罩盖冲压工艺及模具设计范文

摘要:

某罩盖是汽车电机产品上的一种阶梯形拉深件，其形状较为复杂，由大、小两部分圆筒组成，存在与拉深外径相差悬殊的小直径凸台，需要采用冲裁、拉深、成形等多种冲压工艺制成，成形较困难。根据零件的结构特点及技术要求，结合该零件的冲压工艺难点，同时考虑到零件生产效率的提高以及制造成本的降低，制订了5种冲压成形工艺方案，经分析比较，选出了最佳的零件成形工艺方案，并设计了落料、拉深复合模以及拉深、成形、冲孔、挤边复合模。生产验证说明，该工艺能成功解决该类两阶梯直径相差悬殊的小直径凸台成形问题，得到质量合格的罩盖零件。

关键词:

罩盖;冲压工艺;复合模;拉深;拉胀结合

图1为某汽车电机产品上的罩盖零件，是一种轴对称旋转型的冲压零件，采用1mm厚的10冷轧钢板制成，生产批量较大。该零件外形结构较为复杂，需要采用冲裁、拉深、成形等多种冲压工艺才能制成。零件由大、小两部分圆筒组成:大圆筒外径为123mm、高76mm，且大圆筒底有4处2mm深的成形凹坑，其中的两处凹坑还需冲裁6．5mm的小孔，而在大圆筒底的中部则为外径38mm、高12mm的小圆筒。尺寸精度要求为IT12～IT13。零件要求表面不得有划痕，断面不得有毛刺，拉深成形后不得有明显的变薄、拉深痕迹等缺陷。根据零件的结构特点及技术要求，结合该零件的冲压工艺难点，详细分析了该类小圆筒凸台的成形方法，制订了合理的冲压成形工艺方案，并由此进行了相应的模具设计［1－2］。

1零件的成形工艺方案

分析电机罩盖各部分形状可知:该零件为一种阶梯形拉深件，其上的4处2mm深的凹坑由于成形深度不大，可采用直接压形成型得到，两处6．5mm的小孔可通过直接冲孔获得。38mm、高12mm的小圆筒的成形是此零件加工的主要难点。由于大圆筒直径为123mm，而小凸起状圆筒直径为38mm，小圆筒直径与大圆筒直径相比相差悬殊，在拉深成形过程中，材料变形复杂，且大圆筒部位的材料无法向小圆筒流动，若仅靠变薄拉深来成形，极易出现拉裂，难以达到产品的技术要求。另外，小凸起状圆筒直径为38mm，高度12mm，其高径比也较大，拉深成形时金属流动较困难，这也增加了小圆筒成形的难度。为确定该零件各部分圆筒的拉深工艺过程，针对零件结构进行以下工艺计算。依据罩盖的结构尺寸，选取其修边余量△h=3mm，根据毛坯展开料计算公式，可求得毛坯直径为235mm，直径123mm大圆筒的拉深系数m为0．52，查相应的极限拉深系数m极知，m极=0．56～0．58，因m＜m极，故需多次拉深。选取各次拉深系数m1=0．65，m2=0．8，即第一次拉成d1=m1D=0．65×235=152mm，第二次拉成d2=m2d1=0．8×152=123mm;同样可求得，38mm小圆筒直径的拉深系数为0．16，显然，若用235mm毛坯进行拉深，经计算约共需拉深5次［3－4］。依据上述分析，围绕小圆筒凸起的成形，可从以下几个主要方面考虑其成形，即直接拉深小圆筒;对小圆筒实行胀形成形;拉深与胀形相结合成形。由上述分析计算，可制定以下几种工艺方案。第1种方案:先拉深小圆筒凸起再拉深大圆筒，其加工工艺过程是:落料———拉深小圆筒(共拉深5次)———拉深大筒(共拉深2次)———压凹坑并冲孔———切边。第2种方案:先拉深大圆筒再拉深小圆筒凸起，其加工工艺过程是:落料———拉深大筒(共拉深2次)———拉深小圆筒(共拉深4次)———压凹坑并冲孔———切边。第3种方案:先胀形形成小圆筒凸起再拉深大圆筒，其加工工艺过程是:落料———底部胀形———整形成小圆筒———拉深大圆筒(共拉深2次)———压凹坑并冲孔———切边。第4种方案:先拉深大圆筒再胀形形成小圆筒凸起，其加工工艺过程是:落料———拉深大圆筒(共拉深2次)———底部胀形———整形成小圆筒———压凹坑并冲孔———切边。第5种方案:拉深与胀形相结合，拉胀交替进行，其加工工艺过程是:落料———大圆筒第一次拉深，同时对小圆筒预胀形———大圆筒第二次拉深，同时整形成小圆筒———压凹坑并冲孔———切边。

2成形工艺方案分析

显然，第1、2种工艺方案中小圆筒的拉深是采用拉深成图2的工序加工方式，这种加工方案的最大问题是工序数目太多，故不宜选用。第3种方案的胀形纯属平板胀形。胀形时坯料的塑性变形仅局限在一个固定的变形范围(d=38+6×2=50mm)内，由于坯料外径D毛=235mm，凹模孔径d=50mm，坯料外径D毛与凹模孔径d的比值D毛/d=235/50=4．7＞3，毛坯外缘离胀形部位太远，毛坯外缘的金属材料流入凹模的变形阻力很大，从而使其参与胀形变形变得很困难，此时，毛坯外环发生切向收缩所必须的径向拉应力的数值增大，成为相对的强区，而在冲头端面直接作用下的直径为d=50mm的圆面积以内的金属，则成为弱区，小圆筒凸台所发生的塑性变形也就局限于d=50mm范围内，从而使该部位的金属材料既不能向变形区转移，外部材料也无法进入胀形变形区内，在毛坯中间部位形成的凸起，主要靠中间部分的材料在双向拉应力作用下变薄，以局部成形的方式来实现，毛坯外径D毛=235mm在胀形过程中不发生变化。第4种方案亦属平板胀形，这时大圆筒外径d=123mm成为胀形时的坯料外径D毛。凹模孔径d=50mm，此时，坯料外径D毛与凹模孔径d的比值D毛/d=123/50=2．46＜3，虽小于3，但因此时的坯料周边为圆筒形，外环发生切向收缩所必须的径向拉应力更大，外环将成为更强的强区，此时胀形的塑性变形也就局限于d=50mm范围内，其塑性变形规律与第3种方案相同。第5种方案是拉深与胀形相结合，即在大圆筒拉深成形的同时对小圆筒进行预胀形，拉胀交替进行，属于胀形中的拉深，也可认为是曲面形状拉深时，在毛坯中间部分产生胀形。其变形规律是这样的，当上模下降，在拉深初始阶段，坯料先胀成图3a所示形状，当上模继续下降至拉深结束时，即成为图3b所示形状。按照胀形理论胀形的塑性变形应该局限在d=152mm这个范围内，但由于零件拉深成形的顺序是先拉成图3a所示的中间毛坯，然后再成形成图3b所示形状，所以胀形所用的材料不是仅仅局限在d=152mm这个范围内，而是遍布在整个毛坯，胀形部分的材料有相当一部分是从外环拉进来的，因此，底部胀形所发生的塑性变形并不完全是由变形区的材料变薄来实现的，这样就达到了在更大范围内聚料的目的。综合分析、比较上述各加工工艺方案，从有利于聚料和减少工序数目的角度，故选用第5种方案。考虑到零件生产效率的提高以及制造成本的降低，进一步分析第5种方案中的各加工工序可知，落料———大圆筒第一次拉深，同时对小圆筒预胀形2个工序可以通过设计落料、拉深复合模进行合并;大圆筒第二次拉深，同时整形成小圆筒———压凹坑并冲孔———切边3道工序可以通过设计拉深、成形、冲孔、切边复合模进行合并。这样，罩盖的整个加工工序简化为2道。模具优化为2套［5－6］。

3胀形尺寸的设计计算

采用拉胀结合加工，实现的关键在于胀形尺寸的设计计算，只有胀形尺寸设计合理，计算准确才能正确实现后续的整形，完成小圆筒凸起的成形。胀形凸模形状可按图3b所示的球形鼓包形状设计，以利于零件的成形加工和后续整形的大范围聚料目的实现，但必须保证球形鼓包的表面积SA等于图2小圆筒部分的表面积SB。经过多次计算，得到表1所示数值。根据上述计算，显然最后一组数据(α=60°、d=64mm、R=10mm)为最佳理想数值。为此确定了第一套落料、拉深复合模中的小圆筒胀形部分的设计尺寸。

4模具设计

4．1落料、拉深复合模设计图4所示为设计的落料、拉深复合模［7－8］。该复合模采用倒装式复合模结构，主要由刚性推件装置、弹性卸料装置、定位零件、落料凹模、拉深凹模、成形凹模、垫板、模板等零件组成。其中:落料凹模16、拉深凸模13装在下模，拉深凹模8、成形凹模12装在上模。由于拉深凹模、拉深凸模、落料凹模等工作零件外形尺寸较大，其固定未设置固定板，采用螺钉、圆柱销直接固定在上、下模板上。考虑到操作的便利性，模架选用滑动平稳、导向准确可靠的后侧导柱模架。模具工作时，压力机滑块上升，上、下模逐渐脱离接触，压力机顶出缸通过顶杆15将顶料板14顶至与落料凹模16上平面平齐，此时，将剪切好的条料放在落料凹模16上，并通过落料凹模16上安放的定位销6定位，随着压力机滑块的向下运动，弹性卸料板7与毛坯料接触，并与落料凹模16共同将坯料压紧，随着压力机滑块的继续下行，拉深凹模8、落料凹模16先行对毛坯进行落料，拉深凹模8与顶料板14则随之将落料好的坯料压紧，随着上模部分继续向下移动，拉深凹模8、拉深凸模13及顶料板14逐渐对坯料进行拉深、胀形加工，并拉深胀形成图3a所示形状，随着压力机滑块的继续下行，成形凹模12在聚氨酯橡胶块9的作用下，开始与拉深凸模13共同作用压形形成图3b所示形状，随着压力机滑块的进一步下行，成形凹模12上端面与成形垫块11刚性接触，成形凹模12与拉深凸模13共同作用完成对小圆筒胀形部分的最后压型，与此同时，拉深凹模8、拉深凸模13及顶料板14也完成对坯料的第一次拉深，此时完成整个坯料第一道工序的加工。随着压力机滑块的上行，在聚氨酯橡胶块5、9的作用下，弹性卸料板7、成形凹模12分别复位，将完成加工的工件从拉深凹模8型腔中推出，与此同时，压力机顶出缸则利用顶杆15通过顶料板14将完成落料、拉深的工件顶出拉深凸模13，取出工件后，将剪切好的条料送进，便可进入下一次冲压加工，完成一个工作循环。本模具设计的关键在于:保证落料、拉深、压形各加工工序能按先后次序依次完成，否则影响拉深胀形的效果。即在完成落料后再进行拉深，而在拉深开始阶段，成形凹模12并不与拉深凸模13作用，待其拉深形成图3a所示形状后，再开始压形形成图3b所示形状。此外，模具结构设计时具有以下特点。(1)拉深凹模8具有多重作用，它既是坯料大圆筒外形拉深凹模，又是坯料落料的凸模;拉深凸模13也具有多重作用，它既是坯料大圆筒外形拉深的凸模，又是小圆筒初始胀形、最后压形的凸模;成形凹模12则既是小圆筒最后压形的凹模，又是拉深完成后，将工件推出拉深凹模8型腔的卸料器。(2)应控制好拉深凹模8与成形凹模12、落料凹模16、拉深凸模13等工作零件的高度，保证落料、拉深胀形、压形的先后加工顺序，以达到金属流动畅通、小圆筒成形能在更大范围内聚料的目的。(3)为保证小圆筒最后的压形质量，在模具设计中，特意在成形凹模12顶部设置了成形垫块11及聚氨酯橡胶块9，使其成形分多步完成，即先在聚氨酯橡胶块9的弹力作用下，在工件拉深尚未完成之前即开始逐步成形，最后再进行校正整形，从而有利于成形质量的保证。

4．2拉深、成形、冲孔、切边复合模设计图5所示为工件的拉深、成形、冲孔、切边复合模，主要由刚性推件装置、弹性卸料装置、定位零件、冲孔凸模、拉深凹模、成形凹模、固定板、垫板等零件组成［9－10］。该复合模也采用倒装式复合模结构，由于拉深凸模11、压边圈14装在下模，拉深凹模13、冲孔凸模7和成形凹模8装在上模，可保证冲孔后的废料通过下模孔漏出，切边后的废料由压边圈14从下模顶出，有利于安全操作和保护模具刃口。由于冲孔凸模尺寸较小，设计了凸模固定板5进行定位及固定，拉深凹模、拉深凸模等工作零件外形尺寸较大，采用螺钉、圆柱销直接固定在上、下模板上。同时，考虑到操作的便利性，模架选用滑动平稳、导向准确可靠的后侧导柱模架。模具工作时，压力机滑块上升，上、下模逐渐脱离接触，压力机顶出缸通过顶杆15将压边圈14顶至与拉深凸模11上平面平齐，此时，将第一套模具完成加工的制件套入压边圈14，随着压力机滑块的向下运动，拉深凹模13及压边圈14先对大圆筒的筒底周边进行压紧，随着压力机滑块的继续下行，拉深凹模13、拉深凸模11及压边圈14对大圆筒筒体进行二次拉深，当大筒体拉深高度约进行70mm左右时，成形凹模8在其顶部安装的聚氨酯橡胶块6的作用下，与小圆筒筒体底部接触，随着压力机滑块的继续下行，成形凹模8与拉深凸模11共同作用对小圆筒体底部凸台进行成形，并压制出大圆筒底的四处2mm深的成形凹坑，与此同时，拉深凹模13、拉深凸模11及压边圈14对大筒体继续进行二次拉深，直至完成形成拉深高度约73mm，随着压力机滑块的继续下行，完成二次拉深的大圆筒体的不平整边缘在拉深凹模13及拉深凸模11间挤切刃口的挤压作用下，完成切边，并保证大圆筒的拉深高度76mm，而与此同时，成形凹模8顶部与其顶部安装的成形垫块9进行刚性接触，完成对小圆筒体的最后校形，冲孔凸模7与拉深凸模11也共同完成对二处已成型凹坑上的6．5mm小孔的冲裁，至此，工件加工完成。随着压力机滑块的上行，在聚氨酯橡胶块6的作用下，成形凹模8复位下行，并将完成加工的成品制件从拉深凹模13型腔中推出，卸件顶杆12也在弹簧17弹力的作用下将制件顶离拉深凸模11，与此同时，压力机顶出缸通过顶杆15将压边圈14顶至与拉深凸模11上平面平齐，随压边圈14一起顶至模外的切边废料则同时被压力机上携带的压缩空气吹离模具及压力机工作台，此时，可将下一个第一套模具完成加工的制件套入压边圈14，模具进入下一个工作循环。

5模具设计的关键及特点

拉深、成形、冲孔、切边复合模设计的关键在于:保证二次拉深、成形、冲孔、切边四道复合工序应按适当的次序完成，尤其应保证6．5mm小孔的冲裁应在凹坑成形完成后进行;切边则应在拉深完成后进行;小圆筒及凹坑的成形应在大圆筒二次拉深行将结束的后期进行，否则易出现孔形及尺寸不准等缺陷，甚至出现材料严重变薄、拉裂等废品。为此，模具结构设计时具有以下特点。(1)拉深凸模11具有多重作用，它既是大圆筒体二次拉深的凸模，又是小圆筒成形的凸模，同时还是筒体6．5mm小孔的冲孔凹模及切边凸模;压边圈14也具有多重作用，它既是工件二次拉深的定位器，又是二次拉深的压边圈，此外，还是切边废料的顶出装置;同样，拉深凹模13也具有双重作用，它既是大圆筒体二次拉深的凹模，同时也是二次拉深后筒体的切边凹模。图6给出了拉深凸模11与拉深凹模13的配合要求，其拉深部分应保证单面拉深间隙为1．1～1．2mm。(2)为保证小圆筒体及四处成形凹坑的成形质量，在模具设计中，特意在成形凹模8顶部设置了成形垫块9及聚氨酯橡胶块6，使其成形分多步完成，即先在聚氨酯橡胶块6的弹力作用下逐步成形，最后进行校正整形，从而使成形的材料能更有序的参与流动，以利于成形质量的保证。(3)本模具设计的切边实际上是利用拉深凹模13与拉深凸模11之间的小间隙(拉深凸模11与拉深凹模13挤边时，保证其单面间隙为0．02～0．04mm，如图6所示)通过挤压来完成的，从其工作原理来讲，称为挤边应更符合其加工工况。考虑到压边圈14与拉深凸模11之间存在较大的间隙，压边圈难以完成制件的卸料，特意在下模设计了顶杆装置，其顶件力通过弹簧提供，且大小可通过螺塞进行调整。

6结语

(1)根据电机罩盖的结构特点及冲压工艺难点，在详细分析其成形方法，同时，考虑到零件生产效率的提高以及制造成本的降低的基础上，制定了优化的冲压工艺方案，由此设计了落料、拉深复合模以及拉深、成形、冲孔、冲孔、挤边复合模两套复合模，完成了对该罩盖零件的成形。(2)经过试模及生产验证，冲压的制件完全满足图样的设计要求，制定的冲压工艺合理，模具结构紧凑、实用，成功解决了该类两阶梯直径相差悬殊的小直径凸台的成形，可为同类型零件的加工提供借鉴。(3)设计制定的工艺流程短、模具数量少，可减少零件制造的周转时间、提高设备利用率，适合较大批量的生产，能显著提高生产效率，降低零件制造成本，有利于经济效益的提高。

参考文献

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作者：海争平 单位：湖南交通职业技术学院