基于304不銹鋼材質(zhì)線性打扣機成型模具的設計

李寧，劉淇

1.許昌技術(shù)經(jīng)濟學校 河南長葛 461500

2.新鄉(xiāng)學院機電工程學院 河南新鄉(xiāng) 453000

1 序言

線性打扣機又稱四合扣機。利用兩個及兩個以上的機械設備動力裝置和相應模具、工裝把線性金屬材料彎折成機械成品的成套設備統(tǒng)稱為線性打扣機。該設備廣泛應用于生產(chǎn)方、圓、六角和橢圓等線性金屬材料的各種平面扣類，如彎扣、S扣、窗簾扣、登山扣、D型扣、日字扣和各式掛鉤等形狀產(chǎn)品，具有操作方便、價格低廉、生產(chǎn)高效且質(zhì)量可靠等顯著優(yōu)點[1]。目前市面常見線性打扣機主要加工普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、鋼筋鋼、螺紋鋼以及有色金屬線材，但是對于像304不銹鋼等這樣的特殊性能鋼，用市面上常見的線性打扣機加工則顯得不盡如人意，加工出來的產(chǎn)品存在著彎折角度不準、形狀回彈變形等問題，產(chǎn)品表面出現(xiàn)拉傷、壓扁和裂紋等現(xiàn)象，無法滿足客戶需求。

本文結(jié)合具體案例進行介紹，通過對線性打扣機成型模具設計的優(yōu)化和改進，完成了對304不銹鋼類特殊性能材質(zhì)的自動化打扣加工，并應用到企業(yè)生產(chǎn)中，提高了零件質(zhì)量，減少了操作人員，具有很好的推廣價值。線性打扣機生產(chǎn)出來的手扣產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 線性打扣機生產(chǎn)出來的手扣產(chǎn)品

2 扣形產(chǎn)品介紹

（1）產(chǎn)品簡介 某型號戶外斷路器外殼應客戶要求，采用耐酸、耐氧化、耐腐蝕性能較好且具有較高強度和硬度的304不銹鋼材質(zhì)，斷路器外殼配件均要求為同一材質(zhì)。某型號斷路器不銹鋼手扣如圖2所示，該手扣毛坯材料采用304不銹鋼圓鋼，直徑為8mm，這是一種很常見的不銹鋼，業(yè)內(nèi)也叫做18/8不銹鋼，因其具有較好的抗腐蝕性能且價格相對便宜，所以廣泛地用于制作綜合性能（耐腐蝕和成型性）要求較高的設備和機件[2]。

圖2 用在電氣設備上的手扣

（2）客戶對手扣產(chǎn)品的質(zhì)量要求 該手扣產(chǎn)品客戶要求拉壓強度足夠，單邊手扣能承重40kg以上，且受力無塑性和明顯彈性變形，外觀鏡面，無裂紋、劃痕、壓傷及拉傷痕跡，經(jīng)過查詢機械設計手冊和企業(yè)實踐論證，經(jīng)客戶同意，建議采用304不銹鋼材質(zhì)。

（3）常用加工方式 該手扣設計工藝圖樣如圖3所示[3]，毛坯材料采用φ8mm的304材質(zhì)圓鋼，采用市面上常見的普通打扣機設備，屢次出現(xiàn)質(zhì)量問題，多次收到客戶投訴，不得已只能采用傳統(tǒng)加工工藝。傳統(tǒng)加工工藝分為5道工序，分別是：定尺→截斷→人工與模具配合折彎（4次）→去除應力→校驗，利用定制工裝夾具和電動彎折設備，輔助手工完成加工，單件產(chǎn)品生產(chǎn)總工時約為5min，企業(yè)需要安排定尺截斷、彎折、去除應力和校驗4個人工崗位。

圖3 手扣產(chǎn)品設計

3 線性打扣機成型模具的設計

這種手工彎折打扣的生產(chǎn)方式很顯然不能適應現(xiàn)代化企業(yè)自動化、智能化生產(chǎn)的需求，必須進行自動化升級改造，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，必須大幅提升生產(chǎn)過程的自動化程度，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率。借助市面上普通打扣機設備無法保證質(zhì)量，經(jīng)過技術(shù)人員攻關(guān)，在普通打扣機設備的基礎上對折彎模具進行優(yōu)化設計，解決了質(zhì)量不穩(wěn)定的技術(shù)難題。

（1）設計思路 通過設計一套自動化模具工裝，可以把原來手工打扣的5個工序的工藝流程簡化成一步完成。利用牽引輪拖動不銹鋼圓鋼，經(jīng)過調(diào)直筒調(diào)直后前行，到設計長度尺寸后，觸發(fā)傳感器產(chǎn)生電信號，通過PLC控制截斷刀具運動，截斷刀具精準截切適量長度的圓鋼后，截斷刀具再次觸發(fā)傳感器，電信號通過PLC控制上模的液壓缸來控制電路，然后由上模（或稱上刀）向下壓截切后的圓鋼（一般情況是把截切刀具焊接在上模邊側(cè)，上模在向下運動時便完成截切），中間設置模芯支撐下壓的圓鋼，完成U字形結(jié)構(gòu)，然后左右各布置一個支頂模塊，把U形圓鋼的兩腳分別向左右頂，最后再布置一個向上運動的下模頂塊，與上模、側(cè)模一起把圓鋼壓成設計形狀。

與手動彎折打扣相比，由原來的5道工序簡化成1道工序，加工時間也由原來的5min縮短到0.5min，并且?guī)缀醪恍枰O置專門的人工崗位。這個思路集中了工序，大大降低了加工時間和人工成本，優(yōu)勢顯而易見。

（2）設計的打扣機成套模具 新設計的打扣機成套模具組成如圖4所示，線性打扣機成型模具共分10個部分，模具動作順序為上模塊先向下壓圓鋼，然后左、右模具頂塊分別向左、向右頂圓鋼兩端，最后下模塊向上頂圓鋼，確保成型。試制的打扣機成型設備實物如圖5所示。

圖4 成套模具組成示意

圖5 打扣機成型設備實物

4 成型模具設計的技術(shù)難點

（1）優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)角度，解決產(chǎn)品彎折回彈問題 304不銹鋼材料在彎曲過程中，塑性變形和彈性變形同時存在。在彎曲結(jié)束時，因彈性變形的恢復而產(chǎn)生形狀回彈，如圖6所示?；貜棳F(xiàn)象直接影響工件的尺寸和形狀精度，必須加以控制。對此采取的工藝措施為角度補償法，本案例中工件折彎角度為90°，打扣機成型模具的模芯與上模相配合的彎角必須＜90°[3]，具體角度值與彎折溫度、毛坯尺寸等多種因素有關(guān)，機械設計手冊中并沒有一個可以參考的經(jīng)驗值。課題組經(jīng)過多次試驗，最終確定：針對304不銹鋼材質(zhì)該直徑和長度的工件，上模刀具角度設計為88°，模芯的過渡角確定為87°，可以滿足設計需求。上模形狀簡圖如圖7所示，模芯形狀簡圖如圖8所示。

圖6 彎折時的回彈現(xiàn)象

圖7 上模形狀簡圖

圖8 模芯形狀簡圖

除了角度補償法解決彎折過程中的回彈問題，本案例中還利用了增加加壓時長校正法來進一步解決304材質(zhì)的回彈問題。在彎曲終了時進行加壓校正，延長打扣機上模、模芯、側(cè)模、下模與工件的接觸時間，以增加毛坯各彎折圓角處的塑性變形程度，使拉壓區(qū)纖維的回彈趨勢互相抵制，從而減少回彈。

（2）改善模具材質(zhì)、形狀、關(guān)鍵部位表面質(zhì)量等，保障產(chǎn)品表面質(zhì)量 圓鋼毛坯在彎折過程中，受打扣機上模、模芯和下模強力擠壓作用，在毛坯的表面會出現(xiàn)不同程度壓痕、拉傷或者滑傷。一般碳鋼件表面粗糙度要求不高，輕微的傷痕對其沒有影響，但是對于304不銹鋼材質(zhì)，要求外觀鏡面，工件表面必須光潔、無裂紋、無劃痕且無拉傷，因此在毛坯彎折過程中必須要設計一定工藝措施予以保護。這是一個技術(shù)難點，通常做法有：①根據(jù)材料屈服極限設計彎折壓力，模具彎折壓力要大于304材料的屈服極限壓力。②模具各部分要均勻施加壓力，盡量減少彎折過程中的模具對毛坯的沖擊應力。③增大折彎下模芯的寬度，使其成型圓角半徑增大，減少下模對工件的擠壓。④上模刀和模芯之間留一定間隙，減小毛坯與模具的接觸面積。⑤模具各部分材質(zhì)硬度要遠大于毛坯硬度。⑥上模彎折圓角、模芯的各彎折圓角、左右側(cè)模和下模等各處過渡圓弧必須過渡順滑、接觸表面質(zhì)量高且圓弧度精準。當然也可以通過在上模刀、模芯與毛坯件接觸位置鋪紙隔離來減少產(chǎn)品的質(zhì)量問題。有較好生產(chǎn)條件者，還可以使用防壓痕墊來提高彎折表面質(zhì)量。

在本案例中，為了保障彎折后手扣的表面質(zhì)量，此套模具原材料采用Cr12MoV合金工具鋼，真空淬火，硬度≥60HRC，并且過渡圓角一律采用數(shù)控加工中心銑削加工，然后再利用鉗工（牛皮輪）進行拋磨，確保各部分圓弧的光滑度和圓弧度，使各接觸部分順滑。

另外在上模刀具上設置圓鋼定位槽，防止毛坯圓鋼在彎折過程中出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，造成表面拉傷、劃傷；設計上模過渡圓角為R16.67mm，要略大于手扣過渡圓角R16mm，盡量減少毛坯和模具的接觸面積。同時稍微大一點的模具彎折圓角還有利于減少在彎折過程中出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，防止出現(xiàn)彎曲裂紋。上模刀具設計如圖9所示。

圖9 上模刀具設計

通過上述針對304不銹鋼特殊材質(zhì)打扣機模具的優(yōu)化設計方案，完全克服了304材質(zhì)在打扣彎折過程中出現(xiàn)的表面裂紋、折疊和拉壓傷等表面質(zhì)量問題，這是完全區(qū)別于普通打扣機的彎折擠壓模具優(yōu)化設計方案。

5 基于304不銹鋼材質(zhì)線性打扣機成型模具技術(shù)創(chuàng)新點

此套基于304不銹鋼材質(zhì)線性打扣機成型模具的設計具有如下顯著優(yōu)點：①對模具中各部分角度進行了優(yōu)化，增加了順滑的過渡圓弧和光滑的定位槽，避免了毛坯表面的拉壓傷問題。②上模、下模與模芯的角度略小于彎折角度，使打扣彎折過程中，彎折更進一步，有效防止了工件的回彈問題。③模芯上下面增加了凹坑，減少了在彎折過程中上模、下模、模芯和毛坯表面的接觸，減少模具施加壓力時對工件表面的損傷。④在模具動作控制方式上由常規(guī)凸輪、連桿機構(gòu)控制模具升級為PLC＋液壓油站控制，使模具運行壓力更平穩(wěn)，減少了模具對工件的沖擊應力，使運動更加精準。另外凸輪、連桿驅(qū)動控制模具動作機構(gòu)，關(guān)鍵部件凸輪很容易磨損，維修麻煩，成本高，使用壽命短，難以保障控制精度。而利用PLC＋液壓油站控制，壓力平穩(wěn)，控制精準，故障率也很低，維修簡單，改型升級都很方便[4]。⑤在普通打扣機的基礎上，又增加了自動送料平臺和送料傳輸裝置，完全省去人工上下料。基于304材質(zhì)的打扣機結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 基于304材質(zhì)的打扣機結(jié)構(gòu)示意

6 結(jié)束語

這一款基于304不銹鋼材質(zhì)設計的線性打扣機成型模具有效解決了企業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)難題，滿足了客戶需求，生產(chǎn)效率由過去人工打扣5min/個提高到0.5min/個，并且不需要專門設置操作人員看護，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。新改善的打扣機設備增加了1個液壓油站、4個液壓缸、若干控制閥、2臺驅(qū)動電動機、一個控制柜、一臺小型PLC、若干電線、若干油管和廢舊鋼板等，改造總成本約8500元。自制的這臺不銹鋼打扣機，成本不到市場上普通打扣機的1/3，同時滿足普通常見材質(zhì)和不銹鋼等特殊材質(zhì)的彎折操作，拓展了打扣機針對不同性能材質(zhì)的應用領域。該套設備設計有自動上料系統(tǒng)，節(jié)省了人力，達到了“機器換人、設備換芯”企業(yè)自動化改造升級的目的，提升了現(xiàn)代企業(yè)智能化生產(chǎn)的能力。這一項設計不僅大幅降低了企業(yè)生產(chǎn)成本和員工勞動強度，而且還提高了企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量、安全系數(shù)和環(huán)境指數(shù)，很值得推廣。