隨著智能家居市場(chǎng)的快速發(fā)展，指紋鎖作為一種高效、便捷的安全設(shè)備，正逐漸成為現(xiàn)代家庭和商業(yè)場(chǎng)所的首選。2025年，指紋鎖行業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)需求方面均呈現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)指紋鎖殼體零件多工位傳遞模設(shè)計(jì)的研究，探討了指紋鎖制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并提出了優(yōu)化方案，旨在為行業(yè)提供參考，推動(dòng)指紋鎖技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
《2025-2030年全球及中國(guó)指紋鎖行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指紋鎖殼體是指紋鎖的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)尺寸和三維模型如圖1和圖2所示。材料為1304不銹鋼，厚度為0.9mm，通過(guò)板料沖壓成形，適用于大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝采用單工序工程模和多工序手動(dòng)上下料沖壓生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，且因工序間定位誤差累積，廢品率高。因此，研究基于伺服機(jī)械手自動(dòng)送料的多工位傳遞模生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)沖壓過(guò)程的自動(dòng)化，提升指紋鎖殼體零件的生產(chǎn)效率和成形質(zhì)量，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。
指紋鎖行業(yè)分析提到指紋鎖殼體的整體結(jié)構(gòu)為圓形拉深件，外表面為外觀面，內(nèi)表面為裝配面，底面有凸包和筯，側(cè)面有方孔和圓孔，筒口邊緣有內(nèi)收口，凸緣部分有4個(gè)切口。其成形工藝主要包括拉深、整形、切邊、側(cè)沖孔、側(cè)面收口和切口等工序。側(cè)面收口后，制件凸緣部分尺寸略小于筒壁尺寸，因此切邊工序應(yīng)在側(cè)面收口工序之前，以保證4個(gè)切口部位的尺寸精度。根據(jù)制件的結(jié)構(gòu)及成形工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用圓形坯料，并采用機(jī)械手同步送料的多工位傳遞模生產(chǎn)，以保證零件的尺寸精度。
(一)拉深工序有限元分析
拉深工序以側(cè)面收口成形前的半成品制件為研究對(duì)象，應(yīng)用UG軟件抽取制件外表面并導(dǎo)入AutoForm進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果顯示，在距離下死點(diǎn)16mm處，制件底角部位開(kāi)始出現(xiàn)過(guò)度變薄并趨向開(kāi)裂，到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)，趨向開(kāi)裂部分面積達(dá)到5%。進(jìn)一步失效分析顯示，最大失效值設(shè)置為0.8，保留0.2的安全裕度，深色區(qū)域?yàn)槭^(qū)域。
經(jīng)過(guò)CAE分析，采用一次拉深成形，底部出現(xiàn)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，考慮采用拉深和整形兩道工序成形。在第1道拉深工序中，通過(guò)增大凸緣圓角半徑降低材料注入凹模的阻力，從而降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，再通過(guò)整形工序來(lái)保證制件的最終成形尺寸。將拉深凹模凸緣圓角半徑增大至4mm，拉深凸模底部圓角半徑增大至3mm，優(yōu)化后的成形工藝方案是可行的。
(二)側(cè)面收口成形有限元分析
側(cè)面收口成形時(shí)，為了能夠脫料，凹模應(yīng)設(shè)計(jì)為活動(dòng)可分式。在實(shí)際成形過(guò)程中，活動(dòng)凹模在完全撐開(kāi)后，上模斜楔再推動(dòng)活動(dòng)凸?；瑝K完成側(cè)面收口成形。因此，凹模結(jié)構(gòu)對(duì)制件的收口成形無(wú)影響。在進(jìn)行CAE分析時(shí)，將凹模假想為一整體式，凸模與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，為3個(gè)活動(dòng)式扇形凸模。成形模擬結(jié)果顯示，收口變形區(qū)域無(wú)開(kāi)裂，斜楔結(jié)合部位無(wú)明顯起皺。實(shí)際沖壓生產(chǎn)中，為提高斜楔結(jié)合處的成形質(zhì)量、保證收口部位的尺寸精度，可考慮增加一道整形工序，并在整形工序?qū)⒒顒?dòng)凸模旋轉(zhuǎn)45°。
(一)排樣設(shè)計(jì)
根據(jù)CAE分析結(jié)果，制定如下工藝方案：指紋鎖殼體外形采用拉深、整形兩道工序成形;側(cè)面收口部位采用一道成形工序和一道整形工序，在整形工序?qū)⒒顒?dòng)凸模旋轉(zhuǎn)45°以提高斜楔接觸處的成形質(zhì)量，減小收口處的回彈;切邊安排在側(cè)面收口之前;側(cè)面的方孔和圓孔呈180°對(duì)稱布置，將兩處側(cè)沖安排在同一道工序，以提高沖壓過(guò)程的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)模具的使用壽命;為保證凸緣部位4個(gè)小切口的尺寸精度，將切口安排在最后。坯料為預(yù)先沖裁好的圓形料片，采用7工位機(jī)械手同步送料，模具為多工位傳遞模，具體排樣方案如圖9所示。
(二)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指紋鎖殼體零件多工位傳遞模具結(jié)構(gòu)如圖10所示，拉深、整形、切邊、側(cè)成形、側(cè)整形、側(cè)沖孔和切口7個(gè)工位即為7套單工序模具，共用一個(gè)正裝結(jié)構(gòu)4導(dǎo)柱模架，運(yùn)用機(jī)械手同步送料，在一次沖壓中同時(shí)完成制件在7個(gè)工位的成形。模具采用四導(dǎo)柱滾動(dòng)導(dǎo)向模架，每個(gè)工位的上、下模間均由小導(dǎo)柱導(dǎo)套構(gòu)成的導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向;拉深和整形工位，壓料板也起頂件作用，由內(nèi)置導(dǎo)柱導(dǎo)套保證其運(yùn)動(dòng)的可靠性;側(cè)成形、側(cè)整形和側(cè)沖孔工位，在沖壓過(guò)程中，活動(dòng)凹模、滑塊等零件在做平面滑動(dòng)的同時(shí)，還隨活動(dòng)墊板一起上下運(yùn)動(dòng)，為保證模具內(nèi)活動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)精度和可靠性，活動(dòng)墊板的上下運(yùn)動(dòng)由4套導(dǎo)柱導(dǎo)套作導(dǎo)向。模具運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)外多套導(dǎo)向系統(tǒng)同時(shí)導(dǎo)向，以保證沖裁間隙，提高沖壓精度。
(三)送料機(jī)械手
根據(jù)各工位具有寬度尺寸一致、下模高度一致及模具閉合高度一致的特點(diǎn)，采用橫梁式伺服機(jī)械手自動(dòng)送料的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)工件在模內(nèi)各工位間的運(yùn)輸和位置轉(zhuǎn)換。機(jī)械手結(jié)構(gòu)主要由固定板、抓取裝置、水平送料裝置和垂直送料裝置組成。工位間的送料運(yùn)動(dòng)路線如圖11所示，機(jī)械手從初始駐留點(diǎn)Z平移至取料位置Q，下降取料高度至B，上升送料高度至C，平移至放料位置E，下降放料高度至F，上升至初始駐留高度，平移至初始駐留點(diǎn)Z，在垂直、水平兩個(gè)平面內(nèi)通過(guò)7步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工位間的取料、送料和放料。
(四)模具工作過(guò)程
7工位水平同步伺服機(jī)械手將工件放置到位，在壓力機(jī)作用下，上模下行，在7個(gè)工位同步完成拉深、整形、切邊、側(cè)成形、側(cè)整形、側(cè)沖孔和切口。工位1和工位2中制件被壓料板壓緊后進(jìn)行拉深和整形，拉深凹模前后兩個(gè)進(jìn)氣口中的高壓空氣起輔助出件作用;工位3的切邊廢料由左右對(duì)稱布置的廢料切刀將其切斷后從前后廢料槽排出;工位4和工位5活動(dòng)墊板上的工作零件在隨墊板一起向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，內(nèi)側(cè)4個(gè)扇形活動(dòng)凹模塊在下模錐形柱作用下?lián)伍_(kāi)形成側(cè)成形凹模，斜楔將壓力機(jī)滑塊的垂直運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鈧?cè)3個(gè)扇形活動(dòng)凸模沿徑向的水平運(yùn)動(dòng)，完成側(cè)向成形;工位6下模半圓形壓料塊隨活動(dòng)墊板下行時(shí)在錐形板作用下前后張開(kāi)，與活動(dòng)凹模固定板一起壓緊工件，前后兩個(gè)滑塊推動(dòng)沖孔凸模完成側(cè)面沖孔;工位7制件由彈性壓料銷壓緊，活動(dòng)切口沖頭在滑塊推動(dòng)下先完成水平定位，再在上模推桿作用下完成切口沖裁。上模上行，各活動(dòng)零件在復(fù)位彈簧作用下恢復(fù)原位，機(jī)械手完成工件在模內(nèi)工位上的傳遞，并由第1工位機(jī)械手進(jìn)行取料，第7工位機(jī)械手完成出件。
(一)側(cè)面收口工位
在側(cè)面收口后，指紋鎖殼體制件形成倒扣，為便于脫料，將凹模、凸模均設(shè)計(jì)為可作水平和垂直兩個(gè)方向聯(lián)動(dòng)的活動(dòng)模組。凹模組由4個(gè)活動(dòng)的扇形滑塊和4個(gè)活動(dòng)的L形滑塊組成，扇形凹?；瑝K可沿各自的導(dǎo)向塊作徑向滑動(dòng)。凸模組由3個(gè)呈120°配置的活動(dòng)凸?；瑝K組成。合模時(shí)，上模氮?dú)鈴椈傻膹椓Υ笥谙履；顒?dòng)墊板彈簧的彈力，下模彈簧壓縮，整個(gè)凹模組和凸模組隨活動(dòng)墊板一起向下運(yùn)動(dòng)，在下模錐形柱的作用下推動(dòng)4個(gè)扇形凹?；瑝K沿徑向外移，并帶動(dòng)L形滑塊一起撐開(kāi)，形成側(cè)面收口凹模。當(dāng)活動(dòng)墊板接觸到下模板后，上模氮?dú)鈴椈蓧嚎s，斜楔推動(dòng)3個(gè)活動(dòng)凸?；瑝K同時(shí)運(yùn)動(dòng)，完成側(cè)面收口成形。上模上行，在復(fù)位彈簧作用下扇形凹模沿徑向內(nèi)收，并帶動(dòng)L形滑塊復(fù)位，活動(dòng)凸?；瑝K向外分開(kāi)，以方便側(cè)面成形后的取件。
(二)側(cè)沖孔工位
為便于制件的放置、壓緊及取出，將壓料塊設(shè)計(jì)為兩個(gè)半圓形活動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)沖孔凹模也設(shè)計(jì)為可前后運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)滑塊結(jié)構(gòu)。上模下行，錐板推動(dòng)兩個(gè)半圓形活動(dòng)壓料塊前后張開(kāi)，同時(shí)前后兩個(gè)凹模在斜楔作用下向中間滑動(dòng)，并一起壓緊制件。前滑塊連接沖方孔凸模，后滑塊連接沖圓孔凸模，在上模斜楔作用下完成沖孔成形。上模上行，在彈簧彈力作用下兩個(gè)半圓形活動(dòng)壓料塊向中間回收，兩個(gè)活動(dòng)凹模向外張開(kāi)，滑塊帶動(dòng)凸模復(fù)位，方便沖孔后取件。
(三)切口工位
由于凸緣直徑略小于筒壁外徑，切口工位刃口沖頭需先沿徑向運(yùn)動(dòng)再向下沖切，沖切完成后，刃口沖頭需先向上抬起再沿徑向退出，運(yùn)動(dòng)空間范圍小，運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜。因此，將刃口沖頭放置在下模，與滑塊通過(guò)燕尾槽相連，且可沿燕尾槽上下滑動(dòng)。上模下行，斜楔推動(dòng)滑塊帶動(dòng)刃口沖頭沿徑向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)沖切位置后，上模繼續(xù)下行，剛性推桿推動(dòng)刃口沖頭向下運(yùn)動(dòng)完成沖切。上模上行，在彈性頂桿作用下刃口沖頭回到初始高度，上模繼續(xù)上行，斜楔脫離滑塊，在內(nèi)置復(fù)位彈簧的作用下刃口沖頭在平面內(nèi)復(fù)位。彈性壓料銷起壓料作用，防止制件偏移，導(dǎo)正銷實(shí)現(xiàn)工件的精定位。沖切完成后，浮銷和頂件塊將制件頂出，方便機(jī)械手取件。
五、總結(jié)
通過(guò)對(duì)指紋鎖殼體零件的拉深和側(cè)面收口成形過(guò)程進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化并獲得了合理的工藝方案，有效降低了模具的設(shè)計(jì)與制造成本。將工作零件設(shè)計(jì)為活動(dòng)式模組結(jié)構(gòu)，可以很好地解決側(cè)面收口成形后制件因筒口邊緣部位形成倒扣特征而造成的放料、定位和取件困難的問(wèn)題。本研究為指紋鎖殼體零件的工藝方案優(yōu)化及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有益的參考，有助于推動(dòng)指紋鎖行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)發(fā)展。
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