机器人行进轮冲压工艺及模具设计

黎泉+蒋庆华+贾广攀+徐微

摘 要：通过对机器人行进轮塑性成形分析，确立其成形条件，设定了合理的冲压工艺参数，设计了专用的冲压模具，对类似零件模具设计提供一定的参考作用。

关键词：机器人行进轮；冲压工艺；模具

前言

某厂生产的机器人行进轮，工件尺寸见图1所示。材料为30#钢，采用线切割的方法加工。选用毛胚为150×150的冷轧钢板，加工一件的工时约为20分钟。采用线切割的方法使生产率低下，为提高生产效率，降低生产周期和生产成本，拟改进原生产工艺，采用冲压工艺。

一、模具设计的分析与选择

（一）冲压工艺分析

冲压工艺性是指冲裁工艺对冲压件的适用性。这里主要对机器人行进轮金属材料的选择、行进轮的结构和形状、行进轮的尺寸和精度、行进轮断面粗糙度进行分析[1]。

选择10#钢作为行进轮的金属材料，10#钢是一种优质的碳素结构钢，具有非常良好的焊接性能、塑性和韧性，主要使用在制作冲压件、紧固件，如垫片、垫圈等，能够用做进行冷镦、冷弯等各种加工材料，非常适合用于冲裁加工，而且价格低廉，购买方便。

行进轮没有较高的要求，尺寸精度也没有较高的要求，查询冲裁件各种孔径工差，得知精度使用IT14级，普通冲裁就能够满足条件的要求。

综合上面的分析：机器人行进轮具有比较好的冲裁工艺性，结合各方面分析比较，适合采用冲裁加工。

行进轮的断面粗糙度跟材料的厚度、冲裁模间隙、材料塑性、冲模结构等有关，行进轮的厚度为2mm以下的10#钢板，它的断面粗糙度Ra一般可达12.5～3.2um，符合行进轮的断面粗糙度要求。

（二）冲压工艺方案设计

通过对机器人行进轮进行冲裁工艺分析和技术经济分析，确定冲裁件的最佳冲裁工艺方案[2]。冲裁出机器人行进轮需要经过冲孔、落料两道工序。加工工艺方案一般分成下面3种：

（1）选用单工序模的方式冲裁，首先进行冲孔，然后落料。

（2）选用级进模的方式冲裁，冲孔和落料逐级进行冲压。

（3）选用复合模的方式冲裁，冲孔、落料复合冲压。

第一种方案结构比较简单，其加工用時少，容易加工，必须要用两副模具，花费增加了而生产效率却降低了。

第二种方案仅一副模具就能够完成，其加工的速度极快，操作简单，精度也可以符合条件，制造的工作量与成本在冲裁简单的工件时比复合模低。

第三种方案仅要用一副模具完成，制造的工件精度与生产效率都非常高，并且零件最小壁厚比凸凹模许用最小壁厚小，模具的强度也符合要求。冲裁件的内孔到边缘的相对位置精度比较高，材料定位精度低于第二种方案，模具轮廓尺寸也比较小。

结合对以上三种方案的比较分析，机器人行进轮的冲压生产使用级进模较合适。

三、毛坯尺寸的设计

（一）排样方案设计

根据板材，排样可分为以下三种方案：

（1）有废料的排样。顺行进轮的外边冲裁，在行进轮的外圆都存在搭边，行进轮的尺寸均由冲模来完成，所以行进轮的精度较高，模具的寿命较久，但是板材的使用率比较低。

（2）废料少的排样。由于受到冲裁条料与定位误差的干扰，行进轮寿命短，模具的寿命相对于第一种方案低，但是板材的使用率较第一种方案高，冲模的结构较简单。

（3）没有废料的排样。冲压模具的使用寿命与零件质量则更加低，但是板材的利用率是非常高的[16]。

由于行进轮的最外边沿为圆形，所以选用直排的方式。

结合机器人行进轮的形状特征，以及经过对几个方案优缺点的对比，综合前面模具冲压工艺性、模具类型的选择，最终行进轮的排样方式选取有废料排样最好。考虑到模具加工难易程度及成本，选择直排有废料排样。

（二）条料宽度设计

按照行进轮的形状尺寸，查找《最小工艺搭边值》表，工件与侧边的搭边值a=1.2mm，工件之间的搭边值a1=1.0mm，条型板料是由板料裁剪下料得到的，为了使送料顺利，规定它的上偏差是0，下偏差是负值-△。

3.凹模固定板设计

（1）固定板高度取25mm。

（2）凹模固定板参考标准选长和宽长度为L×B=500mm×250mm的固定板。

（3）凹模与固定板设计成整体形式，用10个螺钉和下模座、垫板连接固定。

4.选择凹模材料：经查表，材料可选45钢。

（二）凸模的设计

采用整体式设计，把冲模和固定板设计为一个整体，凸模采用线切割的加工方法，行进轮凸模如图4所示。

（四）模具装配图

绘制模具的零件图或从重用库中调用标准件，组装成3D装配图，然后导出2D图纸，并标注好各组件的名称，2D装配图和左视图分别如图6、图7所示。

5 结论

确定了合理的冲压工艺方案，设计了落料冲孔级进模，模具结构设计合理，符合工艺技术要求，使用方便，通过试制和生产，该套工艺方案能够解决生产实际问题，解决了原工艺生产长、效率低、成本高的缺点，成倍提高了工效，可以完成生产任务。

参考文献：

[1]陆永海.针坯冲裁模刃口尺寸的设计计算[J].纺织器材，1995（1）：39-41.

[2]赵治国.冲裁模自动设计系统的研究[D].陕西科技大学.2007.

[3]许萍，肖秀珍.渐开线花键齿式摩擦芯片冲裁工艺优化选择[J].现代制造技术与装备，2010（6）：46-48.

[4]李海荣，傅骏，李刚.磁轭复合阶梯冲模的设计[J].锻压技术，2010（5）：115-118.

[5]江昌勇.多工序冲压成形工件的技术经济性分析[J].模具制造.2010.endprint