燈罩形狀件成形工藝分析及模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)

祝世興，王 朔

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

模具設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的重要技術(shù)之一，其設(shè)計(jì)和制造水平的高低成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合制造能力的重要標(biāo)志，而模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)又是近年來(lái)非常流行的設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)出的模具，不僅精度高、效率高而且還能完成各種數(shù)字化加工的后續(xù)工作[6]。本文通過(guò)對(duì)燈罩形狀件成形工藝分析，在傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)中引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，使用CAD通用軟件CATIA實(shí)現(xiàn)了模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)，為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造提供了統(tǒng)一的建模數(shù)據(jù)。

1 燈罩形狀件的結(jié)構(gòu)分析及加工工藝分析

圖1是一汽車(chē)燈罩零件，材料A3，材料厚0.5 mm，要求表面平直、光滑。零件需要經(jīng)過(guò)落料、沖孔、壓筋和彎曲四個(gè)工序完成成形。在成形過(guò)程中要保證彎曲時(shí)，筋條處不會(huì)開(kāi)裂，還要檢驗(yàn)一副模具完成兩次彎曲的可行性，同時(shí)要注意彎曲回彈的影響以及減小回彈的措施。在壓筋前還要通過(guò)試模來(lái)確定零件寬度的實(shí)際落料尺寸。本次設(shè)計(jì)將落料、沖孔、壓筋三個(gè)工序在一副復(fù)合模具上完成，降低了生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，同時(shí)為保證零件半成品在成形前的質(zhì)量，對(duì)彎曲模具也做了相應(yīng)的改動(dòng)，所有設(shè)計(jì)過(guò)程都通過(guò)嚴(yán)格計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而保證了設(shè)計(jì)的可靠性。

2 零件的工藝分析和尺寸計(jì)算

2.1 零件的成形工藝分析

該零件的加工應(yīng)采用兩個(gè)工序完成，其沖壓的工藝方案為：先用復(fù)合模沖成燈罩半成品（落料、沖孔、壓筋）；然后，用普通U形彎曲模對(duì)半成品進(jìn)行彎曲成形（彎曲）[1]。所以需要設(shè)計(jì)兩套模具來(lái)使零件成形。

2.2 毛坯尺寸計(jì)算

2.2.1 毛坯展開(kāi)尺寸計(jì)算

計(jì)算毛坯的展開(kāi)尺寸，首先要算出毛坯直線段a、b、c...長(zhǎng)度，如圖2所示；再根據(jù)彎曲時(shí)圓角半徑與料厚的比值，在手冊(cè)中查出中性層位移系數(shù)值χ；根據(jù) ρ=γ+χt[4]計(jì)算中性層的彎曲半徑；再由 ρ1、ρ2、…與彎曲中心角 α1、α2、…計(jì)算弧的展開(kāi)長(zhǎng)度：l=1.57（γ + χt）[4]，得出 l1、l2、…；計(jì)算毛坯的總長(zhǎng)度：L=2（a+b）+c+4l（mm）[4]。

2.2.2 落料尺寸的確定

由于毛坯展開(kāi)件不是規(guī)則的圖形，所以在計(jì)算過(guò)毛坯展開(kāi)尺寸后還要確定出毛坯各個(gè)部分的尺寸，圖3所示為零件毛坯的實(shí)體模型。

3 模具的基本設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 落料沖孔壓筋復(fù)合模具的設(shè)計(jì)

本副模具由于要一次完成三道工序，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要注重協(xié)調(diào)好各個(gè)工序的先后順序和工作行程，其總體設(shè)計(jì)思路也是遵循三個(gè)工序的先后順序規(guī)劃的。

3.1.1 結(jié)構(gòu)形式的確定

設(shè)計(jì)的第一副落料、沖孔、壓筋復(fù)合模具的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，落料和沖孔同時(shí)完成，上模繼續(xù)下行使卸料彈簧壓縮，凸凹模推動(dòng)卸料板上行，壓筋凸模穿過(guò)卸料板上的孔槽壓進(jìn)凸凹模內(nèi)的壓筋凹模，完成壓筋的過(guò)程，之后彈簧回彈，帶動(dòng)卸料板將沖出的工件卸下，完成一次工作循環(huán)。

3.1.2 壓筋凸模的數(shù)字化設(shè)計(jì)

壓筋凸模主要是用來(lái)在沖出的件上壓出兩個(gè)半徑為2 mm的筋條，而且還要與凸模固定板連接，其材料選用Cr12MnV，為保證其強(qiáng)度，壓筋凸模的上固定部分要做的厚一些，其與凸模固定板之間的配合為K7/m6，壓筋時(shí)，伸出的兩條壓筋凸模高為20 mm，以保證在閉合時(shí)不會(huì)和卸料板碰撞，由于壓筋力過(guò)大，所以只能設(shè)計(jì)成剛性壓筋裝置，如圖5所示。

3.1.3 凸凹模的數(shù)字化設(shè)計(jì)

凸凹模是整套模具中很重要的一個(gè)零件，其在完成落料的過(guò)程中作為凸模，在沖孔和壓筋時(shí)作為凹模。壓筋是在沖孔和落料結(jié)束后，上模繼續(xù)下行1 mm才開(kāi)始的，因此要嚴(yán)格控制零件的外形以保證工序之間的協(xié)調(diào)。壓筋凹模的尺寸主要考慮料的厚度和成形深度，零件實(shí)體如圖6所示。

3.1.4 復(fù)合模具的數(shù)字化預(yù)裝配

模具的數(shù)字化預(yù)裝配就是將數(shù)字化設(shè)計(jì)的所有零件在CATIA的裝配模塊中進(jìn)行總裝，如圖7所示。在總裝時(shí)可將欲裝配的部分分成幾個(gè)模塊分別進(jìn)行裝配[2]，這樣不僅可使裝配過(guò)程清晰，而且方便于干涉分析時(shí)分別排除干涉，保證工序的順利進(jìn)行。

3.1.5 復(fù)合模的干涉分析

在所有零件都設(shè)計(jì)裝配完成后，就可對(duì)裝配圖進(jìn)行干涉分析，測(cè)量各零件的結(jié)構(gòu)尺寸及相互間的位置關(guān)系，檢測(cè)零件間是否有干涉，間隙是否合理，CATIA軟件具有自動(dòng)干涉分析功能，能迅速而又準(zhǔn)確地給出出現(xiàn)干涉的位置及干涉量[5]，如圖8所示，在開(kāi)發(fā)階段及時(shí)的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，以保證設(shè)計(jì)的可行性和精確度，從而為設(shè)計(jì)制造的順利進(jìn)行提供有利的技術(shù)支持。

3.2 彎曲模具設(shè)計(jì)

本副彎曲模具要完成兩次彎曲成形，而且彎曲的深度和寬度不同，如果分別制成兩副模具加工，經(jīng)濟(jì)性和工藝精度都不如一次成型高，因此采用一副彎曲復(fù)合模完成。在進(jìn)行彎曲模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證坯料在模具上能夠可靠的定位；在壓彎過(guò)程中，應(yīng)防止毛坯的滑動(dòng)；為了減小彈復(fù)，在沖程結(jié)束時(shí)應(yīng)使工件在模具中得到校正；彎曲模的結(jié)構(gòu)還要方便毛坯放入到模具上和壓彎后從模具中取出。

3.2.1 彎曲模具的結(jié)構(gòu)安排

制件最終需要兩次U形彎曲，且第二次彎曲深度較大，采用較典型的彎曲模結(jié)構(gòu)，主要由上下模座、上下墊板、凸模固定板、凹凸模、固定凹模、下固定凸模、彈性卸料板、打料桿和剛性卸料板組成，如圖9所示。其運(yùn)動(dòng)方式是：將毛坯放到凹模的定位板上，通過(guò)壓力機(jī)帶動(dòng)上模下行，凹凸模的凸模部分將毛坯零件首次彎曲出兩個(gè)窄邊，然后繼續(xù)下行，凹凸模的凹模部分在凹模腔中與固定凸模進(jìn)行配合，完成第二次寬邊的彎曲，并將彈性卸料板壓下，當(dāng)上模座上行時(shí)，彈性卸料板開(kāi)始回彈，將彎曲后的零件擋在凹凸模內(nèi)，隨上模的上行將零件帶出，帶出后從側(cè)邊取料，完成一次工作循環(huán)。

3.2.2 彎曲模中凹凸模的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)彎曲模具時(shí)，凸模、凹模和凹凸模的設(shè)計(jì)不能孤立，三者之間需相互協(xié)調(diào)才能確定出各個(gè)尺寸，所以需要將凸模、凹模和凹凸模在一起設(shè)計(jì)。凹凸模中的凹模與下模中的凸模相匹配，凹凸模中的凹模深度是彎曲深度、料厚和打料板的厚度之和。凹凸模作為凸模部分的寬度尺寸由第一次彎曲凸模寬度尺寸確定。為了保持零件的外形，在凹凸模的凹模處開(kāi)槽以避免彎曲時(shí)零件的筋條處開(kāi)裂，如圖10所示。

3.2.3 彎曲模具的數(shù)字化預(yù)裝配

將設(shè)計(jì)完的彎曲模的各零件按照復(fù)合模具的裝配方法進(jìn)行總裝，如圖11所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的兩套復(fù)合模具既包含了傳統(tǒng)復(fù)合模具的一些典型特點(diǎn)，又在一次成型和利用CATIA軟件預(yù)裝配方面有其獨(dú)特之處。一是利用彈性裝置將壓筋凸模、落料凸模和沖孔凸模相互協(xié)調(diào)，使其能夠在極短的時(shí)間內(nèi)一次完成三道工序，既節(jié)約成本，減少生產(chǎn)周期，又保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。二是在本設(shè)計(jì)中融入了數(shù)字化建模技術(shù)，運(yùn)用CATIA軟件建立了模具的三維實(shí)體模型，并進(jìn)行了預(yù)裝配和相應(yīng)的干涉分析、改進(jìn)，顯著提高了工作效率和零件成型質(zhì)量。

[1]肖亞慧，李長(zhǎng)俊.夾片落料、沖孔、壓彎復(fù)合模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2008，33（6）：91-93.

[2]孫小剛，丁富國(guó).基于逆向工程的汽車(chē)覆蓋件拉延模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造[J].機(jī)械制造技術(shù)，2008，2（35）：37-40.

[3]阮雪榆，趙 震.模具的數(shù)字化制造技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2008，13（22）：1891-1893.

[4]王孝培.沖壓手冊(cè)[M].3版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[5]謝龍汗，單 巖.CATIA V5零件設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]李志剛.模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2 0 0 0.