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作者：乔自平 韩静涛 刘靖
摘要：介绍了一种冲压模具技术在复杂断面冷弯型钢生产线上定尺切断技术的应用。围栏桩冷弯型钢是一种端面复杂并且封闭的型材，为了充分发挥生产线的效率、提高产品质量、改善生产环境，采用冲压模具对围栏桩冷弯型钢在线切断，通过分析围栏桩冷弯刑钢的冲压工艺和生产线特点，确定了模具结构及数量、对模具具体设计作了深人分析，从产品展开到模架选择，从确定模具结构到运动过程分析都做了详细探讨，特别阐述了凸模的设计要点。通过实际生产证明这种切断方式具有噪声小、断面质量高和效率高的优点。
1 引言
冷弯型钢的断面结构合理、品种规格多、几何尺寸精确，是一种用途广泛的经济成型钢材，适合大规模工业化生产，在建筑、交通、机械、家电等各行各业得到广泛应用。目前国内生产的冷弯型钢的品种、规格约有2000余种。冷弯型钢辊压线机组通常包括开卷、矫直、带钢切头、成形、定尺切断、检查、收集〔其中有的包括有焊接，还有的包括冲孔模具等)等主要工序。切断装置是冷弯型钢辊压线机组的重要组成部分。国内的辊压线机组切断装置大多采用飞锯切断，型钢断面处有较大的变形和毛刺，定尺长度精度低，锯切时噪声较大，随动行程较大。对于开口型钢的在线切断，可采用剪切机，从而保证了型钢断面质量，实现了快速切断，剪切噪声低、振动也较小并且无毛刺川。可对于复杂封闭截面的型钢生产线，如何保证断面质量并且有效的发挥生产线的生产速度却是一个难点。
图1为冷弯型钢自动化生产线的产品一围栏桩零件图，其截面如图2所示，对围栏桩的在线切断问题，经过反复研究，决定采用在线模具化切断。具体切断系统包括:预冲孔模具、随动小车、复位气缸、机械定位装置、光电感应开关、控制系统、液压缸及切断模。本文主要介绍模具部分。
图1 零件
2 在线切断工艺分析
由图2可以看出，产品的断面不但封闭而且比较复杂，由竖直面、横面和弧面组成封闭截面，材料为1. 25 mm的镀锌钢板。要求切断时不但要保证断面质量而且不能破坏镀锌层，还要满足生产线的速度。这为模具设计带来了很大麻烦。若采用常规切断模具做整体切断，将无法切除，不能满足产品要求，根据零件特点作了深人分析，决定在冷弯成形前预留6.8mm的切断量。因为零件形状很特殊，凸模刃口部分必定为异形，不但要能切断弧面、横面及竖直面而且不能有塌角和刮伤，根据工艺需要，为了防止塌角并保证凸模的强度，决定在零件中间及拐角处要预先冲出工艺孔，并且必须在成形前冲出预冲孔，也就是在冷弯前再加一工序-做预冲孔，因此要设计一套预冲孔模具。即切断该工件需要两套模具:一套预冲孔模具，一套切断模具。
图2 工件截面图
3 预冲孔模具设计
3.1 互预冲孔的位置确定
从预冲孔到切断，中间还有成形工序，这样预冲孔的位置确定就比较复杂。不但要保证切断面的质量，还要尽量选择合适的位置以提高切断模凸模的强度，并且还要保证不影响后序的冷弯成形，再根据冲压工艺的要求，冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离不应过小，来对孔的位置进行修正，通过电脑反复模拟，设计出预冲工艺孔如图3所示。中间部分的孔是为了保证凸模的中间部分不要过长过尖，并且在冲切工件的顶部时，使形成的切屑容易排开。拐角处的孔是为了保证切断时不会有塌角，同时也不会产生不易排开的料屑。
3.2工件的展开
直接利用Pro/E的展开命令把零件展开而得到展开图。通过展开命令进行展开有Feature Create Sheet Metal Unbend Regular,选择一个展开时的基准面或边(不动面或边)，再选Unbcnd All命令，再点击OK即可。生成如图4所示的展开图。
3. 3 预冲孔模的结构设计及工作过程分析
(1)预冲孔模具结构设计
根据展开图及精度要求，选择对角导柱模架，采用正装方式，凸模在上，凹模在下。预冲孔模具的整体结构如图5所示。为了加工经济方便，以及便于维修更换，凸、凹模均采用镶块式结构，这样可以不用卸下整套模具便能更换镶块。两块凸模4与凸模固定板5定好位后，连同凸模垫板6一起利用螺丝直接固定在上模座7上，两块凹模21对称镶人下模模座1内。为了防止废料粘模，特别在凸模上设计了卸料橡胶22，冲裁下废料后，在橡胶22的弹力作用下使废料与凸、凹模顺利分开。为了剪切省力，将刃口部分做成了1. S0斜度，凸模如图6所示。另外因为是在线自动化生产，板带自动送进，所以采用了固定卸料板，这样卸料板不但起到卸料作用而且也起到导料板的作用，并且固定卸料板具有卸料力大，结构简.单的特点。
(2)预冲孔模具工作过程分析
在工作过程中，板带导人导料板〔在此导料板与卸料板3为同一块板)，生产过程中是自动送料，是由光电开关确定冲裁位置。板带走到适当位置，在液压机作用下上模座带动凸模4下行，凸模开始工作，在凸、凹模共同作用下，冲孔完成。在橡胶22的弹力作用下使废料顺利从漏料孔漏出，凸模上行，一个冲程完成。
4 切断模具设计
4. 1切断模具结构设计
切断过程是在运动中完成，从总体上来说模具的重量要尽量轻，重心要尽量低，以使在切断时灵巧而又不至于倾斜。切断模具结构如图7所示:凸模14是通过销7、小挡板8及凸模固定板3定好位，连同凸模垫板19一起固定在上模座4上。为了制造和使用方便，下模设计比较特殊，它是由夹板A 10, B11、导位板A 12, B13及塞板17组合在一起固定在下模座15上，在此夹板A l0, B 11是所谓的凹模固定板，同时也对凸模起到导向作用;导A和B一起组成凹模，在切断过程中不仅对工件起导向作用同时也起支撑作用，这样大大减少了切断过程中的不良变形，更好的保证断面的质量，
切断模具整体上是由上模和下模两部分组成。因为要保证切断面的质量，则必须保证凸、凹模的间隙大小合适并且分布均匀，可是凸模很薄且长，并且行程也长，这样就要求有好的导向装置，为了减少导柱本身的变形，尽量缩短导柱的长度〔按常规的设计，把导往安装在下模座上，导柱将很长，则比较容易变形)，将导柱装在下模的夹板上(图7)则解决了这一问题。夹板在此有两个作用:对凸模起导向作用，很好的保护凸模，以增加凸模的寿命;分别用来固定导位板A12和导位板B13。
4. 2切断模具工作过程分析
型材一直是在运动中，切断过程也是在运动中完成，切断模具固定在随动小车上。具体模具工作过程是:工件有导位板导人，运行至随动小车，模具随小车一起运动，控制系统根据光电感应开关发出信号，使机械定位装置工作实现机械精确定位，随后液压缸根据控制系统的信号，带动切断上模下行，凸模14开始工作，在切断过程中凸模利用其角度和弧度完全将废料排开，保证与工件贴合，直至完全切断，压力机也到了下死点，所形成的废料分成6段，成卷状，由漏料孔排出。切断过程如图8所示，由①到②切掉上端两侧弧面部分;由②到③切掉竖直面部分并且开始切下端弧面;由③到④将下端弧面切掉。随着压力机回程，凸模脱离工件回到上止点，机械定位装置解除定位，然后随动小车带动切断模具在复位气缸的作用下快速复位，型材继续前移，下一个行程开始。
4. 3切断模具的凸摸设计及凹模部分设计
因为工件的端面形状比较复杂，并且预留切断量只有6. 8 mm,因此，在设计凸模时，对凸模的强度及韧性还有刃口的形状都提出了很高的要求。
4. 3. 1凸模材料选择
凸模失效的形式为断裂、弯扭和磨损，因此，凸模的材料选用抗磨损冷作合金钢Cr12MoV材料，且经多向锻造进行细化晶粒的预处理，然后再淬火，再回火，回火温度达260-280℃，其表面硬度达58-61HRC，以保证有较高的强度与韧性。
4. 3. 2凸模结构设计
由于工件的特殊性，要将整个异形断面分离，也就是不仅要对竖直方向的金属分离而且还要对水平和圆弧方向的金属分离，可是凸模只作上、下往复运动，这样凸模的刃口部分必然要有一定的形状才能使工件不致变形。根据前面冲出预冲孔的位置及大小，再结合工件的形状，进行刃口部分的设计，整个刀刃部分由4段弧组成，左右对称，为了减小冲裁力，在凸模的刃口部分设计了1. 5°的斜度，这样也是对凸模的一种保护。另外，预冲孔的宽度只有6. 8 mm，因此凸模厚度只能小于6. 8 mm，在此设计为6. 0 mm，可要使整个断面分离，切断行程比较长，凸模长度达到256 mm，根据综合分析采用直通式凸模，上端开孔，插入圆销以承受卸料力，这样设计出的凸模及实物照片如图9所示。上端设计有4个孔，目的是为了凸模磨损或损伤后调整凸模的高度，可以再次磨刃口，以增加凸模的使用寿命，节省成本。刃口的不同角度走向及弧度主要有两个作用:(1)保证切屑外翻或内卷，使形成废料能顺利排出，其目的是不影响后面的切断;(2)凸模下行的过程中保证凸模和工件合理地力作用，以较小
的冲压力平稳地切断。
4. 3.3凹模部分设计
下模采用拼块式结构，如图7所示:由夹板A10、夹板B11、导位板A 12、导位板B13和塞板17及下模座15组成，组成切断凹模的主要部件为导位板A12、导位板B13二导位板不仅可以支撑工件，以减少工件在切断过程中的变形，而且便于加工，可以方便的调节切断模的合理问隙因为凸、凹模的间隙大小及分布的均匀性是保证冲裁件质量(指切断面质量、尺寸精度及形状误差)的书要因素，同时间隙对冲裁力、模具寿命的影响也很大。在工作过程中，凹模的受力及磨损也是很大的，为了保证凹模的强度，材料选用与凸模相同，为抗磨损冷作合金钢Cr7 2MoV。
5结论
这两套模具应用于生产后，达到了自动化生产的要求。切断后型钢断面无毛刺、塌角，随动行程短，切断噪声低、振动小，适应高速冷弯型钢机组不停机生产要求，相对于传统的割断或锯断是一个很大的飞跃。对于异型复杂封闭断面冷弯型钢在线切断的模具设计得出结论如下:
(1)对于异形复杂封闭断面冷弯型钢的在线切断完全可以由冲压模具完成，但是预冲工艺孔的选择非常重要，它是能否顺利实现冲切的前提。
(2)关于切断模具中凸模的设计不但要充分考虑凸模的强度和刚度，而且要根据不同截面形状的型钢来确定刃口部分的形状，首先保证切断过程中凸模和工件合理地力作用，同时也要考虑冲切时产生的废料形状及走向，使废料能顺利排出，不影响后续的切断。(end)
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