冲压工艺及模具设计

制订了传统的工艺方案。为解决生产设备不足的难题，在分析传统工艺方案各工序成形特点的基础上，确定了工序复合的改进方案，设计了实用的模具结构。生产实践表明，改进的工艺方案及模具设计能保证零件形状及精度要求，同时使生产效率及经济效益得到较大地提高。
　如图 1 所示的柳元管为某私营企业从外商处承揽的加工件，采用1mm优质低碳钢10制成，同型号不同规格的零件还有三种，每种型号年产量为６万件，由于生产急需，要求生产周期短，交货要快。



图1 零件结构简图

1 工艺计算
　　这是一常见的典型拉伸件，零件结构并不很复杂，按照零件的加工顺序，首先要对零件进行工艺计算，才能制订出合理的工艺方案。
　　选取合适的修边余量之后，根据拉伸前后毛坯与工件的表面积不变原则，依据毛坯直径D计算公式：D＝  ，可求得D＝84 。那么，该零件的拉延系数m＝d/D＝39/84＝0.46。
根据资料中的公式，确定是否采用压边。毛坯相对厚度 t/D＝1/84＝0.012；（0.09～0.17）（1―m）＝0.0486～0.0918，因 　t/D＜（0.09～0.17）（1―m），故需采用压边圈。
　　查表得，极限拉延系数m极＝0.5～0.53，因m＜m极，故需多次拉伸。
　　根据资料，可选取各次拉延系数m1＝0.59， m2＝0.78，即第一次拉成d1＝m1D＝0.59×84＝49.6 ；第二次拉成d2＝m2 d1＝0.78×49.6＝39（式中各零件直径为中心层直径）。

2 传统工艺方案及其不足
　　考虑到该零件锥形部分成形高度h＝10≈（0.25～0.3），d2＝9.75～11.7，属于浅锥形件。由于毛坯的变形程度不大，故能一次拉成，但按锥形件成形规律，须先拉伸成直径等于锥形件大端直径的圆筒形。
　　又由于锥形底部的φ12孔与锥形件小端直径较为接近，在拉伸成锥形过程中，易成为变形弱区而产生孔形变形，因此宜在锥形部分成形后加工。



图2 传统工艺方案

　　根据上述分析及工艺计算，结合传统的加工经验，可制订出如图 2 所示的工艺方案：
　　先落料并首次拉伸→第二次拉伸并挤边→拉成锥形→冲底孔。
　　整个工序的完成，需要设计4套模具，即落料→首次拉伸复合模，第二次拉伸→挤边复合模，锥形成形模，底孔冲模。
应该说，这种工艺方案复合程度还是比较高的，模具制造也比较容易，是较符合小型私营企业生产实际的。但考虑到零件交货期较短，若按该工艺方案生产，受生产设备能力的限制，难以满足外商的交货要求。如若设计成自动化程度较高的级进模则可以满足交货进度的要求。但由于设计的模具根本无法自己生产，不利于企业效益的提高并且较为庞大的模具也没有合适的冲床加工。
　　因此，决定对原工艺方案进一步复合，以减少工序数目，提高生产效率。

3 工艺方案的确定
　　考虑到首次拉伸后的零件直径φ49.6与第二次拉伸后的直径φ39相差较大，因此将第一、二次拉伸工序合并是具有结构设计上的前提条件。另一方面，尽管锥形成形与冲底孔合并会发生孔径变形，但通过在模具上采取措施是有可能避免的，因　　此，决定改进工艺方案成如图 3 所示。即：落料并首次拉伸、二次拉伸并挤边→拉成锥形、冲底孔。



图3 改进的工艺方案

4 模具设计
4.1 落料→两次拉伸→挤边复合模设计
4.1.1 模具结构
　　根据零件改进后的工艺方案，设计了落料→两次拉伸→挤边复合模，结构如图 4 所示。



1上模板　2上固定板　3落料凸模　4上垫板　5二次拉伸凹模　6打料杆　7模柄　　8卸料板　9二次拉伸凸模　10首次拉伸凸模　11落料凹模　12导套　13导柱　14压边圈　15凹模垫块　16下固定板　17下垫板　18下模板　19、20顶杆21、26螺杆　22、23聚氨酯块　24、25顶板

图4 落料→两次拉伸→挤边复合模结构图

4.1.2 工作原理
　　整套模具按其工作顺序，依次连续性地完成落料、首次拉伸、二次拉伸、挤切边、卸料五个步骤。
　　首先，模具开启，聚氨酯块22、23在自身弹力作用下通过顶杆20、19分别将首次拉伸凸模10、压边圈 14 顶起至与落料　凹模11上端面平齐，此时将条料放入模具合适位置，压力机开始下行，落料凸模 3 与落料凹模11共同作用将拉伸件的展开料毛坯冲下，完成落料工作。
　　展开料冲切完成，冲切好的坯料被落料凸模3及压边圈 14 共同压紧后随压力机滑块一同下行，随之落料凸模 3 与首次拉伸凸模 10 进行首次拉伸，直至二次拉伸凹模 5 开始与首次拉伸凸模10端面接触，毛坯成形到图 2 所示尺寸，模具转入二次拉伸。
　　随着压力机滑块的继续下降，二次拉伸凹模 5 迫使首次拉伸凸模 10 向下运动，二次拉伸凹模 5 及二次拉伸凸模 9 开始对第一次拉伸结束的半成品进行二次拉伸。
　　随着二次拉伸的完成，二次拉伸凸模 9 的挤切工作部分进入二次拉伸凹模 5 的型腔，它们共同作用将二次拉伸好的工件切边。此时，整个零件的拉伸、切边完成。
　　最后，压机滑块上升，首次拉伸凸模 10、压边圈 14 通过顶杆 20、19 在聚氨酯块 22、23 弹力作用下开始上升复位，同时将挤切后的废边推出二次拉伸凸模9的挤切工作部位。与此同时，上模带着成品零件复位至机床上死点，打料杆 6 与冲床打料横杆相撞，推动卸料板8将成品从二次拉伸凹模 5 型腔中推出，至此零件完成一个工作周期，模具转入下一个工作循环。
4.1.3 设计要点
　　（1）该模具有两组拉伸凸、凹模，其中件号10既是首次拉伸凸模又是二次拉伸时的压边圈，其结构为悬浮结构，靠二次拉伸凸模9下部和压边圈14定位以及顶杆20支撑，其它3个凸、凹模均为固定式。
　　（2）件号9上部既是二次拉伸的凸模又是挤切修边的凸模，同时其下部还担负首次拉伸凸模10的初始定位及导向作用；落料凸模3外形既是落料的凸模，内孔下部又是首次拉伸的凹模、其上部为二次拉伸凹模5的固定部位。
　　（3）为承受及分散零件工作时的压力，模具中设置上、下垫板4、17，垫板采用T10A钢制造，淬火至HRC56 ～58。
　　（4）整套模具下模采用两组各自独立的聚氨酯块通过弹力进行顶料，同时又提供压边力及零件的首次拉伸力，因此要求支承首次拉伸凸模10的聚氨酯块22预压力应大于零件的首次拉伸力。上模脱料由打料杆完成。
　　（5）为保证拉伸及脱模的顺利完成，压力机滑块行程至少应大于2倍零件高度与首次拉伸高度之和。
4.2 拉伸→冲孔复合模设计
4.2.1 模具结构及工作原理
　　为完成拉伸→冲孔工序，设计了拉伸→冲孔复合模，结构如图 5 所示。



1上模板 2拉伸凹模 3拉伸凸模 4冲头 5、8聚氨酯块 6卸料块 7卸料杆

图5 拉伸→冲孔复合模简图

　　模具工作时，首先将拉伸切边好的半成品套入拉伸凸模3中，随着拉伸凹模2下降，其与拉伸凸模3共同作用，逐渐将筒体部分拉伸成锥形，至拉伸件即将完成（尚差1.5mm时），冲头4与筒底接触完成筒体底部冲孔，冲床滑块下降1mm，冲头4完成对筒底的冲孔，随着冲床滑块继续下降，拉伸凹模2与拉伸凸模3完全接触，卸料块6对筒体进行校平、校正，整个成形好的筒体也得到校正，零件整个拉伸→冲孔过程完成。
　　压机滑块上升，聚氨酯块5在弹力作用下推动卸料块6将拉伸冲孔好的零件推出型腔，与此同时，聚氨酯块8在在弹力作用下带动卸料杆7将冲切好的废料推出凹模孔，模具转入下一个工作循环。
4.2.2 设计要点
　　（1）为避免冲孔的孔径变化，模具中要合理安排好冲孔的步骤，即在拉伸即将完成时冲切。
　　（2）为保证拉伸及冲切间隙，设置导柱、导套，同时拉伸凸模3即是锥形拉伸的凸模又是底孔冲切的凹模。
　　（3）为保证卸料有力，选用硬度为85的聚氨酯制作聚氨酯块5、8。

5 结束语
　　制订的改进工艺方案及设计的模具，经生产实践后，顺利投入使用，生产的零件形状及精度都满足产品的要求。改进后的工艺方案大大减少了工序的数目，解决了压机负荷大等问题，使得零件的生产进度得以按期完成。 同时，由于对零件成形的各工序进行了合理的分析，对各工序进行了有效的复合，因而改进后的工艺比原工艺提高工效一倍，既保证交货期又减少了一半的机床占用及操作人员，经济效益也得到显著提高。

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