度調整機構仍由 4 部分組成，包括上楔形塊、下楔（xiē）形塊、楔形塊（kuài）底座和楔形塊（kuài）擋板。將調節螺栓由機座內側（cè）調整至機座外側邊，同時增大（dà）調節高度，這樣保證了衝壓時的重疊量，而且更容易實現上下輥的水平度（dù），優化改進後楔形下輥高度調整機構中各組件設計圖如圖 3

所示（shì）。

其中，圖中所（suǒ）設計參數比改（gǎi）進前基礎上增大了約 20% 調節高度，其（qí）具體（tǐ）尺寸值僅（jǐn）作為參考（kǎo）。安裝（zhuāng）時首（shǒu）先固定底座，再分（fèn）別放置下（xià）、上楔形塊，最後用沉頭螺栓固定擋板 ( 具體使用（yòng）螺絲的規格及數（shù）量，根據衝壓模（mó）具的實際（jì）使用情況確定) 。楔形機構的各參數根據使用設（shè）備情況設計，材質選取硬質鋼（gāng）。同（tóng）時，上下楔形塊的接觸（chù）麵必須保證足夠的（de）粗糙度。

圖 3 楔形機構改進後組件設計二維圖

2. 2 衝頭優化

目前，設備上的衝頭通常采用平刃（rèn）口圓柱形狀，厚度一般為 5 mm。通過監測實際（jì）使用情況發現，傳統的上下（xià）往返（fǎn）式衝孔工藝，其衝頭的形狀會影響衝孔過程中的衝裁力和衝孔後板料的塌陷度。

結合工程實際，將衝（chōng）頭（tóu）采用兩種（zhǒng）方案進行優化對比，然後根據仿真結果選取（qǔ）最佳方（fāng）案。這兩種方案分別（bié）為橢圓相貫（guàn）衝頭和內斜刃衝頭，如圖 4 所示。

首先（xiān）求取在相同工（gōng）況（kuàng）下衝孔過程中（zhōng）衝頭（tóu）的衝裁（cái）力，由於仿真過程中衝（chōng）頭的變形（xíng）會耗散（sàn）衝頭衝擊能，因此將衝頭設定為剛性材料（liào）; 工件設定為彈塑性材料，且材料參數按拉伸試驗測定值（zhí）設（shè）定。通過有限元仿真反求，在平（píng）刃口圓柱衝頭載荷為 5436 N 的衝壓工況下，橢圓（yuán）相貫衝（chōng）頭的衝裁力為 6459 N，內斜刃衝頭的衝裁力為 6030 N。進一步求取衝壓過程中（zhōng）斷裂瞬間 3 種結構（gòu）的衝頭變形量，即塌（tā）陷深度值。在（zài）上述（shù）反（fǎn）求（qiú）得到的（de）衝裁力作用下，材料參數同樣按上（shàng）述反求衝裁力設置（zhì），進一步計（jì）算得到其變形位移雲圖，如圖 5 所示。

圖（tú） 5 不（bú）同衝頭形（xíng）狀的變形仿真（zhēn）結果

從仿（fǎng）真（zhēn）結果可以（yǐ）看出: 在相同工況下，采用圓柱衝頭衝孔時塌陷變形最（zuì）大，深度值（zhí）為 1. 5 mm; 采用橢圓相貫衝頭次之，最大塌陷量為 0. 9 mm; 當采用中空內斜刃衝頭時（shí），其塌陷變形（xíng）最小，為0. 3 mm。由（yóu）此（cǐ）不難看出，衝頭的形狀對衝（chōng）孔（kǒng）效果的影響顯著（zhe）。

將輥式衝壓機上的平刃口圓柱衝頭改（gǎi）為中空內斜刃衝頭，衝壓後產生的塌陷深度會（huì）大大減

小，同時也減小了碾平機架的工作負擔，板料的平整度會得（dé）到很（hěn）大的提高。

2. 3 衝（chōng）壓工藝優化及衝壓質量實測對比

為（wéi）進一步對中（zhōng）空內斜刃衝頭方案進行試驗驗證，選取 Q195 鋼板作為試驗板（bǎn）材，其被試件參數為長2000 mm × 寬 100 mm × 厚 4 mm。為客觀評價其衝壓（yā）效果，衝壓的其他參數（shù）與試驗前實際使用的衝壓保持一致。

將衝壓工（gōng）藝優化調整（zhěng）為: 首先將（jiāng） 3 機（jī）架上的上下輥輥縫調整（zhěng）至（zhì）能使（shǐ）板料順利穿過，板料穿過碾平輥約 10 cm 左右; 同時，調整修整機架上輥高度，使其與下輥（gǔn）緊緊壓住板料; 然後調節楔形機構，即上（shàng）升聚（jù）氨酯下輥，左右側同時調（diào）節，以保證水平度。

衝頭將板料咬入（rù）聚氨酯裏（lǐ）一定量時為止，由於重疊量過大，當轉速較小時（shí）設備無法正常啟動（dòng），因此，調節（jiē）該步驟中的重疊量時其值不宜過大，約 5 mm左右。最後調節咬入上輥，在保證左（zuǒ）右無（wú）縫隙差的情況下，適當壓緊板料。

圖 6 模具優化前 ( a) 、後 ( b) 板料衝壓結果（guǒ）

圖 6 所示為模具優化前（qián）後板料衝壓結果。從被試件的衝壓結果中可以看出: 板料跑偏的問題得到很好地解決，同時衝不透的情況也有（yǒu）所改善，整個被試板料的彎曲（qǔ）度也大大（dà）降低。中間鑰匙形孔與兩側圓孔完全（quán）能夠被衝透（tòu），邊緣孔大多數能被衝透，僅有極少數孔未被完全（quán）衝（chōng）透，但（dàn）較優化之前的未（wèi）衝透孔的數量要少很多。

同時，這（zhè）些未被完全衝透的孔中，大部（bù）分是由於與板料有少量連帶所以落料未能順利掉下; 板（bǎn）料邊緣的折疊現象（xiàng）幾乎不存在。優化後被試（shì）件整體板（bǎn）料較優化前（qián）的彎（wān）曲度大大降低其平整度更好，這說明在衝壓過程中板料不均勻（yún）變形量得到了抑製。

3 、結論

( 1) 對衝裁機架上控製聚氨酯下（xià）輥高度的楔形盒機構進行（háng）改進設計，改善了調節方式，在滿足足夠壓下量的前（qián）提（tí）下（xià），使得操作更為方便，同時（shí）增大了（le）高度的調節範圍。

( 2) 在當前使用的平刃口圓柱形衝頭基礎上，優（yōu）化設計了橢圓相貫衝頭和內斜（xié）刃衝頭兩種方案，並對其進行（háng）仿（fǎng）真對比，其（qí）結果表明: 在相同工況下，橢圓（yuán）相（xiàng）貫（guàn）衝頭的塌陷（xiàn）變形量要比平刃口（kǒu）圓柱形衝頭小，中空內斜刃（rèn）衝頭塌（tā）陷變形最小，該衝頭方（fāng）案（àn）能夠有效提高板料的平整度。

( 3) 將衝壓工藝進一步調整優化，進（jìn）行試驗驗證，中空內斜刃衝頭較之原設計方案平刃口圓柱形衝頭，能夠有效解決板料跑偏的現象，同（tóng）時衝不透的（de）情況也有所改善（shàn），整（zhěng）個被試板料的彎曲度也大大降低，能夠顯（xiǎn）著提高衝壓效果。

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