冲压工艺参数 (MFG)：碟形弹簧制造中的成形力与模具设计

1. 工艺概述

碟形弹簧的制造通常包括落料冲孔（制取环形坯料）和锥形成形（压出锥角）。冲压工艺参数决定了弹簧的尺寸精度、残余应力分布，并最终影响其力‑挠度特性与疲劳寿命。

以下基于板料成形理论，给出碟形弹簧冲压中最关键的成形力、模具间隙和设备吨位的计算公式。

2. 核心计算公式

2.1 落料/冲孔力 ($P_c$)

在复合模或级进模中，剪切环形坯料和中心孔所需的力为：

• $P_c$ — 冲裁力（N）
• $L$ — 剪切轮廓长度（mm），落料时 $L = \pi D_e$，冲孔时 $L = \pi D_i$
• $t$ — 材料厚度（mm）
• $\tau_b$ — 材料抗剪强度（MPa），可近似取 $\tau_b \approx 0.8\,R_m$，$R_m$ 为抗拉强度

实际选用冲床时，需考虑刃口磨损等因素，乘以安全系数 $1.2\sim1.5$。

2.2 锥形成形力 ($P_f$)

将平环形坯料压成锥形碟簧，属于弯曲与翻边复合变形。成形力可由下式估算：

或采用更精确的经验公式：

• $\sigma_b$ — 材料抗拉强度（MPa），对于弹簧钢，通常在淬火前为退火态，$\sigma_b \approx 500\sim700$ MPa；若为调质态，则需更大的力
• $C$ — 形状系数，取决于 $h_0/t$ 和润滑条件，一般取 $0.5\sim1.5$。锥度越大，$C$ 越大
• 其余符号同前

说明：碟形弹簧通常在退火态下成形，然后再进行热处理（淬火+回火）以获得最终性能。因此，成形力计算应使用退火态材料的力学性能。

2.3 压边力 ($Q$)

当成形时板料有起皱倾向（尤其薄料、大锥度），需使用压边圈。压边力为：

• $A_p$ — 压边圈面积（mm²），通常取环形面积
• $q$ — 单位压边力（MPa），对钢可取 $1.5\sim3.0$ MPa

压边力过大会导致拉裂，过小会起皱，需通过试模调整。

2.4 卸料力与推件力

冲裁后零件可能卡在凹模或凸模上，需要克服摩擦力将其卸下。

• 卸料力 $P_{卸} \approx K_{卸} \cdot P_c$，$K_{卸}=0.02\sim0.06$
• 推件力 $P_{推} \approx n \cdot K_{推} \cdot P_c$，$K_{推}=0.03\sim0.07$，$n$ 为卡在凹模内的件数

2.5 模具间隙 ($c$)

冲裁间隙直接影响断面质量和模具寿命。对于碟形弹簧用弹簧钢板，推荐双边间隙：

成形模具的间隙则略大于料厚，考虑回弹。通常凸凹模间隙取 $t + (0.05 \sim 0.1)$ mm。

3. 回弹补偿

碟形弹簧在成形后存在回弹，导致自由锥高 $h_0$ 和锥角偏离模具设计值。工艺上需对模具锥角进行过弯补偿，即模具锥高 $h_{0,die}$ 大于目标锥高 $h_0$，补偿量根据材料屈服强度和厚度确定：

其中 $k$ 为经验系数，通常通过试模或有限元模拟确定。

4. 设备吨位选择

所需冲床公称压力 $P_{press}$ 应大于总工作力：

并考虑冲裁行程内的能量消耗和过载保护，选用公称压力为计算值的 $1.3\sim1.5$ 倍。

5. 计算示例

碟簧：$D_e=40$ mm，$D_i=20.4$ mm，$t=2.0$ mm，退火态弹簧钢 $\tau_b = 400$ MPa，$\sigma_b=600$ MPa。

落料力：$L = \pi \times 40 \approx 125.66$ mm

成形力：取 $C=0.8$

注：成形力远小于冲裁力，因此落料是决定冲床吨位的主要工序。

加上卸料力等，选用公称压力 160 kN 冲床即可满足。

6. 工艺参数与 DIN 2093 性能关联

• 成形力不足会导致锥高不足、力值偏低，成品无法满足标准载荷要求。
• 模具间隙不合理会产生毛刺或微裂纹，降低疲劳寿命（OM 点、I 点易早期失效）。
• 回弹控制不当会使 $h_0$ 超出公差，造成刚度与储能偏离设计值。
• 冲压后的去应力退火和喷丸强化可改善残余应力分布，提高疲劳极限，这些后续工序直接影响 DIN 2093 疲劳分组性能。

因此，冲压工艺参数的准确计算与严格控制是制造合格碟形弹簧的基础。

总结：碟形弹簧冲压工艺参数以冲裁力和锥形成形力为核心，配合合理的模具间隙、压边和回弹补偿，确保零件几何精度与力学性能满足 DIN 2093 要求。设计时须使用退火态材料数据，并通过试模优化最终参数。