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摘要：通过对连接块孔径为2．5mm、3．2mm，孔边距为3mm、3．25mm的两组加工圆孔的分析，并依据尺寸及冲裁力的计算，设计了一种由上模与下模组成的深孔冲模，其特点是以直通式结构避免凸模自由度过长带来的隐患，同时以防胀圈的结构解决冲孔胀边的问题。以冲孔工艺代替改钻孔，一次冲裁成形不需二次装夹，大大提高生产效率。
关键词：冲深孔；冲裁力；孔边距
0引言
连接块作为常用的机箱零件，在实际生产中，一年需要几万块的数量，因此需要特别设计模具进行加工。在一般的生产中，以钻孔的方式对零件上的圆孔进行加工，但由于本文所需要的连接块零件中，需要加工两种不同规格的孔，在加工中，需要两道工序进行冲孔，不仅降低加工效率，而且对零件的定位也产生一定的影响。因此设计一种冲孔模具，改钻孔工艺为冲孔工艺，一次成形，可减少工序，大幅度提升工作效率。
1冲裁分析
1．1连接块分析
连接块如图1所示。连接块长18．5mm，宽13．5mm，厚度为3mm，由于功能的需要，需在连接块中冲出两组圆孔，直径分别为2．5mm，3．2mm。冲孔特点：（1）由于孔边距过小，即小孔中心距离边界为3mm，大孔中心距离边界3．25mm，小于模具加工推荐值，因此在冲裁过程中，容易发生胀孔现象，在加工过程中需采取一定措施，避免胀孔变形；（2）连接块的厚度为3mm，厚度较大，冲孔为深孔冲裁，在设计中，需保证凸模的工作自由长度（即凸模固定板与卸料板间的空隙）不因过长而发生折断；（3）冲孔零件容易出现走样、扩张、冲偏等加工缺陷，加工精度受到很大影响，所以在模具的设计中必须考虑零件的定位。根据工艺要求：对于2．5mm孔，凸模直径取2．6mm；对于3．2mm孔，凸模直径取3．3mm。由于2．5mm孔的精度较高，孔壁要求光亮带较长，该孔选取模具间隙0．1～0．12mm，3．2mm孔选取模具间隙0．35～0．4mm［1］。
1．2冲裁力分析
凸模冲裁如图2所示。当凸模下降至与板料接触时，板料就受到凸、凹模的作用力，其中：F1、F2———凸、凹模对板料的垂直作用力；F3、F4———凸、凹模对板料的侧压力；μF1、μF2——凸、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，一般从模具刃口指向外；μF3、μF4———凸、凹模侧面与板料间的摩擦力。因为模具间隙存在，所以F1、F2不在同一直线上，冲压件受到弯矩M（M≈F1×Z2）作用从模具表面翘起，模具表面与加工件接触面仅在刃口附近，接触面宽度约为板厚的0．2～0．4。靠近模具刃口接触面间相互作用的垂直压力越大。在工作过程中，冲裁力的大小随着行程而变化，变化如图3所示。（1）在A到B之间，冲裁力变化较大，此为冲裁过程中零件弹性变形的阶段，因为在凸模开始接触零件后受到的力急剧增加。（2）在B到C之间，凸模进入零件材料，在此过程中，零件属于塑性变形阶段，材料硬化加剧，载荷变化变慢。同时出现刃口裂纹。（3）随着塑性变形的增大，材料硬化加剧，载荷变大，承载面积变小，当达到C点时，即冲裁力达到最大值。（4）在C到D之间，凸模继续向下运动，零件内部出现裂纹扩张，后受承载面积超过了加工硬化面积的影响，此时冲裁力很快减小，称为冲裁断裂阶段。为合理选择压力机和设计模具，需进行冲裁力计算。选择平刃口模具冲裁时，由于4个孔同时进行冲裁，故冲裁力F为：K———安全系数（考虑刃口的磨损、模具间隙的波动、材料力学性能变化、波动材料力学性能变化厚度的偏差等因素而设置的安全系数），取1．3。经计算得：F＝48163．5N。
2模具设计
根据连接块的特点，设计了一副深孔冲裁模具，如图4所示。主要包括上模与下模，并利用对称的4根导柱6对上模、下模及卸料板进行定位导向。
2．1上模结构设计
上模结构中主要包括：卸料弹簧、垫板、凸模固定板、卸料套、卸料板、凸模，如图5所示。图5所示的上模结构，依靠卸料弹簧1和卸料板5对连接块零件进行卸料，同时卸料板还能够对工作中的凸模6具有导向的作用；两个弹簧以对称的形式分布于两侧，设计在卸料套4的上端面，保证卸料的平稳性；由于需要对孔一次性进行冲裁，所以凸模设计为四根，直径分别为2．6mm、2．6mm、3．3mm和3．3mm。上模结构采用直通式的结构，通过卸料板5对凸模进行导向，可以避免因凸模自由度过长而引起折断现象。将悬臂梁结构转变为加简支梁的结构形式，减少凸模过长带来的隐患，并且不影响卸料。
2．2下模结构设计
下模结构主要分为凹模防胀圈结构及斜楔滑块结构，结构如图6、图7所示。图6中防胀圈3结构主要防止零件冲裁后，胀边部位发生胀出现象。固定限位钉4分布于零件四周边线中点外侧，并与零件间隙配合，起到初始定位作用，同时可在冲压后阻挡零件随滑块2及防胀圈3运动。为了便于以后的拆卸和更换，防胀圈和滑块采用燕尾结构连成一体。图7中复位弹簧3的作用是：连接块零件在冲孔后被挤压在防胀圈内，使模具滑块的回退需要较大的横向拉力，利用弹簧拉紧力对滑块的初始位置进行固定，防止因冲床的振动使初始位置发生变化。斜楔8作用是在冲程中驱动滑块7运动，带动防胀圈向待加工毛坯靠拢，使防胀圈紧紧包裹在被加工件四周。回程中，凸模回退，卸料板2离开零件，斜楔8驱动滑块7复位，防胀圈脱离零件（由于固定限位钉的阻挡，零件不会滞留在防胀圈内）。通过复位弹簧3，复位定距套4，复位螺杆5保证滑块的横向初始位置不受冲床振动的影响，使斜楔8能够顺利导入滑块。
2．3模具设计特点
此模具的设计特点如下。（1）该模具以冲裁的方式对连接块进行加工，改变了深孔加工方式。（2）采用防胀圈的形式解决了在冲孔过程中由于孔边距过小而带来的胀孔现象。（3）直通式的结构，减少由于凸模自由度过长带来的折断发生的现象，通过卸料板对凸模进行导向，解决了凸模刚度不足带来的隐患。
3模具工作原理
图4所示为模具整体结构，其工作过程如下。（1）将零件通过限位钉13进行固定，凸模14向下运动，滑块11受到来自斜楔12的作用力而运动，防胀圈3移向被加工件。（2）斜楔12移动到达一定距离后，即相对于滑块11的接触由斜面变为垂直面时，滑块停止运动，加工件被防胀圈3（见图6）包围。（3）凸模14继续向下移动，卸料板5受到来自卸料弹簧1与卸料套4的作用力，压紧加工件，凸模14开始冲孔。（4）冲孔完毕，滑块11回程，凸模14向上回行，卸料板5不再压向加工件，斜楔12脱离滑块，滑块在复位弹簧3（见图7）的作用下保持在初始位置。
4结论
在深孔的加工中，对于孔的加工精度和表面质量都有相应的要求，对于不同材料、不同加工件需采取不同的加工手段。本文所设计的深孔冲裁模具，以凸模对零件进行冲裁，利用滑块防胀圈的结构形式对零件进行防胀，避免加工过程中的胀边现象；同时利用卸料板进行导向，减少了凸模的自由长度。采用冲孔工艺代替钻孔工艺，通过一次冲裁，加工出两组不同的孔，解决了钻孔工艺中因要加工不同大小的孔，需分两次装夹进行钻孔的问题，提高了生产效率。
参考文献：
［1］《冲模设计手册》编写组．冲模设计手册［M］．北京：机械工业出版社，1988．
［2］董冠文．冲裁凸模抗压弯能力校核的探讨［J］．模具工业，2010（7）：31－36．
［3］金国松．钢丝夹级进模设计［J］．模具工业，2007，33（4）：38－41．
作者:李亮 杜祥哲 尹东海 孙克华 单位:常州博瑞电力自动化设备有限公司 南瑞继保电气有限公司