普通锥形油杯冲压工艺与模具设计

　　摘 要：本文以锥形油杯为例，简要介绍了整个冲压模具设计的过程，包括冲压工艺分析及相关计算、模具结构设计、压力机选用、模架选用等内容。 

　　关键词：冲压工艺；结构；模具 

　　1 引言 

　　本次设计是在原有冲压件的基础上对其进行批量生产的一系列设计和加工制造的全过程。锥形油杯冲压件的设计，首先要从冲压生产工艺上对其进行冲压工艺的分析与计算，然后在分析计算的基础上并参看相关的冲压设计资料确定冲压工艺方案，再在此基础上确定各工序的复合关系后，再进入冲模各具体结构的设计。在此基础上对各副冲压模具的主要零部件进行设计与尺寸计算，期间要参考大量与冲压相关的资料和翻阅各种《冲压手册》，并通过计算以确定各副模具具体的结构及尺寸，通过不断的计算与修改才能完成。工件如图1所示

　　2 零件的工艺分析及工艺方案的确定 

　　该零件形状属旋转体，是无凸缘筒形件，形状较简单且对称。筒形部分由圆筒部分圆锥部分组成。锥形部分的h/d=20/48=0.41在0.3～0.7之间，属于中等高度的锥形件。且相对高度100t/d0=2，圆角半径不小，利于成形，可一次拉深成，但应采用压边圈。零件上尺寸无标注公差，可按自由公差处理，拉深件精度等级一般在IT13以下，本设计中采用IT14级。零件材料为1Cr18Ni9，属于奥氏体不锈钢，具有高的塑性，低的屈服点和大的板厚方向性系数，利于冲压加工。但随着拉深的进行，材料加工硬化速度快，不适合多次拉深，故中间需要进行退火以改善材料的塑性。 

　　该零件要求年产6000件，对冲压工艺来说属于小批量生产。对于小批量的冲压生产，生产效率可以不预考虑，而降低成本的着眼点则主要放在不变成本上，即可以采用钢带冲模、板模橡胶模、组合冲模、低熔点合金模等简易模具以降低模具制造费用。还可采用单工序分散冲压和简易模，尽可能地采用模具标准件，扩大模具典型结构，缩短模具制造周期。 

　　3 工艺设计 

　　3.1 计算毛坯尺寸 

　　计算毛坯尺寸需要先确定翻边前的半成品尺寸。 ?20处的高度尺寸为 h=64-60+1=5mm，根据翻边公式，翻边的高度h为h=D（1-K）/2+0.43r+0.72t经变换后K=1-2（h-0.43r-0.72t）/D=0.63即翻边出高度h=5mm时，翻边系数K=0.63d=13mm；d/t=13，查表当采用圆柱形凸模，用冲孔模冲孔时，[K]（极限翻边系数）=0.55　　3.2 计算拉深次数 

　　由于该零件不完全是圆筒形状，还包括高20mm的锥形部分，所以不能笼统的由圆筒形状来进行计算。先估算一下锥形部分的拉深。锥形部分的相对高度H/D=20/42=0.48，其值在0.3～0.7之间，查表知，此锥形属于中等深度锥形，相对厚度（t/d1）=1.6，可以一次拉成。若按整个是圆筒形，则计算如下：由毛坯相对厚度（t/D）×100=0.88，查表知，此件拉深需使用压边圈。再由毛坯相对厚度0.88和工件相对高度h/d=1.3，查表得n=2次（所查的表适用于08、10钢）。由毛坯相对厚度0.88查表，初定m1=0.53， m2=0.8。则：d1 =m1×d0= 59mm（按中线直径）d2 = m2×d1=47mm（按中线直径）第二次即可拉出圆筒的内径。考虑到第一次和第二次拉深时所用的都不是极限拉深系数，所查到的表也只适用于08、10钢，而本工件所用的是1Cr18Ni9，塑性都较前二者的好并且零件锥形部分的高度属中等，底部圆角半径也不算小，所以在第二次拉深中将圆筒直径?48和圆锥部分同时拉成。但在第一次拉深后应将工件进行退火处理以改善1Cr18Ni9材料的塑性。最后决定采用落料与首次拉深复合，冲?13底孔与翻边复合，其余按基本工序的工艺方案。 

　　4 模具类型及结构形式的选择 

　　4.1 落料、拉深复合模 

　　本模具可以完成落料、拉深两个工序。该模具的工作原理：条料送进时，由带导尺的固定卸料板导向，冲首件时以目测定位，待冲第二个工件时，则用档料销定位。模具工作时，用压力机的气垫压边，可获得较大的压边力，压力和行程的大小也容易调节，另外，可使模具结构简单。气垫压力是通过托杆传到压边圈上进行压边的。工件制出后，上模上行，打杆和推件块起作用，把工件从凸凹模中推出。只有当拉深件高度较高时，才有可能采用落料、拉深复合模，因为浅拉深件若采用复合模，落料凸模（兼拉深凹模）的壁厚过薄，强度不足。本设计中的凸凹模壁厚b=（113-58）/2=27.5mm，能保证足够强度，故采用复合模是合理的。 

　　落料、拉深复合模常采用图所示的典型结构，即落料采用正装式，拉深采用倒装式。模座下的气垫兼作压边和顶件装置，另外还设有刚性推件和刚性卸料装置。该结构可使操作方便，出件畅通无阻，生产效率高。由于该工件的拉深深度较大，所需的卸料力也大，若采用弹性卸料装置，则需要较多、较长的弹簧或是橡胶，这样会使得模具结构过分地庞大且固定也较麻烦。而采用刚性卸料装置的话恰好就可以克服了以上的问题。刚性卸料装置特别适用于拉深深度较大、料厚不是太薄的情况。对于本设计恰好适用。考虑到装模方便，模具采用后侧布置的导柱导套模架，如图2所示。 

　　4.2 再次拉深模具的设计 

　　此副模具主要需要考虑并解决的问题是，再次拉深过程中，毛坯初始位置的定位以及所选压力机是否满足开模的高度（因为此工件的拉深高度相对要深些）。这是一套倒装式带压边的拉深模。其结构较正装式的紧凑，因为可以利用下模的弹顶器进行压边，且压力和行程都较大。但是为了在拉深过程中控制压边间隙，防止压边力过大，在固定板上装有三根可以调节的特种螺栓与压边圈接触。压边圈在此模具中既起压边作用又起初始工件的定位作用。推件采用刚性推件装置，由于推件块又是拉深件底部的成形凹模，因此拉深终了，推件上顶面必须与模座下底面刚性接触。凹模采用硬质合金以提高其寿命。 

　　4.3 冲孔、翻边复合模具 

　　凸模为长圆柱形，而凸凹模为中间带孔的圆筒形，在这里可以将凸凹模看成是许多长圆柱所围成的。按道理同样长度的凸凹模和凸模，凸凹模的刚度及强度要较凸模好得多。这样便可将凸凹模作成镶块压入凹模凹孔内，同时也使得凸凹更换起来比较方便，再者也可以节省贵重金属的使用。这副模具与上副再次拉深模一样，同样需要考虑毛坯冲孔翻边前的初始定位问题。冲孔前，模具中的压边圈先上行一段距离，并于凸凹模处于同一水平线上，这时便可将毛坯放在压边圈上。这副模具也再次沿用了再次拉深模中特种螺栓的设计，此设计中用了两个，为的是控制凸模固定板与压边圈的间隙，以防止因压边力过大而将工件顶端压皱。压边圈与上模固定板为刚性接触，为的是于冲压行程临近终了时，模具可对工件产生刚性锤击而起到整形作用，故无需另加整形工序。特种螺栓的加入恰好也起到限制整形力过大的作用，如图4所示。 

　　5 结束语 

　　该产品受成都洛带红光金属制品厂委托设计，本次设计一共设计了三副模具，前后两副模具为复合模，中间一副为单工序模，工序的复合于分开既提高了零件的质量也提高了零件的生产效率。复合模具在压力机的一次行程中，经一次送料定位，在模具的同一部位同时完成几道工序，其冲裁件的相互位置精度高，对条料的定位精度较低。这两副模具的生产率高，冲压件精度高，但模具结构较复杂，制造精度要求高，制造难度大，成本也较高。这种模具适用于生产批量大，精度要求高，内外形尺寸差较大的冲裁件。冲孔废料由凸凹模孔向下排除使操作方便。第二副模具是简单模具，压力机一次行程只能完成切边这一道工序，生产率较低，单简单模具的通用性好，且结构简单，制造周期短，价格也相对较低，且将切边安排在最后一道工序，可以很好的保证工件的形状和尺寸精度，也时前面的计算与模具设计简单化。本次设计的三副模具都采用手工送料和取件，这主要是考虑到该厂属于小型企业，设备相对较差，且手工送料和取件可以使模具的结构简单化，成本降低。 

　　参考文献 

　　[1]王孝培 .冲压手册.机械工业出社，1995 

　　[2]王孝培 .冲压设计资料.机械工业出版社，1983 

　　[3]冲模设计手册编写组 .冲模设计手册 .机械工业出版社，2002