斜刃模冲裁力计算(不对称件冲断模具的研究及柔性化设计)

随着铁路货车重载化、轻量化的发展，大批量生产模式正逐步被中小批量生产模式所取代。柔性模具是一种根据加工对象的工艺要求组合而成的冲压模具，与专用模具相比，具有技术准备周期短、模具制造成本低的优势。研究和分析枕梁腹板和横梁腹板组合的、智能化模具结构设计的思路和原理，有助于建立冲裁件设计所需的数学模型，进行精准参数化模具设计。

工艺分析

铁路货车枕横梁腹板材质通常为高强度耐候钢Q450NQRl，板料厚度为5 ～ 8mm，是货车底架结构中的关键受力部件，尺寸精度高，既要保证与中梁的顺畅组装，又要保证焊接的间隙量不超过1mm。腹板形状见图1，但尺寸不一，常见的尺寸见表1。在制造时先将板材剪切成直角梯形，通过冲裁模具将预留边切除，实现产品的制造，过程详见图2。

图1 枕横梁腹板形状图

图2 枕横梁腹板冲裁过程图

表1 枕横梁腹板尺寸参数统计表（单位：mm）

模具设计原则

冲裁压力中心与设备几何中心尽可能重合原则

以NX701A 平车枕梁腹板为例，说明模具设计原则，图3 为NX701A 平车枕梁腹板冲断模。冲裁压力中心的确定对模具的工作过程、模具的寿命及操作的安全性都起到了至关重要的作用。枕横梁腹板冲裁压力中心与设备几何中心重合，也就是模具在CREO2.0的三维模具设计时，上下模板的几何中心和模具的数学模型冲裁压力中心重合。

图3 NX701A 平车枕梁腹板冲断模结构示意图

按冲压模具设计常规要求，分解成简单的、可计算的直线、不再分割的曲线和圆等独立单元，便于复杂问题的简单化，方便公式的求解。建立相对数学坐标系，至少进行初步计算和校验2 次计算，计算精度不足，容易对模具和设备造成伤害。对NX701A 平车枕梁腹板共有9 个直线段，相对比较简单，但对于复合模具和连续模具的计算相对复杂，往往精确度较低，反复计算才能保证冲裁压力中心和设备几何中心重合。

冲裁压力中心精确度原则

手工计算繁琐，重复计算核对也相对麻烦，技术人员有时烦于计算，直接用冲裁件质心或重心当作压力中心，显然存在着很大的误差。当模具为复合模具、连续模具或冲裁工件形状比较复杂的模具时，模具冲裁压力中心的计算往往存在漏项、笔误和偏差。为精准计算模具的冲裁压力中心，推荐使用三维模具设计软件计算模具的压力中心。

压力P=KL1Tσb，K 为工艺冲裁系数，L1 为工件实际冲断的周长，T 为板料厚度，σb 为材料的抗拉强度。冲压件的质量公式M=L2BTg，L2 为工件实际被冲断的长度，T 为板料厚度，B 为工件实际被冲断的宽度，g 为材料的密度。建立三维模型时，沿工件轮廓线向内外两侧各抽成宽度为0.5mm 的壳后，工件整体变成环形体，质量M=L2Tg，把g 换成Kσb，此时自动计算的质量就是工件的冲裁力，即P=M，避免手工计算的误差，同时在软件显示模具压力中心的位置，最多经过2 次的调整，其横纵坐标的数值接近”0“，计算准确快捷，与理论计算冲裁力的误差不超过1%，与理论计算压力中心冲裁力的误差不应超过2%。保证数学模型冲断线和产品的外轮廓完全一致，提高模具计算的理论精度和模具设计质量，实现模具压力中心和模具冲裁力计算的智能化。

柔性化原则

⑴上下垫板的设计。

依据各种货车枕横梁的尺寸统计表，腹板压力中心的横向坐标最大值为750mm， 纵向坐标的最大值为263mm， 单侧镶块的宽度为50mm，固定弹簧导向板的宽度为35mm，模具上下垫板XMax=2x(750 50 35)=1670mm，YMax=2x(263 50 35)=696mm，取整为695mm。

⑵镶块分形线的设计。

1) 产品小于90度的尖角，在模具制造时困难，热处理容易开裂，腹板的尖角导成R4mm（至少不小于板料厚度的一半），且分形线必须避开。

2)直线与直线的分形线选择在两直线的交点处。

3) 上下镶块的分形线避免重合，应相互错开至少10mm，防止侧向力造成模具间隙的扩展。

4) 镶块整体外形力求矩形，保证模具合理间隙的便宜调整，保证模具处于良好状态的持久性。

⑶上镶块的设计。

模具的上镶块共有6 块组成，镶块的最小宽度为40mm，镶块受力向外，不易过大。固定镶块的四周尽量取直线，从而保证模具上下垫板的固定槽的加工；固定槽的四面是受力面，承受冲裁力65％的侧向力。四周直线还可以保证模具备品备件的间隙调整，保证模具制造基准线、组装基准线、模具调整基准线的可靠性和理想性，达到三线的一致，详见图4。

图4 上镶块组合

设计镶块时其斜刃高度应等于料厚，斜刃高度过大，会加大冲裁行程，降低冲裁力。镶块的设计，按产品图最大长宽尺寸加上工艺余量制成毛坯尺寸，再按工件的数学模型切割内轮廓尺寸，最后按分形线分割原则逐一细分成所需要的镶块。如果用已有镶块尺寸复制并更改成其他模具的镶块，当产品的外形尺寸变化时，模具所用的镶块容易发生再生失败，失去模具三维柔性设计的意义和目的，无法实现核心部件完全按三维软件全参数化和柔性化的设计。

⑷下镶块的设计。

模具的下镶块共有4 块组成，详见图5，镶块的最小宽度为35mm，镶块受力向里，自身承受侧向力，设计尺寸不易过小。模具间隙设计方式为下模镶块刀刃向内偏10％ t( 板料的厚度)，内偏量是模具生产常态下的合理间隙值。下模的每一种部件亦应按产品的数学模型进行三维软件全参数化和柔性化的设计。

图5 下镶块组合

生产安全性原则

⑴在分离工序的模具上取消高度限位块。以往生产过程中，冲断模或落料模等具有高度限位块的模具常常出现安全事故。高度限位块的目的是存放模具并保护模具的弹簧等弹性部件不被损坏，当模具工作时高度限位块不起作用。而现国家安全标准规定，模具的码放高度不超过3 层，即便3 层码放，最底层也不至于被挤压损坏。

⑵模具导柱和导套配合面不应大于50mm，若配合面过长，则模具制造、拆卸、调整的时候，很可能需要暴力分离模具的上下模板，严重时损伤模具的导向面，造成导向精度的丧失。为防止模具在生产过程中导柱和导套配合超过50mm 的现象，多余的导向面可以径向缩小10mm。

⑶模具的安全性是设计时必须认真考虑的问题，既要保证操作者上下料、冲制零件时的安全，还要保证模具在使用过程中不因人为原因轻易损坏。在上料时，工件较重，操作者需用手将零件越过定位挡再回拉贴靠3 个挡定位，手持位置在相应上模位置留出空腔，避免出现压手的危险。在下料和取废料边时，工件和料边用料钩钩到模体边缘，脱离上模体的垂直投影面，在模具总图技术条件中，明确仅上料侧需使用光电保护装置，而下料侧不必使用光电保护装置，方便下料，且尽可能提高生产效率。

结束语

利用三维软件建模，快速、精确地计算冲裁压力和压力中心，并与设备几何中心应重合。同时，模具设计过程从垫板、镶块及安全结构等方面考虑实现智能化、柔性化、全参数化和安全化设计。

——END——