半封閉殼體沖壓工藝及模具設計

陳雨

蘇州長風航空電子有限公司 江蘇蘇州 215000

1 序言

封閉零件的彎曲通常需要采用兩道以上的工序來完成，在沖壓加工中常手工卸料或通過氣缸卸料。封閉零件一次成形可以減少工序數(shù)量和模具數(shù)量，有利于提高工效和制品精度，降低生產成本。

2 半封閉殼體結構及工藝分析

航空零件中，有很多半封閉的殼體用于儀表或放大器的裝配。某放大器的半封閉式殼體零件如圖1所示，其材料為3A21防銹鋁板，料厚t＝2mm，主要結構是對稱的。從圖樣的相關尺寸精度要求可知，零件的外形、內腔及孔的定位尺寸在精度上要求不高，達到IT10級即可，零件的內彎曲半徑R為2mm，且允許材料局部變薄30%。

從零件結構上看，該殼體是一個五面全封閉、第六個面也并非敞開式的半封閉結構，在第一道彎曲完成后，還要對第六個面的結構進行彎曲（見圖2）。由圖1中的彎曲尺寸來看，第一道彎曲成形難度不大，但第二道彎曲翻邊部分尺寸小且存在彎曲后模具無法脫出的問題。此外，該零件在彎曲完成后，還需要進行大量的孔加工，因此必須保證彎曲結構的尺寸。第二道彎曲處的H/D≈1.5（其中H為彎曲高度，約為6mm；D為彎曲直徑，約為4mm），翻邊彎曲的難度較大，尤其是翻邊半徑與翻邊高度相近，使得成形處結構很容易產生拉裂，因此須做好必要的工藝處理。同時，由于上部與相鄰的直角彎曲成形部分較短，且另一邊是開放的，因此其對多余三角形所施加的切向力不大，即圓角部分多余的材料并不是完全按純拉伸時的徑向流動。相反，由于切向缺少材料約束，材料以橫向流動為主，所以大大改善了材料變形情況，使其能夠一次翻邊成形。

3 半封閉殼體沖壓工藝分析

（1）工藝流程 殼體主要加工工藝流程見表1。殼體加工共有10道工序，其中主要成形工序為線切割和兩道彎曲。由于該零件為左右對稱件，展開后的形狀相對不復雜，因此沒有選擇落料模加工外形，而是主要采取線切割和化學腐蝕的加工方法，很好地保證了加工精度及材料刃口處的強度。在完成展開外形后，需要進行兩次彎曲，有3個邊需要彎曲，其中第一道彎曲完成零件4條長邊的彎曲，彎曲成形后零件如圖3所示；第二道彎曲部位為頂部的半封閉部位，彎曲完成后零件如圖4所示。

殼體在完成第一次彎曲后會因變形導致尺寸不穩(wěn)定，第二次半封閉部位的彎曲就會因此產生定位偏差的問題。彎曲完成前后要對殼體進行方孔和安裝孔的加工，此時需要以外形進行定位。因此，在第一次彎曲、焊接成形和去除焊瘤后，需要設計模具對其進行整形處理。殼體加工中共需要3副模具，除了第一次和第二次的彎曲模具，還有后續(xù)的整形模具，才能實現(xiàn)完整的沖壓成形。

圖1 半封閉式殼體零件

圖2 殼體三維數(shù)模

（2）殼體展開毛坯形狀和尺寸的確定 由于殼體需要經過兩次彎曲成形，作為彎曲外形尺寸的首要保證，展開尺寸的正確計算十分重要，所以第二道彎曲時的缺口部分必須考慮在內。在確定好展開的毛坯外形后，利用公式計算出外形尺寸，必要時可以通過試彎的方法確定最終的展開尺寸。

圖3 首次彎曲成形

表1 殼體主要加工工藝流程

圖4 二次彎曲成形

最終成形的形狀合理，其彎曲成形部分按常規(guī)彎曲件毛坯尺寸的計算方法計算即可。本零件彎曲角度均為90°，則毛坯和展開長度為：

式中，L為毛坯總長度（mm）；l1、l2為直邊長度（mm）；r為彎曲半徑（mm）；x為中性層位移系數(shù)，可根據(jù)表2查??；t為毛坯厚度（mm）。

表2 中性層位移系數(shù)x值

該殼體零件厚度t＝2mm，彎曲半徑r＝2mm，因此中性層位移系數(shù)x＝0.32，根據(jù)殼體產品圖及展開圖，計算出每段的展開長度。此外，根據(jù)鈑金彎曲要求，在4條邊需要彎曲的部位設計了工藝孔4×φ1.5mm，最終得出的展開圖如圖5所示。

圖5 殼體毛坯展開

4 半封閉殼體沖壓模具設計

半封閉殼體零件成形的主要工序需要3副模具來完成，包括主要結構的彎曲模具和整形模具，以及封閉處的彎曲模具。

（1）彎曲模具設計 殼體的整體結構彎曲為第一道彎曲，需要借助彎曲模具進行。圖6所示為雙向彎曲模具結構，需要結合專用設備進行裝夾，模具主要結構為彎曲型胎10，其四個面為彎曲定位面，在彎曲過程中，使用壓板2上的孔進行定位，接著對四條邊進行彎曲。夾持塊9為圓柱形，彎曲中將該部位固定在虎鉗上，每個沖壓過程可以完成一條邊的彎曲，圓柱結構可以保證彎曲的四條邊隨意轉動，進而確保一次彎曲到位。

彎曲型胎10的材料為CrWMn，熱處理方式為淬火至50～55HRC，確保零件的硬度要求，防止零件斷裂；表面處理技術為Ct.O（表面發(fā)黑氧化處理）；型胎為整體型結構，外表面粗糙度值要求達到0.8μm。因此先采取銑床加工，再線切割慢走絲加工，同時外形四周加工出15′回彈角，在試模過程中回彈角可由工磨進行修整。模具裝配時要控制好壓板2與彎曲型胎10之間的間隙，間隙數(shù)值一般為1.1t（t為殼體的厚度值）。夾板上的螺孔為保證裝夾的精準度，應與壓板配做。

圖6 殼體彎曲型胎

（2）整形模具設計 殼體彎曲完成后，尺寸校正還需借助整形模具（見圖7），整形在63t液壓機上進行。該模具在沖壓過程中，可以通過脹形的方式，保證殼體內腔尺寸的一致性。模具分為三大部分，脫料板3、定位板6和支腳7安裝在機床的下半部分，殼體放在定位板中。整形時，型胎2放在殼體頂端，接著上模在液壓機滑塊的作用下，推動手柄13及托板12向下運動，使得型胎在外力作用下全部緩慢進入殼體中，上模繼續(xù)下行運動，直至達到殼體的深度時，零件就會在插板1的作用下自然地從脫料板中脫出。

模具在設計中，要求脫料板3與定位板6組裝后能保證內腔中心重合，脫料板3與支腳7裝配后，支腳7的四個底腳面必須齊平。整形模具的主體部位為型胎，結構為整體型，為了增加強度，材料采用T7A碳素工具鋼，熱處理淬火至50～55HRC，表面處理技術為Ct.O。為了使整形零件順利脫模，外表面粗糙度值要求達到0.8μm，故其外形尺寸粗加工采用數(shù)銑加工，熱處理淬火至50～55HRC后，最終成形尺寸由磨床保證。其余板類零件絕大多數(shù)使用的材料為45鋼，熱處理要求為30～35HRC，表面處理方式為Ct.O，為了保證不破壞整形零件的外觀，托板選用夾布膠木板。

圖7 殼體整形模具

定位板6、脫料板3上銷孔與型腔加工時保證位置一致，模具裝配時采用定位銷與螺釘相結合的方式，保證脫料板3與定位板6組合后內腔中心重合。支腳和手柄主要采取數(shù)車加工，長度尺寸可以在裝配后進行修正。

（3）半封閉處二次彎曲模具 半封閉部位為殼體彎曲加工的難點，圖8為二次彎曲型胎，主要完成殼體剩余封閉部分的彎曲。為了保證彎曲完成后型胎可以從半封閉的型腔中脫落出來，設計時將彎曲模具設計成哈夫結構——最中心部分為固定的斜楔，型胎其他部分與之配合，在型胎各部分上設計M8螺釘孔，便于取出。彎曲時，在殼體內首先放入墊塊，然后依次放入型胎和斜楔，再由鉗工進行彎曲；彎曲完成后，首先拆除斜楔部位，給型胎其他部分留出空位，再分別取出。

圖8 半封閉處二次彎曲模具

圖8中模具件2～6使用的材料均為T7A，熱處理要求為50～55HRC，保證零件拆卸的硬度；墊板1使用普通的45鋼。模具在加工時，型胎和斜楔由線切割加工完成，以保證組合精度。模具裝配修整時制作基礎板，利用M8的螺釘孔組成整體件，對各型胎進行外形尺寸的修整，保證型胎尺寸為198mm×95.7mm×106mm并滿足其公差要求。修整完成后各型胎按圖示位置打刻A、B、C、D標記，便于使用。

5 結束語

本文研究的殼體為半封閉形式，通過合理的工藝安排，設計相應的模具，避開了彎曲的干涉問題，完成了封閉形零件的加工，為今后類似結構鈑金件的制作提供了借鑒。