殼體沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)

谷寶成，史振華，孫學(xué)軍，徐山，聶蘭啟

(1.山東紅旗機(jī)電有限公司，山東 濰坊 261031;2.山西利民工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 太谷 030812;3.濰坊廣文中學(xué)，山東 濰坊 261021)

1 零件

殼體是某產(chǎn)品的一個(gè)重要零件，如圖1所示。該零件由小圓管、大圓管和圓錐部分組合而成。該零件為一典型不等壁厚深錐形件，生產(chǎn)批量較大，年產(chǎn)10萬(wàn)件。材料為2A12。產(chǎn)品精度要求較高，零件外觀要求較為嚴(yán)格，表面不允許有深度大于0.1 mm的劃傷、壓痕。

圖1 殼體Fig.1 Shell

2 沖壓工藝分析

該零件各處壁厚不相等，最大厚度為1.2 mm，最小厚度為0.8 mm，相差較大。為保證產(chǎn)品圖要求，選取最大厚度為1.2 mm作為板材厚度。

1)等壁厚拉深法。將毛坯拉深成等壁厚零件，然后通過(guò)機(jī)械加工達(dá)到圓筒形壁厚0.8 mm。該方法雖然能保證零件的各處壁厚要求，但生產(chǎn)效率低，一大部分鋁合金材料變成了鋁屑，致使零件生產(chǎn)成本較高，不能滿足大批量生產(chǎn)的要求。

2)變薄拉深法。將毛坯拉深成圓筒形半成品，再通過(guò)多次錐部拉深成形錐形和小頭圓柱部分，最后采用變薄拉深將其圓柱部分的壁厚變薄至0.8 mm。該方法不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且生產(chǎn)效率高，零件生產(chǎn)成本較低，能滿足大批量生產(chǎn)的要求。

通過(guò)以上分析，決定采用變薄拉深法生產(chǎn)該零件。

3 工藝計(jì)算

3.1 毛坯直徑D的確定

殼體零件為不等壁厚零件，必須根據(jù)體積相等的原則計(jì)算毛坯直徑D。經(jīng)計(jì)算，該零件體積V0=30038 mm3。

對(duì)于有色金屬零件，在沖壓成形過(guò)程中，由于材料經(jīng)過(guò)多次拉深、變薄拉深、清洗、退火的消耗，及成形后端面口部需留有一定的機(jī)械加工余量，所以計(jì)算出的毛坯體積應(yīng)在沖壓資料介紹留有切邊余量的毛坯體積的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)系數(shù)K[1]。D則按下式計(jì)算:

式中:D為毛坯直徑，mm;K為系數(shù)，K的取值范圍為1.05 ～1.12，這里取 K=1.08;V0為殼體沖壓毛坯體積，V0=30038 mm3;t為毛坯厚度，這里取t=1.5 mm。

將以上數(shù)值代入上式得:D=185 mm。

3.2 零件拉深次數(shù)和變薄拉深的確定

3.2.1 圓筒形毛坯拉深次數(shù)的確定

已知 D=185 mm，t=1.2 mm，則 t/D ×100=0.648，∑m總1=d/D=0.34，查文獻(xiàn)[2]表 5 －7得，2A12-O 的[m1]為 0.56 ～0.58，[m2]為 0.75 ～0.80，取 m1=0.56，m2=0.77，則:

第1次拉深直徑:d1=m1D=103.6 mm，取d1=104 mm;第2次拉深直徑:d2=m2d1=80 mm;第3次拉深直徑:d3=m3d2=62.5 mm。

3.2.2 小端圓柱部拉深次數(shù)的確定

為了保證整形時(shí)，毛坯有一定的變形量，第2次錐部拉深直徑應(yīng)比工件錐部直徑φ31.7 mm大。這里取第2次錐部拉深直徑為φ36 mm。

式中:∑m總2為小端圓柱總拉深系數(shù);d為第2次錐部拉深直徑，d=36 mm;d3為拉深毛坯直徑，d3=62.5 mm;

將以上數(shù)值代入上式:

以后各次拉深極限拉深系數(shù)[mn]的取值范圍為0.75 ～ 0.80，故取第1 次錐部拉深系數(shù) m4=0.75。

第1次錐部拉深直徑:d4=m4d3=46.8 mm，取d4=47 mm;第2次錐部拉深直徑d5=m5d4=36 mm。3.

2.3 變薄拉深次數(shù)的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，變薄拉深系數(shù)φn為:

式中:tn，tn－1為相鄰兩道工序坯料的壁厚;φn為變薄拉深系數(shù);

由于該工序毛坯經(jīng)過(guò)退火處理，塑性較好，2A12-O 極限變薄拉深系數(shù)[φ1]的取值范圍為0.50～0.60。因φ1≥[φ1]，所以可以一次變薄拉深成形。

通過(guò)以上分析計(jì)算，殼體沖壓工藝為:落料—第1次拉深—第2次拉深—第3次拉深—第1次錐部拉深—第2次錐部拉深—整形—變薄拉深，工序如圖2所示。

圖2 工序Fig.2 Process

4 模具設(shè)計(jì)

根據(jù)某公司現(xiàn)有設(shè)備情況，除落料工序外，各次拉深、錐部拉深、整形、變薄拉深工序均安排在底傳動(dòng)雙動(dòng)拉伸壓力機(jī)J44-55B上進(jìn)行。

4.1 拉深模具的設(shè)計(jì)

拉深模結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了縮短制模周期，降低生產(chǎn)成本，便于更換模具，設(shè)計(jì)該模具為通用模具。更換模具時(shí)，只更換凸模、凹模、壓邊圈、頂件器，其余均為通用零件。

4.2 錐部拉深模具

錐部拉深模結(jié)構(gòu)如圖4所示，該模具為通用模具，更換模具時(shí)，只更換凸模、凹模、定位套、頂件器，其余均為通用零件。

圖3 拉深模Fig.3 Drawing die

圖4 錐部拉深模Fig.4 Cone drawing die

5 結(jié)語(yǔ)

采用該沖壓工藝生產(chǎn)殼體，提高了金屬材料利用率，節(jié)約了大量有色金屬材料，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，滿足了大批量生產(chǎn)的要求。經(jīng)過(guò)幾年的大批量生產(chǎn)，該工藝較成熟。同時(shí)該沖壓工藝對(duì)同類型零件的加工具有一定的參考作用。

[1]聶蘭啟，王海林，聶伯揚(yáng).支撐套沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43(3):50 －53.

[2]湖南省機(jī)械工程學(xué)會(huì)鍛壓分會(huì).沖壓工藝[M].長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1984.