普通錐形油杯沖壓工藝與模具設計

張艷琴

摘 要：本文以錐形油杯為例，簡要介紹了整個沖壓模具設計的過程，包括沖壓工藝分析及相關計算、模具結構設計、壓力機選用、模架選用等內容。

關鍵詞：沖壓工藝；結構；模具

1 引言

本次設計是在原有沖壓件的基礎上對其進行批量生產的一系列設計和加工制造的全過程。錐形油杯沖壓件的設計，首先要從沖壓生產工藝上對其進行沖壓工藝的分析與計算，然后在分析計算的基礎上并參看相關的沖壓設計資料確定沖壓工藝方案，再在此基礎上確定各工序的復合關系后，再進入沖模各具體結構的設計。在此基礎上對各副沖壓模具的主要零部件進行設計與尺寸計算，期間要參考大量與沖壓相關的資料和翻閱各種《沖壓手冊》，并通過計算以確定各副模具具體的結構及尺寸，通過不斷的計算與修改才能完成。工件如圖1所示

2 零件的工藝分析及工藝方案的確定

該零件形狀屬旋轉體，是無凸緣筒形件，形狀較簡單且對稱。筒形部分由圓筒部分圓錐部分組成。錐形部分的h/d=20/48=0.41在0.3～0.7之間，屬于中等高度的錐形件。且相對高度100t/d0=2，圓角半徑不小，利于成形，可一次拉深成，但應采用壓邊圈。零件上尺寸無標注公差，可按自由公差處理，拉深件精度等級一般在IT13以下，本設計中采用IT14級。零件材料為1Cr18Ni9，屬于奧氏體不銹鋼，具有高的塑性，低的屈服點和大的板厚方向性系數，利于沖壓加工。但隨著拉深的進行，材料加工硬化速度快，不適合多次拉深，故中間需要進行退火以改善材料的塑性。

該零件要求年產6000件，對沖壓工藝來說屬于小批量生產。對于小批量的沖壓生產，生產效率可以不預考慮，而降低成本的著眼點則主要放在不變成本上，即可以采用鋼帶沖模、板模橡膠模、組合沖模、低熔點合金模等簡易模具以降低模具制造費用。還可采用單工序分散沖壓和簡易模，盡可能地采用模具標準件，擴大模具典型結構，縮短模具制造周期。

3 工藝設計

3.1 計算毛坯尺寸

計算毛坯尺寸需要先確定翻邊前的半成品尺寸。 ?20處的高度尺寸為 h=64-60+1=5mm，根據翻邊公式，翻邊的高度h為h=D（1-K）/2+0.43r+0.72t經變換后K=1-2（h-0.43r-0.72t）/D=0.63即翻邊出高度h=5mm時，翻邊系數K=0.63d=13mm；d/t=13，查表當采用圓柱形凸模，用沖孔模沖孔時，[K]（極限翻邊系數）=0.55

3.2 計算拉深次數

由于該零件不完全是圓筒形狀，還包括高20mm的錐形部分，所以不能籠統的由圓筒形狀來進行計算。先估算一下錐形部分的拉深。錐形部分的相對高度H/D=20/42=0.48，其值在0.3～0.7之間，查表知，此錐形屬于中等深度錐形，相對厚度（t/d1）=1.6，可以一次拉成。若按整個是圓筒形，則計算如下：由毛坯相對厚度（t/D）×100=0.88，查表知，此件拉深需使用壓邊圈。再由毛坯相對厚度0.88和工件相對高度h/d=1.3，查表得n=2次（所查的表適用于08、10鋼）。由毛坯相對厚度0.88查表，初定m1=0.53， m2=0.8。則：d1 =m1×d0= 59mm（按中線直徑）d2 = m2×d1=47mm（按中線直徑）第二次即可拉出圓筒的內徑。考慮到第一次和第二次拉深時所用的都不是極限拉深系數，所查到的表也只適用于08、10鋼，而本工件所用的是1Cr18Ni9，塑性都較前二者的好并且零件錐形部分的高度屬中等，底部圓角半徑也不算小，所以在第二次拉深中將圓筒直徑?48和圓錐部分同時拉成。但在第一次拉深后應將工件進行退火處理以改善1Cr18Ni9材料的塑性。最后決定采用落料與首次拉深復合，沖?13底孔與翻邊復合，其余按基本工序的工藝方案。

4 模具類型及結構形式的選擇

4.1 落料、拉深復合模

本模具可以完成落料、拉深兩個工序。該模具的工作原理：條料送進時，由帶導尺的固定卸料板導向，沖首件時以目測定位，待沖第二個工件時，則用檔料銷定位。模具工作時，用壓力機的氣墊壓邊，可獲得較大的壓邊力，壓力和行程的大小也容易調節，另外，可使模具結構簡單。氣墊壓力是通過托桿傳到壓邊圈上進行壓邊的。工件制出后，上模上行，打桿和推件塊起作用，把工件從凸凹模中推出。只有當拉深件高度較高時，才有可能采用落料、拉深復合模，因為淺拉深件若采用復合模，落料凸模（兼拉深凹模）的壁厚過薄，強度不足。本設計中的凸凹模壁厚b=（113-58）/2=27.5mm，能保證足夠強度，故采用復合模是合理的。

落料、拉深復合模常采用圖所示的典型結構，即落料采用正裝式，拉深采用倒裝式。模座下的氣墊兼作壓邊和頂件裝置，另外還設有剛性推件和剛性卸料裝置。該結構可使操作方便，出件暢通無阻，生產效率高。由于該工件的拉深深度較大，所需的卸料力也大，若采用彈性卸料裝置，則需要較多、較長的彈簧或是橡膠，這樣會使得模具結構過分地龐大且固定也較麻煩。而采用剛性卸料裝置的話恰好就可以克服了以上的問題。剛性卸料裝置特別適用于拉深深度較大、料厚不是太薄的情況。對于本設計恰好適用。考慮到裝模方便，模具采用后側布置的導柱導套模架，如圖2所示。

4.2 再次拉深模具的設計

此副模具主要需要考慮并解決的問題是，再次拉深過程中，毛坯初始位置的定位以及所選壓力機是否滿足開模的高度（因為此工件的拉深高度相對要深些）。這是一套倒裝式帶壓邊的拉深模。其結構較正裝式的緊湊，因為可以利用下模的彈頂器進行壓邊，且壓力和行程都較大。但是為了在拉深過程中控制壓邊間隙，防止壓邊力過大，在固定板上裝有三根可以調節的特種螺栓與壓邊圈接觸。壓邊圈在此模具中既起壓邊作用又起初始工件的定位作用。推件采用剛性推件裝置，由于推件塊又是拉深件底部的成形凹模，因此拉深終了，推件上頂面必須與模座下底面剛性接觸。凹模采用硬質合金以提高其壽命。

4.3 沖孔、翻邊復合模具

凸模為長圓柱形，而凸凹模為中間帶孔的圓筒形，在這里可以將凸凹模看成是許多長圓柱所圍成的。按道理同樣長度的凸凹模和凸模，凸凹模的剛度及強度要較凸模好得多。這樣便可將凸凹模作成鑲塊壓入凹模凹孔內，同時也使得凸凹更換起來比較方便，再者也可以節省貴重金屬的使用。這副模具與上副再次拉深模一樣，同樣需要考慮毛坯沖孔翻邊前的初始定位問題。沖孔前，模具中的壓邊圈先上行一段距離，并于凸凹模處于同一水平線上，這時便可將毛坯放在壓邊圈上。這副模具也再次沿用了再次拉深模中特種螺栓的設計，此設計中用了兩個，為的是控制凸模固定板與壓邊圈的間隙，以防止因壓邊力過大而將工件頂端壓皺。壓邊圈與上模固定板為剛性接觸，為的是于沖壓行程臨近終了時，模具可對工件產生剛性錘擊而起到整形作用，故無需另加整形工序。特種螺栓的加入恰好也起到限制整形力過大的作用，如圖4所示。

5 結束語

該產品受成都洛帶紅光金屬制品廠委托設計，本次設計一共設計了三副模具，前后兩副模具為復合模，中間一副為單工序模，工序的復合于分開既提高了零件的質量也提高了零件的生產效率。復合模具在壓力機的一次行程中，經一次送料定位，在模具的同一部位同時完成幾道工序，其沖裁件的相互位置精度高，對條料的定位精度較低。這兩副模具的生產率高，沖壓件精度高，但模具結構較復雜，制造精度要求高，制造難度大，成本也較高。這種模具適用于生產批量大，精度要求高，內外形尺寸差較大的沖裁件。沖孔廢料由凸凹模孔向下排除使操作方便。第二副模具是簡單模具，壓力機一次行程只能完成切邊這一道工序，生產率較低，單簡單模具的通用性好，且結構簡單，制造周期短，價格也相對較低，且將切邊安排在最后一道工序，可以很好的保證工件的形狀和尺寸精度，也時前面的計算與模具設計簡單化。本次設計的三副模具都采用手工送料和取件，這主要是考慮到該廠屬于小型企業，設備相對較差，且手工送料和取件可以使模具的結構簡單化，成本降低。

參考文獻

[1]王孝培 .沖壓手冊.機械工業出社，1995

[2]王孝培 .沖壓設計資料.機械工業出版社，1983

[3]沖模設計手冊編寫組 .沖模設計手冊 .機械工業出版社，2002