沖壓工藝與模具設計實例

1、沖壓工藝與模具設計實例一、摩托車側蓋前支承沖壓工藝設計二、微型汽車水泵葉輪沖壓工藝與模具設計一、摩托車側蓋前支承 沖壓工藝設計圖12-1 所示為摩托車側蓋前支承零件示意圖，材料Q215 鋼，厚度 1.5mm，年生產量 5萬件，要求編制該壓工藝方案。 零件及其沖壓工藝性分析摩托車側蓋前支承零件是以2個5.9mm的凸包定位且焊接組合在車架的電氣元件支架上，腰圓孔用于側蓋的裝配，故腰圓孔位置是該零件需要保證的重點。另外，該零件屬隱藏件，被側蓋完全遮擋，外觀 上要求不高， 只需平坦。圖12-1側蓋前支承零件示意圖該零件端部四角為尖角，假設 采納落料工藝，那么 工藝性較差，依照該零件的裝配使用情形，為了

2、 改善落料的工藝性，故將四角修改為圓角， 取圓角半徑為 2mm。此外零件的腿較長， 假設能有效地利用過彎曲和校正彎曲來操縱回彈， 那么能夠得到形狀和尺寸比較準確的零件。腰圓孔邊至彎曲半徑 R中心的距離為 2.5mm。大于 材料厚度 1.5mm，從而 腰圓孔位于變形區(qū)之外，彎 曲時可不能引起孔變形，故該孔可在彎曲前沖出。 確定工藝方案第一依照零件形狀確定沖壓工序類型和選擇工序順序。沖壓該零件需要的差不多工序有剪切(或落料)、沖腰圓孔、一次彎曲、 二次彎曲和沖凸包。 其中彎曲決定了零件的總體形狀和尺寸， 因此選擇合理的彎曲方法十分重要。彎曲變形的方法及比較該零件彎曲變形的方法可采納如圖 12-2

3、所示中的任何一種。第一種方法(12-2a)為一次成形，其優(yōu)點是用一副模具成形，能夠提高生產率，減少所需設備和操作人員。缺點是毛坯的整個面積幾乎都參與猛烈的變形，零件表面擦傷嚴峻，且擦傷面積大，零件形狀與尺寸都不精確， 彎曲處變薄嚴峻， 這些缺陷將隨零件 腿長的增加和腿長的減小而愈加明顯。第二種方法(12-2b)是先用一副模具彎曲端部兩角，然后 在另一副模具上彎曲中間兩角。這明 顯比第一種方法彎曲變形的猛烈程度緩和的多，但回彈現(xiàn)象難以操縱， 且增加了模具、 設備和操作人員。第三種方法(12-2c) 是先在一副模具上彎曲端部兩角并使中間兩角預彎 45，然后在 另一副模具上彎曲成形， 如此由于能夠實

4、現(xiàn)過彎曲和校正彎曲來操縱回彈， 故零件的形狀和尺寸精確度高。 此外，由于成形過程中材料受凸、凹模圓角的阻力較小，零件的 表面質量較好。這種彎曲變形方法關于精度要求高或長腳短 腳彎曲件的成形專門有利。圖12-2彎曲成形一副模具成形b)、c)兩副模具成形工序組合方案及比較依照沖壓該零件需要的差不多工序和彎曲成形的不同方法，能夠作出以下各組合方案。方案一：落料 與沖腰圓孔復合、彎曲四角、沖凸包。其優(yōu) 點是工序比較集中，占用設備和人員少，但回彈難以操縱， 尺寸和形狀不精確， 表面擦傷嚴峻。方案二： 落料與沖腰圓孔復合、彎曲端部兩角、彎曲中間兩角、沖凸包。其優(yōu)點是模具結構簡單，投產快， 但回彈難以操縱，

5、 尺寸和形狀不精確， 而且工序分散， 占用設備和人員多。方案三：落 料與沖腰圓孔復合、彎曲 端部兩角并使中間兩角預彎 45、彎曲中間兩角、沖 凸包。其優(yōu)點是工件回彈容易操縱， 尺寸和形狀精確，表面質量好， 關于這種長腿短腳彎曲件的成形專門有利， 缺點是工序分散，占用設備和人員多。方案四：沖腰 圓孔、切斷 及彎曲四角連續(xù)沖壓、沖凸包。其優(yōu) 點是工序比較集中，占用 設備和人員少，但回彈難以操縱， 尺寸和形狀不精確， 表面擦傷嚴峻。方案五：沖腰 圓孔、切斷 及彎曲端部沖腰圓孔、切斷連續(xù)沖壓、彎曲中間兩角、沖凸包。這種方案實質上與方案二差不多，只是采納了結構復雜的連續(xù)模，故工件回彈難以操縱， 尺寸和形

6、狀不精確。方案六：將方 案三全部工序組合，采納 帶料連續(xù)沖壓。其優(yōu) 點是工序集中，只用 一副模具完成全部工序，事實上質是把方案三的各工序分別布置在連續(xù)模的各工位上， 因此還具有方案三的各項優(yōu)點， 缺點是模具結構復雜， 安裝、調試和修理困難。 制造周期長。綜合上述，該零件 盡管對表面外觀要求不高，但由于腿專門長，需要 有效地利用過彎曲和校正來操縱回彈，其方案三和方案六都能滿足這一要求， 但考慮到該零件件生產批量不是太大，應選用方案三， 其沖壓工序如下：落料沖孔、一次彎形彎曲端部兩角并使中間兩角預彎45、二次彎形(彎曲中間兩角)、沖凸包。 要緊工藝參數(shù)運算毛坯展開尺寸(查工具書) 展開尺寸按圖12

7、-3 分段運算。毛坯展開長度L 2l1 2l l 2l 2l2345l式中1=12.5mm;l2 =45.5m;l3 =30mm;ll4 和 5 xt 按 2運算。rt其中圓周半徑 r分別為 2mm 4mmt=1.5mm ，中性 層位置系數(shù) xx=0.43 r=4mm 時取 x=0.46 rt將以上數(shù)值代入上式得由表 3-2 查取。當 r=2mm 時L 212.5 2 30 0.431.5 0.461.5 22考慮到彎曲時材料略有伸長， 故取毛坯展開長度 L=168mm 。關于精度要求高的彎曲件，還需要通過試彎后進行修正，以獲得準確的展開尺寸。確定排 樣方案和運算材料利用率確定排樣方案，依照零

8、件形狀選用合理的排樣方案，以提高材料利用率。該零件采納落料與沖孔復合沖壓，毛坯形狀為矩形，長度方向尺寸較大，為便于送料，采納單排方案見圖12-4。圖12-3毛坯運算圖圖12-4排樣方案a搭邊值a和1由表2-12 查得，得=2mm,a1=1.8mm 確定板料規(guī)格和裁料方式。依照條料的寬度尺寸，選擇 合適的板料規(guī)格，使剩余的邊料越小越好。該零件寬度用料為 172mm，以選擇 1.5mm710mm1420mm 的板料規(guī)格為宜。裁料方式既要考慮所選板料規(guī)格、 沖制零件的數(shù)量，又要考慮裁料操作的方便性， 該零件以縱裁下料為宜。關于較為大型的零件，那么著重考慮沖制零件的數(shù)量， 以降低零件的材料費用。運算材

9、料消耗工藝定額和材料利用率。依照排樣 運算 ，一張鋼 板可沖制的零件數(shù)量為 n=459=236(件)。材料消耗工藝定額G 一張鋼板的質量1.571014200.0000078 0.04998kg一張鋼板沖制零件的數(shù)量236材料利用率 一張鋼板沖制零件數(shù)量 零件面積一張鋼板面積2362212137101420=79.7%零件面積由圖 12-5 運算得出。圖12-5落料、沖孔工序略圖 運算各工序沖壓力和選擇沖壓設備第一道工序落料沖孔(見圖12-6)該工序沖壓力包括沖裁力FP ，卸料力F3和推料力F1，按圖12-6所示的結構形式， 系采納打桿在滑塊快回到最高位置時將工件直截了當從凹模內打出， 故不再

10、考慮頂件力 F 2 。沖裁力FP或1.3Lt)b式中L剪切長度;t1.5mm;b拉深強度，由表 8-49 查取，取b =400Mpa； 抗剪強度。剪切長度 L按圖 12-5 所示尺寸運算L LL12L式中1落料長度(mm)；L2 沖孔長度(mm)。L將圖示尺寸代入運算公式可得L 2 168 2 2 2 2 2 2 376mm1L 2 65mm2因此，L=376+65=441mm將以上數(shù)值代入沖裁力運算公式可得Fp落料卸料力 L t 4411.5 400 bFKF K3卸pL t 卸1K式中卸料力系數(shù)，由表2-8查?。籉p (N)。將數(shù)值代入卸料力公式可得F0.043761.54009024N3

11、_沖孔推件力FnKFn KL t1推p推2bn式中梗塞件數(shù)量(即腰圓形廢料數(shù))，取n=4；K 2-8 查?。籉p (N)。將數(shù)值代入推件力公式可得F 40.055651.5400 8580N1F第一道工序總沖壓力F F Fp31=264600+9024+8580=282204 282kN選擇沖壓設備時著重考慮的要緊參數(shù)是公稱壓力、 裝模高度、滑塊行程、臺面尺寸等。依照第一道工序所需的沖壓力，選用公稱壓力為 400kN 的壓力機就完全能夠滿足使用要求。第二道工序一次彎形(見圖12-7)該工序的沖壓力包括預彎中部兩角和彎曲、校正端部兩角及壓料力等，這些力并不是同時發(fā)生或達到最大值的，最初只有壓彎力

12、和預彎力，滑塊下降到一定位置時開始彎端部兩角， 最后進行校正彎曲， 故最大沖壓力只考慮校正彎曲力PP2和壓料力y。校正彎曲力S式中 校正部分的投影面積qP S qm m2q單位面積校正(MPa)，由表 3-11 查取，=100Mpa。結合圖 12-1、圖 12-5 所示尺寸運算式如下S25442mm校正彎曲力P壓料力y為自由彎曲力P S 21 的 30%80%。 2544 100 自由彎曲力(表 3-10)C bt21P 2 Lb1C式中系數(shù)=1.2；b彎曲件寬度=22mm;t料厚=1.5mm；抗拉強度2支點間距b =400MPa；L近似取 10mm。將上述數(shù)據(jù)代入1 表達式，得：1.2P22

13、21101P P取y1，得y壓料力P =50% 2376=1188y那么第二道工序總沖壓力PPPz2 254400 1188 255588N 256kN 依照第二道工序所需要的沖壓力， 選用公稱壓力為 400kN 的壓力機完全能夠滿足使用要求。1y3第三道工序二次彎形(見圖12-8)該工序仍需要壓料故沖壓力包括自由彎曲力P 和壓料力P。1y自由彎曲力22224001P 341699 N 壓料力P Py1 699 那么第三道工序總沖壓力 P P Pz1z 699 349 1048N第三道工序所需的沖壓力專門小，假設 單從這一角度考慮，所選的壓力機太小，滑塊行程不能滿足該工序的加工需要。故該工序宜

14、選用滑塊行程較大的 400kN 的壓力機。4第四道工序 沖凸包見圖 12-9 該工序需要壓料和頂料，其沖 壓力包括凸包成形力PPp和卸料力3及頂件力算得PP2，從圖12-1 所示標注的尺寸看，凸包的成形情形與沖裁相似，故凸包成形力p可按沖裁力公式運P凸包成形力 L t 2 1.5 400 b卸料力P KP3卸 0.04 22608 904N 頂件力P KP2卸 0.0622608(系數(shù)KK頂、卸由表2-8查取)那么第四道工序總沖壓力P P P P 2260890424868 25 NZp32從該工序所需的沖壓力考慮， 選用公稱壓力為 40kN 的壓力機就行了， 然而該工件高度大， 需要滑塊行程

15、也相應要大，故該工序選用公稱壓力為 250kN 的壓力機。 模具結構形式的確定落料沖孔模具、一次彎形模具、二次彎形模具、沖凸包模具結構形式分別見圖 12-6、圖 12-7、圖 12-8、圖12-9。圖12-6落料沖孔模具結構形式圖12-7一次彎形模具結構形式圖12-8二次彎形模具結構形式圖12-9沖凸包模結構形式二、微型汽車水泵葉輪沖壓工藝與模具設計12-10 所示葉輪零件，材 料 08AlZF，大批 量生產。要求 確定該零件沖壓成形工藝，設計 沖壓成形模具。 零件及其沖壓工藝性分析葉輪用于微型汽車內發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的離心式水泵內，工件時以15003000r/min左右的速度旋轉，使冷水在冷卻系

16、統(tǒng)中不斷地循環(huán)流淌。為保證足夠的強度和剛度，葉輪采納厚度為2mm的鋼板。葉輪材料為鋁鎮(zhèn)鋼 08Al。該材料按拉深質量分為三級： ZP用于拉深最復雜零件， HF用于拉深專門復雜零件和 F用于拉深復雜零件。由 于形狀比較復雜，專 門是中間的拉深成形難度大，葉 輪零件采納 ZF 級的材料， 表面質量也為較高的級。表 12-1 列出 08AlZF 的力學性能。圖12-10葉輪零件示意圖08Al 2.0 500 2000材料：鋼板 Al ZF GB5213 1985為減輕震動，減小噪聲，葉輪零件的加工精度有一定的要求。除了7個葉輪形狀和尺寸應一致外，葉輪中部與固定軸配合部位的要求也較高。 由于靠沖壓加工

17、難以達到直徑23.0.1011.700.1 以及高度尺寸.120的要求，實際生產中采納了沖壓成形后再切削加工的方法需進行切削加工的表面標有粗糙度，圖 12-10壓成形后要留有足夠的機加余量， 因此孔15.523.0.1011.700.1 的沖壓 尺寸取為23.5和11.5。直徑為一樣要求的自由尺寸，沖壓成形的直徑精度的偏差大于表4-1拉深直徑的極限偏差。但高度22.50.26尺寸精度高于表 4-3 中的尺寸偏差，需由整形保證。表12-108AlZF的力學性能(GB/T5213 1985T 和 GB/T7101991)MPas/MPa10(%)sbb不小于260300200440.66初步分析能

18、夠明白葉輪零件的沖壓成形需要多道工序。 第一， 零件中部是有凸緣的圓筒拉深6.5件，有兩個價梯，筒底還要沖的孔；其次，零件外圈為翻邊后形成的7個豎立葉片，圍繞中心平均分布。另外，葉片翻邊前還要修邊、切槽、由于拉深圓角半徑比較小0.51，加上對葉片底面有跳動的要求，因此還需要整形。D/ d 61.2/13.5對拉深工序，在葉片展開前，按料厚中心線運算有外徑中徑4.531.4，同時葉片展開后凸緣將更寬，因此屬于寬凸緣拉深。另外，零件拉深度大如最小價梯直徑的相對高度h/d=20.5/13.5=1.52，遠于一樣帶凸緣筒形件第一次拉深許可的最大相對拉深高度，因此拉深成形比較困難，要多次拉深。關于沖裁及

19、翻邊工序，考慮到零件總體尺寸不大， 而且葉片豎直后各葉片之間的空間狹小， 結構緊湊，另外拉深后零件的底部還要沖和剛度。6.5的孔，因此模具結構設計與模具制造有一定難度， 要專門注意模具的強度綜上所述，葉輪由平板毛坯沖壓成形應包括的差不多工序有：沖裁落 料、沖孔、修邊 與切槽、拉深多次拉深、翻邊 將外圈葉片翻成豎直等。 由因此多工序、多套模具成形，還要專門注意各工序間的定位。 確定工藝方案由于葉輪沖壓成形需多道次完成，因此 制定合理的成形工藝方案十分重要?？紤] 到生產批量大，應在 生產合格零件的基礎上盡量提高生產率效率， 降低生產成本。 要提高生產效率，應該盡量復合能復合的工序。但復合程度太高，

20、模具結構復雜，安裝、 調試困難， 模具成本提高， 同時可能降低模具強度， 縮短模具壽命。 依照葉輪零件實際情形，可 能復合的工序有：落 料與第一次拉深；最 后一次拉深和整形；修邊 、切槽；切槽 、；沖 孔； 修邊、沖孔； 切槽、沖孔。依照葉輪零件形狀，能夠確定成形順序是先拉深中間的價梯圓筒形，然后成形外圈葉片。如此能保持已成形部位尺寸的穩(wěn)固， 同時模具結構也相對簡單。修邊、切槽 、沖孔在中間階梯拉深成形后以及葉片翻邊前進行。為保證 7個葉片分度平均，修邊和切槽不要逐個葉片地沖裁。因此葉輪的沖壓成形要緊有以下幾種工藝方案方案一：1) 落料；拉深(多次)；整形；修邊；切槽；沖孔；翻邊。方案二：1)

21、 落料與第一次拉復合；后續(xù)拉深；整形；切槽、修邊、沖孔復合；翻邊。方案三：1)落料與第一次拉深復合；2)后續(xù)拉深；3)整形；4)切槽、沖孔復合；5)修邊；6)翻邊。方案四：1)落料與第一次拉深復合；后續(xù)拉深；整形；修邊、沖孔復合；切槽；翻邊。方案五：1) 落料與第一次拉深復合；后續(xù)拉深；整形；切槽；修邊、沖孔復合翻邊。方案一復合程度低， 模具結構簡單，安裝、調試容易， 但生產道次多， 效率低， 不適合大批量生產。方案二至五將落料、拉深復合，要緊區(qū)別在于修邊、切槽、 沖孔的組合方式以及順序不同。 需要注意的是， 只有當拉深件高度較高， 才有可能采納落料、 拉深復合模結構形式，因為淺拉深件假設采納

22、落料、拉深復合模具結構， 落料凸模同時又是拉深凹模的壁厚太薄， 強度不夠。方案二將修邊、切槽 、沖孔 復合，工序少，生產 率最高，但模 具結構復雜，安 裝、調試 困難，同時 模具強度也較低。方案三將切槽和沖孔組合，由于所切槽與中間孔的距離較近， 因此在模具結構上不容易安排，模具強度差。因此較好的組合方式應該是修邊和沖孔組合， 而切槽單獨進行，如方案四、 五。方案四與方案五要緊區(qū)別在于一個先修邊、沖孔后切槽， 一個先切槽后修邊、 沖孔。 由于切槽與修邊有相對位置關系， 而所切槽尺寸比較小，假如先切槽那么修邊模具上不行安排定位， 因此實際選擇了方案四，即先修邊、沖孔后切槽， 然后翻邊成形豎立葉片。

23、 要緊工藝參數(shù)運算(1)落料尺寸落料尺寸即零件平面展開尺寸，葉輪零件差不多形狀為圓形，因此落料形狀也應該為圓形需確定的落料尺寸為圓的直徑。帶有凸緣的筒形拉深成形件，展開 尺寸可按第四章有關公式運算。但依 照葉輪零件圖，不能 直截了當?shù)玫酵咕壋叽纭?在運算落料尺寸之間，要將豎立的葉片 落料尺寸。圖12-11葉輪葉片的展開嚴格來說，葉輪成形豎直 葉片的工序屬于平面外凸曲線翻邊 參考第五章第三節(jié)。但 依照零件圖，由于翻轉曲線的曲率半徑比較大，為簡化運算能夠近似按彎曲變形來確定展開尺寸， 如圖 12-11 所示。 因為彎曲r=0.51 0.5t=1 3-5單位 mm，下同。76d/ 凸76/25.5，

24、查表 4-5，可取修邊余量為 2.2。因此凸緣直徑為76+2.2 =80.480取凸緣尺寸，因此得到葉輪拉深成形尺寸，如圖12-12 所示。圖12-12葉輪拉深成形尺寸(按料厚中心線標注)依照葉輪拉深成形尺寸，要以算出零件總體表面積 A約為 5890 mm可得到落料直徑2。按照一 樣拉深過程表面積不變的假設，4A458903.144A458903.1486.6因圓角半徑較小， 近似由第四章表 4-7 公式5運算落料直徑D d 2 h31dh22h代入1=16h2=4.5d 13.51d d280D 。最后取落料直徑D 87。落料尺寸確定后，需要排樣方案。圓形件排樣比較簡單，依照 本例中零件尺寸

25、大小，可采納簡單的單排排樣形式。沖裁搭邊值能夠按表 2-12 選取， 取沿邊搭邊值a ，工件間搭邊值a 1.5mm1。2拉深道次及各道次尺寸葉輪拉深成形后為帶階梯的寬凸緣件，成形較為困難，需多次拉深。依照圖12-12 所示葉輪拉深件形狀， 成形過程可分為兩個步驟：第一按寬凸緣件拉深成形方法，拉成所要求凸緣直徑的筒形件內 徑、凸緣直徑11.5，然后 ，假設將由內徑的筒形 部分逐次拉成內徑 11.5的階梯，視為拉深成內徑為 11.5直筒件 的中間過程，那么 能夠近似用筒形件拉深運算方法運算階梯部 分內徑線運算。的成 形， 但應保證首次拉深成形后的凸緣尺寸在后續(xù)拉深過程中保持不變。 以下尺寸按料厚中

26、心毛坯拉 成內徑的圓形件：d/ dt / D判定能否一次拉成。帶凸緣筒形件第一拉深的許可變形程度可用對應于凸1和100不同比值的h / dd/ d76/25.5t / 100 2.29最大相對拉深高度11來表示。依照圖 12-12，對葉輪零件，凸1,由表4-20 查得h / d1 0.18 0.22。 23.5 87在本例中，內徑 23.5的圓筒件高度未定。能夠先確定拉深圓角半徑，然后求出直徑h / d的毛坯拉成內徑為的圓筒件高度，最后利用11判定能否一次拉出。r取圓角半徑1R 2mm14-11 可求出拉深高度0.25 0.14h d1D2 d2凸 0.43 rR111r2 R211d0.25

27、d22 0.14 25.587800.4322 13.2h / d13.2/ 25.50.22因，因此一次拉深了出來。在凸緣件的多次拉深中，為了保證以后拉深時凸緣不參加變形，第一 拉深時，拉入凹模的材料應比零件最后拉深部分所需要材料多一些按面積運算，但葉輪相對厚度較大， 可不考慮多拉材料。 假如忽略材料壁厚變化，凸緣內部形狀在拉深過程應滿足表面積不變條件。用靠近法確定第一次拉深直徑運算見表12-2表12-2極限拉極限拉相對凸緣直徑假定值第一次拉深直徑實際拉深系數(shù)深系數(shù)Nd凸d毛坯相對厚度t / D 100ddm拉深系數(shù)差值1Nm d11 D1 由 m m 111查得1.22.29d 80/1.

28、26710.770.49+0.281.42.29d80/1.45710.660.47+0.191.62.29d 80/1.65010.570.45+0.122.02.29d1 80/ 400.460.42+0.042.22.29d1 80/ 360.410.40+0.012.42.29d1 80/ 330.380.37+0.012.82.29d1 80/ 290.330.330.0實際拉深系數(shù)應該適當大于極限拉深系數(shù)，因此能夠初步取第一次拉深直徑為 36mm按料厚中心運算。 運算第二次拉深直徑查表4-15 得第二次拉深的極限拉深系數(shù)2考慮到葉輪材料為 08AlZF，塑性好，同時材料厚度較大，極限 拉深系數(shù)可適當降低。取2ddm36212。為了便于后續(xù)拉深成形， 第二拉深直徑可取為 25.5mm ， 現(xiàn)在的拉深系數(shù)為：m d 22 25.5 / 36 0.71d1d按表 4-43 查一、 二次拉深的圓角半徑，R9mm，凹1 4mm，凹2，R凸可取與凹模圓角半徑相等或略小的值R凸凹因此能夠取R6mm1R凸2?？紤]到葉輪最終成形