轴用弹簧挡圈的冲压工艺分析及模具设计
袁泉，刘光超
（四川理工学院机械工程学院，四川自贡643000）
概述一种用于生产轴用弹簧卡圈的成型工具，对其制作流程、布局方式及受力平衡点进行了深入探讨，规划出具备多个工位的连续冲压模具方案，同时归纳了模具构造及关键设计要素，该模具构造科学稳固，对同类产品的制作具备借鉴意义。
关键词：轴用弹簧挡圈；冲压工艺；模具设计；级进模
中图分类号：TG386.1文献标志码：A文章编号：
轴套卡环冲压模具的设计与工艺解析
YuanQuan,LiuGuangchao
四川工程大学机械工程学院，位于四川自贡，邮编643000
摘要：介绍了一对弹簧夹紧轴套在冲压模具制造过程中的应用,包括工艺方案和基础布局分析,多工位渐进式模架结构设计,以及模具结构关键点的总结,该模具具备可靠、高精度和生产效率的特点,可为同类工艺提供参考。
关键词：弹性薄片，冲压工艺，模具设计，级进模
0引言
弹性挡圈是装配在轴槽中的标准机械零件，主要作用是防止部件沿轴向移动，这种零件在机械制造行业需求量大且应用普遍，适合借助冲压工艺进行批量制造。因为挡圈的内圈直径比安装轴的直径要小一些，所以装配时必须借助卡簧工具，通过其专用孔扩张挡圈，才能顺利置入事先准备好的轴沟槽里，正因如此，国家规范对挡圈的构造和尺寸准确度制定了较为严格的规范。以轴径为32毫米的轴用弹性挡圈为对象，说明此类零件的冲压流程和模具构造。
1工艺性分析
如图1所示，该轴件较小，厚度仅1.2毫米。它的冲裁外形包括内外圆弧、开口处的直线以及两个钳孔，内圆和外圆的中心在水平方向上存在偏移，构造较为复杂。根据公差等级表，其加工精度规定为：挡圈的内圆弧精度为IT8级，偏心距离精度为IT10级，其他未标注的尺寸按IT14级处理。常规剪切能达到的精确度通常在IT10-14范围，因此除了内圆弧大小，其他所有尺寸都可以使用IT8标准的普通剪切模具加工。因为内圆弧大小需要更高的精确度，达到IT8级别，所以相应的模具尺寸可以设计成IT7-6的精度等级。这种钢材属于弹簧钢65Mn，它的延展程度在14-22.5%之间，抗拉强度与屈服强度的比例是0.63-0.75，其钣金加工特性跟Q275类似，能够进行冲压制作，并且整体的机械特性要强于普通碳钢。不过弹簧钢在冲切时会出现明显的弹性形变，并且弹性恢复程度比较大，这就导致尺寸为3毫米的开口部分难以精确成型，所以制作模具时必须考虑到回弹的应对措施。
图1零件图
Fig.1PartsFigure
2冲压工艺方案的确定
轴的加工通过弹性挡圈完成，涉及两个核心步骤，分别是形成孔洞和分离材料，可以根据不同的步骤搭配以及执行次序来制定加工流程。挡圈需要大批量生产，产量要求高，因此不能使用效率低下的单工序冲裁模来制造；复合模虽然生产效率高，但是它的核心零件凸凹模的最小厚度必须依据挡圈孔边缘的宽度来确定，计算结果显示这个厚度至少要达到3.2毫米，而挡圈上对应位置的最小宽度只有大约2毫米，所以挡圈的构造尺寸和凸凹模壁厚的强度要求限制了复合模的使用；级进模具有工位多、效率高的特点，通常用于生产尺寸较小的冲压件，它的冲孔和落料工序分别设置在两个不同的工位上，这样做可以确保刃口壁厚和强度的要求，经过全面分析，决定采用冲孔-落料级进模冲裁是最合适的选择。
3排样设计
优化布局有助于提升材料利用程度、减少费用支出，同时也能确保制件品质及模具的耐用性。轴用弹性挡圈的形状较为规整，呈现圆形特征，其布局方式主要有单独排列，并列两行，并列三行三种形式。单独排列的方案材料使用效率不高，不予采纳，测算出并列两行的利用率达到百分之二十二点八六，并列三行的利用率提升至百分之二十四点六九，所以决定采用并列三行的方案。送料的办法是沿着旁边的刀片按固定距离进行，为了确保尾部材料的完全使用，旁边的刀片采用了斜角排列，如图2那样。操作期间，条料每次进给间隔是40毫米，从左至右的工位安排依次是：第一个工位冲压两个中间位置的钳孔，第二个工位冲压中间位置的内轮廓圆孔、上下位置的四颗钳孔以及下方的刃口，第三个工位是空置工位并配备导正销，第四个工位冲压上下位置的两个内轮廓圆孔，第五个工位进行中间位置的外轮廓剪断，第六个工位为空置工位，第七个工位进行上下位置的外轮廓剪断，第八个工位冲压上方的刃口。
图2三排排样图
Fig.2ThreeinarowlikeFigure
4压力中心的确定
级进模是一种多凸模冲裁模具，各个凸模合力作用的点就是该模具的压力中心，必须确保模具的压力中心与压力机滑块的中心线完全对齐，否则滑块会承受偏心载荷，模具合理的间隙就无法维持，进而导致工件质量下降，同时也会缩短模具的使用寿命，严重时甚至可能损坏模具。依照物理学的相关法则，整体作用力在某个方向上的转动效应，是各个部分作用力在该方向上转动效应的累计结果，能够构建出图3中展示的参照系，该点的具体位置数值，可以通过以下等式进行求解：
图3压力中心计算图
图四展示压力中心的计算过程
通过代入相关数值，可以得出压力中心点的位置，其横坐标为77毫米，纵坐标为零。
级进模工位数量较多，其中冲裁力最强的落料工序通常设置在最后工位，如果模具设计时严格确保压力中心与滑块中心完全一致，会导致模具在机床上的轮廓呈现前窄后宽的不合理形态，同时也会限制其他部件的安装位置，比如模具的排屑通道和压力机工作台上的开口，因此实际生产过程中，可以适当让压力中心偏离滑块中心，但这个偏移量应当控制在压力机模柄孔的投影界限以内。这个方案的模柄孔直径是五十毫米，因此作用力的平衡点能够相对于动模板中心左右偏移两厘米五毫米的范围之内。
5.模具结构及设计要点
5.1工作原理
总装图纸参见图5。条料自右向左输送，单次进给值为四十毫米，通过前后呈对角线布局的两个侧刃来限定进给间距。操作期间，动模向下运行，弹性卸料装置会夹持板料，接着冲钳形孔的凸模、冲内缘孔的凸模以及外缘落料凸模会在各自位置执行冲切工序。通过设置第3工位上的导正装置，能够纠正进料方向与送料间隔的偏差，确保条料在正确位置被导正，以便后续工位切割的外形轮廓与内孔的相对位置符合精度标准，满足公差要求。从第9个工位往后，每增加一个送料距离，就能同时获得三个挡圈零件。
上模座是基础部件，导套负责导向，导柱提供支撑，上垫板位于上方，侧刃凸模用于切边，凸模固定板固定凸模，模柄连接模具，外轮廓落料凸模切割外部轮廓，导正销座安装导正销，导正销校正位置，冲内轮廓孔凸模加工内部孔洞，卸料板实现卸料，冲钳孔凸模制作钳孔，下模座是底部支撑，钳孔凹模镶块形成钳孔，凹模固定板固定凹模，内轮廓孔凹模镶块加工内部孔，内轮廓孔漏料区允许材料排出，外轮廓落料凹模镶块切割外部轮廓，外轮廓落料漏料区实现材料排出，下垫板位于最下方
图4模具总装图
Fig.4Themoldassembly diagram
5.2冲钳孔小凸模设计
挡圈钳孔的直径为φ2.5mm，数值非常微小，因此必须对其在承受纵向弯曲力时的表现以及抗压性能展开验证，重点考察其自由长度与直径是否达到标准。针对凸模，选用了无导向的设计方案，通过计算确定了该凸模能够接受的最小直径规格为2.13mm，同时其最大自由长度限定在7.3mm以内，这些数据都是按照既定公式推算出来的结果。
冲裁凹模的规格直径为2.63毫米，大于2.13毫米，凹模的工作部分长度规划为7毫米
这个模具构造里，小凸模的整个长度达到了80毫米，因此必须采取一些方法来避免它发生断裂或者失稳的弯曲现象：首先，小凸模的直径从工作部分到安装固定部分要逐渐变大，具体来说，直径要经过2.63毫米、4毫米、6毫米、8毫米这几个阶段逐渐变化，这样能够增强小凸模的整体工作能力和刚性；其次，在各个直径变化的地方，为了不让小凸模的根部变弱，必须用圆弧来连接，不能使用斜角；再次，要选用精度和刚性都比较高的四角导柱模架，以此来确保模具之间的间隙分布得均匀；最后，可以适当选择比较大的冲裁间隙，这样做能够降低一部分冲裁的力量，同时也能减少对小凸模的冲击。小凸模结构图见图5。
图5小凸模结构图
图五 显示了模具组合的结构图
5.3异形凸、凹模设计
挡圈外缘切割环节，因为切割外缘并非圆形，其上模和下模的工作区域均为特殊形状，为了便于安装固定，以特殊上模为例，将其中间配合部位和后部固定部位设计成圆形，配合部位尺寸为44毫米，按过渡配合H7/m6规格设计，后部固定部位尺寸为48毫米，用于构成阶梯式固定。异形凸模在操作时不能随意转动，一般会安装防转销来避免转动现象，不过为了方便拆卸和组装，本方案选择将尾部固定台阶的圆周部位制作出防转区域，这个防转区域会和凸模固定板上的固定孔对齐，通过配合固定来达到防止转动的效果，具体构造如图6所示。异形落料凹模的防转构造和异形落料凸模的设计思路基本相同。
图6异形凸模结构图
图六 模具组合结构示意图
5.4挡圈开口防回弹设计
开口部位材料发生断裂形变，会破坏材料内部的应力均衡，材料因弹性效应容易反弹，又因材质为弹簧钢，反弹更加剧烈，变形程度随之加大。最终导致挡圈上原本3毫米宽的开口，因反弹而超过3毫米，并呈现锥形开口状，进而影响挡圈的装配和使用。要制造尺寸精准的卡环，在凸模和凹模工作面规格设定上，可以考虑采用更宽的裁切间距，因为材料在裁切时不仅承受剪切力，还遭遇显著的拉扯和弯曲形变，当加大间距，裁切完成后，尺寸会向实体方向收窄，从而抵消开口的回弹现象，适宜的较宽间距可以在试模阶段逐步调整模具来最终确定
5.5斜排料漏料孔的设计
确定冲裁所需力，并兼顾模具安装高度，选定公称压力为250KN的设备，其工作台下方漏料口宽度为260毫米，深度为130毫米，圆孔直径为180毫米。操作模具时，必须明确工件或边角料的排出方位，通常该方位应处于漏料口尺寸界限以上，以此保障所有工件或边角料都能经由漏料口向下顺利排出。经过周密部署，当模具压力中心与压力机滑块中心相距20毫米，外周形状切割后的零件能够从下模基座外周形状孔的排料部分流出，冲挡圈内部形状孔的边角料可以从下模基座内部形状孔的排料部分排出，然而冲销孔的边角料所在点离开了工作台排料孔的覆盖范围14.8毫米，这种情况下，可以斟酌在下模基座相应位置开设一个斜向排料孔，将销孔的边角料引向内部形状孔的排料部分排出。关于从刀刃冲裁下来的边角料，因为它们距离工作台上的漏料口位置比较远，可以考虑在凹模座的底部开设一组倾斜的排料沟槽，让这些边角料顺着沟槽直接流到工作台表面，当堆积到一定数量后，再由人工进行清理。
6 结束语
现场生产实践证明，模具构造得当，安排紧密，计划具备实施条件。模具制造效率突出，运行稳定安全，冲压零件的规格符合品质标准，为同类部件的模具规划提供了借鉴意义。
