冲压工艺与模具设计实例

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1、第二节冲压工艺与模具设计实例一、摩托车侧盖前支承冲压工艺设计二、微型汽车水泵叶轮冲压工艺与模具设计一、摩托车侧盖前支承冲压工艺设计图12-1所示为摩托车侧盖前支承零件示意图，材料 Q215钢，厚度1.5mm,年生产量5万件，要求编制该冲 压工艺方案。1 .零件及其冲压工艺性分析摩托车侧盖前支承零件是以2个5.9mm的凸包定位且焊接组合在车架的电气元件支架上，腰圆孔用于侧盖 的装配，故腰圆孔位置是该零件需要保证的重点。另外，该零件属隐蔽件，被侧盖完全遮蔽，外观 上要求不高， 只需平整。图12-1 侧盖前支承零件示意图该零件端部四角为尖角，若采 用落料工艺，则工艺性较差，根据该零件的装配使用情况，

2、为了改善落料的工 艺性，故将四角修改为圆角，取圆角半径为2mm此外零件的“腿”较长，若能有效地利用过弯曲和校正弯曲 来控制回弹，则可以得到形状和尺寸比较准确的零件。腰圆孔边至弯曲半径R中心的距离为2.5mm。大于材料厚度 （1.5mm）,从而腰圆孔位于变形区之外，弯曲 时不会引起孔变形，故该孔可在弯曲前冲出。2 .确定工艺方案首先根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序。冲压该零件需要的基本工序有剪切（或落料）、冲腰圆 孔、一次弯曲、二次弯曲和冲凸包。其中弯曲决定了零件的总体形状和尺寸，因此选择合理的弯曲方法十分重（1）弯曲变形的方法及比较 该零件弯曲变形的方法可采用如图12-2所示中的任何

3、一种。第一种方法（图12-2a）为一次成形，具优点是用一副模具成形，可以提高生产率，减少所需设备和操作人员。 缺点是毛坯的整个面积几乎都参与激烈的变形，零件表面擦伤严重，且擦伤面积大，零件形状与尺寸都不精确, 弯曲处变薄严重，这些缺陷将随零件“腿”长的增加和“腿”长的减小而愈加明显。第二种方法（图12-2b）是先用一副模具弯曲端部两角，然后 在另一副模具上弯曲中间两角。这显 然比第一种 方法弯曲变形的激烈程度缓和的多，但回弹现象难以控制，且增加了模具、设备和操作人员。第三种方法（图12-2c）是先在一副模具上弯曲端部两角并使中间两角预弯45。，然后在另一副模具上弯曲成形，这样由于能够实现过弯曲

4、和校正弯曲来控制回弹，故零件的形状和尺寸精确度高。此外，由于成形过程中 材料受凸、凹模圆角的阻力较小，零件的表面质量较好。这种弯曲变形方法对于精度要求高或长“脚”短“脚” 弯曲件的成形特别有利。图12-2 弯曲成形a） 一副模具成形 b）、c）两副模具成形（2） 工序 组合 方案 及 比较 根 据冲 压该 零件 需要 的基 本工 序 和弯 曲成 形的 不同 方 法，可以 作出 下列 各 种组合方 案。方案 一：落料 与冲 腰 圆孔 复合 、弯 曲四 角 、冲 凸包 。其优 点是 工序 比较 集中 ，占 用 设备 和人 员少 ，但 回 弹难 以控 制， 尺寸 和形 状 不精 确， 表面 擦伤 严

5、 重。方案 二： 落料 与冲 腰 圆孔 复合 、弯 曲端 部 两角 、弯 曲中 间两 角 、冲 凸包 。其 优点 是 模具 结构 简单 ，投 产快， 但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，而 且工序分散，占用设备和人员多。方案 三：落 料与 冲腰 圆孔 复合、弯曲 端部 两角 并使 中间 两角 预 弯 45 、弯 曲中 间两 角、冲 凸包 。其 优点 是工 件回弹容易控制，尺寸和形状精确，表面 质量好，对于这种长“腿”短“脚”弯 曲 件的 成形 特别 有利 ， 缺点 是工序分散，占用设备和人员多。方案 四：冲腰 圆孔 、切断 及弯 曲四 角连 续 冲压 、冲 凸包 。其优 点是 工序 比较 集中

6、，占用 设备 和人 员少 ，但回 弹难以控制，尺寸和 形状不精确，表面擦 伤严重。方案 五：冲腰 圆孔 、切断 及弯 曲端 部冲 腰 圆孔 、切 断连 续冲 压 、弯 曲中 间两 角 、冲 凸包 。这 种方 案实 质 上与 方案二差不多，只是 采用了结构复杂的连 续模，故工件 回弹 难 以 控 制， 尺寸 和形 状 不精 确。方案 六：将方 案三 全 部工 序组 合，采用 带 料连 续冲 压。其优 点 是工 序集 中，只用 一 副模 具完 成全 部工 序 ，其 实质是把方案三的各 工序分别布置在连续 模的 各工 位上，所以 还具 有方 案三 的各 项 优点，缺点 是模 具结 构复 杂，安装、调

7、试和维修困 难。制造周期长。综合 上述 ，该 零件 虽然 对表 面外 观要 求 不高 ，但 由于“ 腿 ”特别 长，需要 有效 地 利用 过弯 曲和 校正 来 控制 回弹 ，其 方案 三和 方 案六 都能 满足 这一 要 求， 但考 虑到 该零 件 件生 产批 量不 是太 大 ，故 选用 方案 三， 其 冲压 工 序如 下：落料 冲孔 、一 次弯 形 （弯 曲端 部两 角并 使中 间两 角预 弯 45 ）、 二次 弯形 （ 弯 曲中 间两 角） 、 冲凸 包。3.主要工艺参数计算(1) 毛坯展 开尺寸(查工具书)展开尺 寸按图12-3分段计算。毛坯展开长度L 2li 212 13 214 2

8、I5式中 11=12.5mm;12 =45.5m;l3=30mm;r xt14和15按2 计算。其中圆周半径r分别为2mm0 4mm材料厚度t=1.5mm ,中性层位置系数x接入由表3-2查取。当r=2mm时 取 x=0.43 , r=4mm 时取 x=0.46 。将以上数值代入上式得22L 2 12.5 2 45.5 30 2 0.43 1.5 4 0.46 1.5 169 mm22考虑到弯曲时材料略有伸长，故取毛坯展开长度L=168mni对于精度要求高的弯曲件，还需要通过试弯后进行修正，以获得准确的展开尺寸。(2) 确定排样方案和计算材料利用率1）确定排样方案，根据 零件形状选用合理的排样

9、方案，以提高材料利用率。该零件采用落料与冲孔复合冲压，毛坯形状为矩形，长度方向尺寸较大，为便于送料，采用单排方案 （见图12-4 ）图12-4 排图12-3 毛坯计算图 样方案搭边值a和a1由表2-12查得，得a =2mm,a1=1.8mm。? ? ? ?2）确定板料规格和裁料方式。根据条料的宽度尺寸，选择 合适的板料规格，使剩余的边料越小越好。该零 件宽 度用 料为172mm,以 选才1 1.5mmX710mm1.4 ,并且叶片展开后凸缘 将更宽，所以 属于宽凸缘拉深。另外，零件拉深度大（如最小价梯直径的相对高度h/d=20.5/13.5=1.52,远大于一般带凸缘筒形件第一次拉深许可的最大

10、相对拉深高度），所以拉深成形比较困难，要多次拉深。对于冲裁及翻边工序，考虑到零件总体尺寸不大，而且叶片“竖直”后各叶片之间的空间狭小，结构紧凑， 另外拉深后零件的底部还要冲 6.5的孔，所以模具结构设计与模具制造有一定难度，要特别注意模具的强度 和刚度。综上所述，叶轮由平板毛坯冲压成形应包括的基本工序有：冲裁（落料、冲孔、修边与切槽）、拉深（多次 拉深）、翻边（将外圈叶片翻成竖直）等。由于是多工序、多套模具成形，还要特别注意各工序间的定位。2 .确定工艺方案由于 叶轮 冲压 成形 需 多道 次完 成，因此 制 定合 理的 成形 工艺 方 案十 分重 要。考虑 到 生产 批量 大，应在 生 产合

11、格零件的基础上尽量 提高生产率效率，降 低生产成本。要提高 生产效率，应该尽量 复合能复合的工序。但复合程度太高，模具结构 复杂，安装、调试困 难，模具成本提高， 同时可能降低模具强 度，缩短模具寿命。根据叶轮零 件实 际情 况，可 能复 合的 工序 有：落 料与 第一 次拉 深；最 后一 次拉 深和 整形 ；修边 、切 槽；切槽 、；冲 孔； 修边、冲孔；切槽、冲孔。根据 叶轮 零件 形状 ，可以 确定 成形 顺序 是 先拉 深中 间的 价梯 圆 筒形 ，然 后成 形外 圈 叶片 。这 样能 保持 已 成形 部位尺寸的稳定，同时模具结构也 相对 简 单。修边、切槽 、冲 孔在 中间 阶梯 拉

12、深 成形 后 以及 叶片 翻边 前进 行 。为保 证 7 个叶 片分 度均 匀，修 边和 切槽 不要 逐个叶片地冲裁。因此 叶轮 的冲 压成 形 主要 有以 下几 种工 艺 方案 ：方案 一： 1) 落 料 ；2) 拉 深 ( 多 次 ) ；3) 整 形；4) 修边；5) 切槽；6) 冲孔；7) 翻边。方案 二： 1) 落 料 与第 一次 拉复 合；2) 后续拉深；3) 整形；4) 切槽、修边、冲孔复合;5) 翻边。方案三：1)落料与第一次拉深复合；2) 后续拉深；3) 整形；4) 切槽、冲孔复合；5) 修边；6) 翻边。方案四：1)落料与第一次拉深复合；2) 后续拉深；3) 整形；4) 修边

13、、冲孔复合；5) 切槽；6) 翻边方案 五： 1) 落 料 与第 一次 拉深 复合 ；2) 后续拉深 ；3) 整形；4) 切槽；5) 修边 、冲 孔 复合6) 翻边。方案 一复 合程 度低 ， 模具 结构 简单 ，安 装 、调 试容 易， 但生 产 道次 多， 效率 低， 不 适合 大批 量生 产。方案 二至 五将 落料 、 拉深 复合 ，主 要区 别 在于 修边 、切 槽、 冲 孔的 组合 方式 以及 顺 序不 同。 需要 注意 的是，只有当拉深件高度较 高，才有可能采用落 料、拉深 复合模结构 形式，因 为浅 拉深 件 若采 用落 料、 拉深 复 合模 具结构，落料凸模(同 时又是拉深凹模

14、)的 壁厚太薄 ，强度不够 。方案 二将 修边、切槽 、冲孔 复合 ，工 序少 ，生产 率最 高，但模 具结 构复 杂，安 装、调试 困难，同时模具 强度也较 低。方案 三将 切槽 和冲 孔 组合 ，由 于所 切槽 与 中间 孔的 距离 较近 ， 因此 在模 具结 构上 不 容易 安排 ，模 具强 度差。所以 较好 的组 合方 式 应该 是修 边和 冲孔 组 合， 而切 槽单 独进 行 ，如 方案 四、 五。方案 四与 方案 五主 要 区别 在于 一个 先修 边 、冲 孔后 切槽 ， 一 个先 切槽 后修 边、 冲 孔。 由于 切槽 与修 边 有相 对位置关系，而所切 槽尺寸比较小，如果 先切

15、槽则 修边 模具 上 不好 安排 定位 ，所 以 实际 选择 了方 案四 ， 即先 修边、冲孔后切槽，然 后翻边成形竖立叶片 。主要 工艺 参数 计 算（1）落料尺寸 落料尺寸即零件平面展开尺寸，叶轮零件基本形状为圆形，因此落料形状也应该为圆形, 需确定的落料尺寸为圆的直径。带有凸缘的筒形拉深成形件，展开 尺寸可按第四章有关公式计算。但根 据叶轮零件图，不能 直接得到凸缘尺 寸。在计算落料尺寸之间，要将竖立的叶片“落料尺寸。实际翻边翻转曲线一简化计算的弯曲线图12-11叶轮叶片的展开严格来说，叶轮成形“竖 直”叶片 的工序属于平面外凸曲线翻边（参考第五章第三节）。但 根据零件图，由 于翻转曲线

16、的曲率半径比较大，为简化计算可以近似按弯曲变形来确定展开尺寸，如图12-11所示。因为弯曲 半径r=0.51 0.22 ,所以在凸缘件的多 次拉深中，为了保 证以后 拉深时凸缘不参加变形，首先 拉深时，拉入凹模的材料 应比零件最 后拉深部分所需要材料多一些（按面积计算），但叶轮相对厚度较大，可不考虑多拉材料。如果忽略材料壁厚 变化，凸缘内部形状在拉深过程应满足表面积不变条件。用逼近法确定第一次拉深直径 计算见表12-2表 12-2相对凸缘直径假 定值N %毛坯相对厚度t / D 100第一次拉深直径d dyd1/n实际拉深系数m/1D极限拉深系数m由表 4-21查得拉深系数差值m m1m11.

17、22.29d1 80/1.2 670.770.49+0.281.42.29d1 80/1.4 570.660.47+0.191.62.29d1 80/1.6 500.570.45+0.122.02.29d1 80/2.0 400.460.42+0.042.22.29d1 80/2.2 360.410.40+0.012.42.29d1 80/2.6 330.380.37+0.012.82.29d1 80/2.8 290.330.330.0实际拉深系数应该适当大于极限拉深系数，因此可以初步取第一次拉深直径为36mm（按料厚中心计算）。计算第二次拉深直径 查表4-15得第二次拉深的极限拉深系数 mh

18、 0.730.75。考虑到叶轮材料为08A1 zf,塑性好，同时材料厚度较大，极限拉深系数可适当降低。取m2 0.71, d2 di m2 36 0.71 25.56mm 为了便于后续拉深成形，第二拉深直径可取为25.5mm,此时的拉深系数为：m2 d2di 25.5/ 36 0.71按表4-43查一、二次拉深的圆角半径R凹1 9mm, R凹2 4mm, R凸可取与凹模圆角半径相等或略小的值0.6 1 R凹所以可以取R凸1 6mm, R凸2 4mm。考虑到叶轮最终成形后圆角半径较小，实际取R凹1 R凸1 6mm。计算第一、二次拉深高度根据公式4-8 ,第一次拉深高度：第二次拉深高度:hi0.2

19、522丁 D d凸 0.43ri0.25362287 80Ri0.i4di0.437h20 2522瓦5D d凸 0.43r222riRi0.i43627 14.10.i4 2R222R20.2525.522872 802-c0i4 220.435 5 0.- 5 5 i5.725.5校核第一次拉深相对高度hi/ di/ 36 0.39, h凸/di 80/ 36 2.2,t/D i00% 2.29，查表4-20,hi0.35 0.45/ di，考虑到材料塑性好，故可以拉成。2） 由内径 23.5拉出内 径 ii.5的 阶梯：阶梯形件拉深与圆筒形件拉深基本相同，每一阶梯相当于相应的圆筒形件拉深

20、。下面用筒形件拉深计算方法 近似计算阶梯部分（内径 ii.5 ）的成形。由内径23.5拉出内径H.5的阶梯，总拉深系数m i3.5/25.5 0.53。查表4-i5 ,筒形件第三次拉深 的极限拉深系数m3 0.76 o.780.53,所以该阶梯部分不能一次拉成，需多次拉深成形。由表 4-15 ，筒 形件 拉深 的极 限拉 深系 数 m40.78 0.80， m50.800.82。实际 拉深 系数在 各次 拉深 中应 均 匀分 配。考 虑到 最后 一次 拉深 时材 料已 多 次变 形，拉 深系 数应 适当 取大 一些。于是 阶梯 部分 采用 三次 拉深 ， 拉深 系数 分别 为 m3 0.76

21、m4 0.79、 m5 0.87。 各次 拉深 直径 分别 为第三 次拉 深（ 第一次 阶梯 拉深 ） ： d3 m3 25.5 19.5 （ 内径 17.5 ）第四次拉深（ 第二次阶梯拉深） ：d4m419.515.5（ 内径13.5 ）第五次拉深（ 第三次阶梯拉深） ：d5m515.513.5 （ 内径11.5 ）忽略 材料 壁厚 的变化 ，按表面积不变的条 件可 以计算出各次深 的高 度：h1 16.7h1 19.4h1 20.5最后 得到 的拉深成 形各工序尺寸如图 12-13 所示。工序一、二由 87 毛坯拉 成内 径 23.5 、 凸 缘直径 80的圆筒件。第一道工序为落料、拉深，落料直径D0 87mm ,然后拉深成凸缘直径为80mm的筒形件, 该凸缘直径在后续成 形过程中保持不变。 落料、拉深由一套模 具完成。工序二为宽 凸缘筒形 件的 二次 拉 深。工序 三、 四、 五为 由内 径 23.5 的筒形 拉出 内 径 11.5 小台阶 的阶 梯拉 深过程 。工 序五 在拉 深成形 结 束后还带有整形，主 要目的是将凸缘整平 ，同时减小圆角半径 ，以达到零件图要求 。经实 际生 产验 证， 上述 工艺 方案 是完 全 可行 的。b）第二次拉深c）第三次拉深