筛片冲孔模具的结构设计与热处理工艺设计*

2013-06-28梁其文

机械研究与应用 2013年3期

梁其文

(临夏市农机制造有限责任公司，甘肃临夏 731100)

1 模具总体结构

筛片是粉碎机械的主要零件，不仅决定着粉碎物的粒度，还严重影响机器的效率，同时它又是一个易损件，需用量极大。上面的筛孔(常用筛孔孔径在φ1.0～φ5.0之间)是在冲床上用冲孔模具冲制而成的。为此，笔者就此冲孔模具凸模的刚度、凸模与凹模孔的排列和热处理工艺做了一些思考，解决了筛片冲孔模具的结构设计和热处理工艺设计，为筛片的规模化生产提供可靠的技术保证。

笔者认为开空率较大的小孔模具，在总体结构上选用导向模架，因为它导向精度高，上下部分对准性好，能保证均匀合理的冲裁间隙，安装调试也非常方便。卸料装置采用刚性卸料板，使其同时也具有导向板的功能(增加凸模刚度)。凸模选用阶梯形，以增加刚度和稳定性;凹模选用阶梯形，其刃口强度高，修磨后尺寸不发生变化，且制造工艺简单。在选料上，固定板、卸料(导向)板选用45#钢，凸模、凹模选用Cr12钢，以上模具构件都应经过锻造和预备热处理。

2 凸模结构

这种长径比较大的小孔凸模选用什么样的结构呢?按先行的说法，除采用导板导向外，可采用加装护套的方式，它对于开孔率小的多孔冲磨来说是可行的，但对开孔率大的多孔冲模未被就可行。若该模具采用这种结构，由于孔距太小，在安装时护套之见会发生干涉。以冲裁GB3943-1983《园孔和长孔筛片》Ⅰb20号筛片为例(以下均以Ⅰb20号筛片为例)，采用截面直径没有变化的φ2钢丝结果到底会怎样呢?根据《机械制造工艺学》第119页所提供的稳定行校核公式可知［1］:

式中:d为凸模直径;P为冲裁力。

A3的剪切强度:τ=3 450(kg/cm2)

剪切面积:

1个孔的冲裁力:

即Lmax≤21(mm)

这个结论说明，若选用截面没有变化的凸模，它的最大自由长度不能超过21 mm，否则，由于刚度不足而发生弯曲，失去稳定性。从模具结构看，由于卸料板、凹模高度和安全闭合间隙的限制，自由长度不可能小于21 mm，所以要施加平衡外力或改变凸模结构，以解决刚度不足。

笔者曾认为，在不改变凸模结构的前提下，让卸料板兼有导向板的作用，可以约束凸模，提高稳定性，增加刚度，但此方法从根本上难以解决稳定性的问题，而且此方法要提高导向板的制造精度，同样也对凸模的尺寸精度要求极高，因此，不采用此方法。那么只有从改变凸模的结构上去着手，采用阶梯形凸模。因为从稳定性校核公式可知，直径增加1倍，自由长度允许值增加4倍，从力学的角度看，采用阶梯形凸模可行，但由于筛片孔距太小，会给多个阶梯形凸模的排列带来困难，这是下面要解决的问题。

3 凸模与凹模孔的排列

从筛片筛孔的分布来看，凸模采用阶梯性几乎不太可能，筛片上筛孔的排列如图1所示，相邻两孔间距为3.5 mm(Ⅰb20号筛片相邻筛孔孔距有3.0和3.5两种)。按传统的做法，在模具上凸模和凹模孔的排列与筛片上筛孔的排列一致，图2中黑点所示，可称为相邻孔三角形排列。如果采用了这样的排列，由于凹模上孔与孔之间，固定板上凸模与凸模之间的中心距也是3.5(部颁标准，20号筛片两相邻孔之间的距离是3.5)，不能采用阶梯形凸模。因为阶梯模的形状是从冲裁部分、导向卸料部分到固定部分轴颈依次变大，最小轴颈排列应该是φ2、φ3、φ4。到凸模固定板时，φ4固定部分形不成园形，而成锯齿形。再说凹模孔与孔之间由于距离太近，连接过渡材料少，强度低，热处理时，因组织应力和热应力的双重作用，会加速变速，严重时还有可能造成开裂，另外也减少了冲裁受力面积。

图1 筛片上筛孔的排列

图2 凸模和凹模孔的相邻孔三角形排列

经细致分析，发现可把凸模和凹模孔排列成与筛片筛孔完全不一致的三角形，如图3黑点所示，可称为跨孔三角形排列。它的排列是边长为6.06的等边三角形，送进步距为3.5。这样既可以把凸模做成阶梯状，也可以一次成形，与上面的方案相比，孔与孔之间的连接过渡部分的长度增加了2倍，可减小热处理时的变形和开裂趋势。非常可行的方案。凸模的直径分布分别是φ2、φ4、φ6，φ2部分的工作长度定为12 mm，问题得到很好的解决。

图3 凸模和凹模孔的跨孔三角形排列

通过上面的分析和研究，可得这样的结论，凸模采用阶梯形，凸模和凹模孔的排列采用跨孔三角形排列，可满足筛片冲孔模具的要求，而且非常理想。

4 热处理工艺设计［2］

把凸凹模的材料选为Gr12(C:2.0%～2.3%，Gr:11.5%～13%)，淬火后有较高的耐磨性和硬度。由于含有教高的铬，所以能降低马氏体M开始转变点Ms点，使材料具有一定的残余奥氏体A(它是一个不稳定相，在低温和压力的作用下，会慢慢地自发向马氏体M转变，故精密零件还需要冷处理，最大限度的减少残余残余奥氏体A。但他也有有利的一面，它的存在，使钢件淬火后的体积和原始状态接近，可减少组织应力，生产中使用的无变形淬火或微变形淬火就是根据这个道理来的。)，属微变形材料。更值得一提的是Gr还能大幅提高钢的淬透性，降低临界冷却速度，很容易得到马氏体组织。此外还能细化晶粒，提高材料的屈服强度，给热处理提供了容易的工艺条件。经过多次探讨和实验，决定采用正火-球化退火-分级加热，三硝水溶液淬火-中温回火的热处理工艺。

Gr12属过共析钢，经锻打而成后，在它的组织中往往有网状渗碳体Fe3C，由于它割裂了基体，致使钢的性能变脆，在淬火时容易造成开裂。而正火是消除网状渗碳体Fe3C的有效手段。此外正火还能细化晶粒，锻打造成的热应力得到松驰或重新分布均匀，降低残余应力。

在高碳钢的原始组织中，少量的渗碳体以网状的形式存在外，大量的渗碳体以片状的形式存在，会造成工件硬度高，切削加工困难。其比容与马氏体M相比，差别很大，淬火时存在较大的组织应力，容易造成工件变形。对工件进行球化退火，不仅使锻打后的工件得到软化，而且还使片状渗碳体转化为球状渗碳体。把工件加热到球化温度后，经保温，渗碳体由片状转向球状。而球状渗碳体的比容大于片状渗碳体，当然与马氏体的比容差别相对片状要小，不会造成过大的组织应力，相应地在淬火时也不会造成过大的变形。球化退火是高碳钢冲裁模具制造中不可缺少的热处理工序。Gr12的工艺是:加热到860℃，保温2～4 h，然后以每小时小于30℃的速度冷却到600℃后，出炉空冷。

对模具进行淬火时，既要得到马氏体组织，还要使工件变形最小，由于碳和合金元素会大大降低工件的导热性，因此，高碳合金钢的加热要缓慢和分级。我们采用分级的方法，在550℃等温1 h后，再加热到淬火温度980℃。淬火液采用三硝水溶液(NaNO325%+Ca(NO3)220%+KNO320%+H2O35%)，这是因为它在奥氏体最不稳定的区域(C曲线的鼻子处，650～550℃之间)，冷却速度比油快，可达500℃/s以上(20号机油120℃/s)，接近水的冷却速度(20℃水，775℃/s)，保证奥氏体向马氏体转变(VC=400℃/s左右)，使工件能被淬硬。随着温度的下降，处于饱和溶液中的工件，表面会形成一层沉积盐层，沉积盐层导热性差，因而此时的冷却速度比水慢，接近油的冷却速度，这种热过程的自动调整性能，可使淬火零件的马氏体转变比较均匀，有利于减少组织应力，可有效的防止工件过大的变形和开裂倾向。

回火采用中温回火。是因为模具所受到的载荷为交变冲击载荷，要求模具既要有高的硬度，而且还要有一定的韧性，即要有高的综合机械性能，中温回火可满足这样的要求。