電機罩蓋沖壓工藝及模具設計*

海爭平

(湖南交通職業技術學院， 湖南 長沙 410132)

?

電機罩蓋沖壓工藝及模具設計*

海爭平

(湖南交通職業技術學院， 湖南 長沙 410132)

某罩蓋是汽車電機產品上的一種階梯形拉深件，其形狀較為復雜，由大、小兩部分圓筒組成，存在與拉深外徑相差懸殊的小直徑凸臺，需要采用沖裁、拉深、成形等多種沖壓工藝制成，成形較困難。根據零件的結構特點及技術要求，結合該零件的沖壓工藝難點，同時考慮到零件生產效率的提高以及制造成本的降低，制訂了5種沖壓成形工藝方案，經分析比較，選出了最佳的零件成形工藝方案，并設計了落料、拉深復合模以及拉深、成形、沖孔、擠邊復合模。生產驗證說明，該工藝能成功解決該類兩階梯直徑相差懸殊的小直徑凸臺成形問題，得到質量合格的罩蓋零件。

罩蓋；沖壓工藝；復合模；拉深；拉脹結合

圖1為某汽車電機產品上的罩蓋零件，是一種軸對稱旋轉型的沖壓零件，采用1 mm厚的10冷軋鋼板制成，生產批量較大。該零件外形結構較為復雜，需要采用沖裁、拉深、成形等多種沖壓工藝才能制成。零件由大、小兩部分圓筒組成：大圓筒外徑為φ123 mm、高76 mm，且大圓筒底有4處2 mm深的成形凹坑，其中的兩處凹坑還需沖裁φ6.5 mm的小孔，而在大圓筒底的中部則為外徑φ38 mm、高12 mm的小圓筒。尺寸精度要求為IT12～IT13。零件要求表面不得有劃痕，斷面不得有毛刺，拉深成形后不得有明顯的變薄、拉深痕跡等缺陷。根據零件的結構特點及技術要求，結合該零件的沖壓工藝難點，詳細分析了該類小圓筒凸臺的成形方法，制訂了合理的沖壓成形工藝方案，并由此進行了相應的模具設計[1-2]。

1　零件的成形工藝方案

分析電機罩蓋各部分形狀可知：該零件為一種階梯形拉深件，其上的4處2 mm深的凹坑由于成形深度不大，可采用直接壓形成型得到，兩處φ6.5 mm的小孔可通過直接沖孔獲得。φ38 mm、高12 mm的小圓筒的成形是此零件加工的主要難點。由于大圓筒直徑為φ123 mm，而小凸起狀圓筒直徑為φ38 mm，小圓筒直徑與大圓筒直徑相比相差懸殊，在拉深成形過程中，材料變形復雜，且大圓筒部位的材料無法向小圓筒流動，若僅靠變薄拉深來成形，極易出現拉裂，難以達到產品的技術要求。另外，小凸起狀圓筒直徑為φ38 mm，高度12 mm，其高徑比也較大，拉深成形時金屬流動較困難，這也增加了小圓筒成形的難度。

為確定該零件各部分圓筒的拉深工藝過程，針對零件結構進行以下工藝計算。

依據罩蓋的結構尺寸，選取其修邊余量△h=3 mm，根據毛坯展開料計算公式，可求得毛坯直徑為φ235 mm，直徑φ123 mm大圓筒的拉深系數m為0.52，查相應的極限拉深系數m極知，m極=0.56～0.58，因m

依據上述分析，圍繞小圓筒凸起的成形，可從以下幾個主要方面考慮其成形，即直接拉深小圓筒；對小圓筒實行脹形成形；拉深與脹形相結合成形。

由上述分析計算，可制定以下幾種工藝方案。

第1種方案：先拉深小圓筒凸起再拉深大圓筒，其加工工藝過程是：落料——拉深小圓筒(共拉深5次)——拉深大筒(共拉深2次)——壓凹坑并沖孔——切邊。

第2種方案：先拉深大圓筒再拉深小圓筒凸起，其加工工藝過程是：落料——拉深大筒(共拉深2次)——拉深小圓筒(共拉深4次)——壓凹坑并沖孔——切邊。

第3種方案：先脹形形成小圓筒凸起再拉深大圓筒，其加工工藝過程是：落料——底部脹形——整形成小圓筒——拉深大圓筒(共拉深2次)——壓凹坑并沖孔——切邊。

第4種方案：先拉深大圓筒再脹形形成小圓筒凸起，其加工工藝過程是：落料——拉深大圓筒(共拉深2次)——底部脹形——整形成小圓筒——壓凹坑并沖孔——切邊。

第5種方案：拉深與脹形相結合，拉脹交替進行，其加工工藝過程是：落料——大圓筒第一次拉深，同時對小圓筒預脹形——大圓筒第二次拉深，同時整形成小圓筒——壓凹坑并沖孔——切邊。

2　成形工藝方案分析

顯然，第1、2種工藝方案中小圓筒的拉深是采用拉深成圖2的工序加工方式，這種加工方案的最大問題是工序數目太多，故不宜選用。

第3種方案的脹形純屬平板脹形。脹形時坯料的塑性變形僅局限在一個固定的變形范圍(d=38+6×2=50 mm)內，由于坯料外徑D毛=235 mm，凹模孔徑d=50 mm，坯料外徑D毛與凹模孔徑d的比值D毛/d=235/50=4.7>3，毛坯外緣離脹形部位太遠，毛坯外緣的金屬材料流入凹模的變形阻力很大，從而使其參與脹形變形變得很困難，此時，毛坯外環發生切向收縮所必須的徑向拉應力的數值增大，成為相對的強區，而在沖頭端面直接作用下的直徑為d=50 mm的圓面積以內的金屬，則成為弱區，小圓筒凸臺所發生的塑性變形也就局限于d=50 mm范圍內，從而使該部位的金屬材料既不能向變形區轉移，外部材料也無法進入脹形變形區內，在毛坯中間部位形成的凸起，主要靠中間部分的材料在雙向拉應力作用下變薄，以局部成形的方式來實現，毛坯外徑D毛=235 mm在脹形過程中不發生變化。

第4種方案亦屬平板脹形，這時大圓筒外徑d=123 mm成為脹形時的坯料外徑D毛。凹模孔徑d=50 mm，此時，坯料外徑D毛與凹模孔徑d的比值D毛/d=123/50=2.46<3，雖小于3，但因此時的坯料周邊為圓筒形，外環發生切向收縮所必須的徑向拉應力更大，外環將成為更強的強區，此時脹形的塑性變形也就局限于d=50 mm范圍內，其塑性變形規律與第3種方案相同。

第5種方案是拉深與脹形相結合，即在大圓筒拉深成形的同時對小圓筒進行預脹形，拉脹交替進行，屬于脹形中的拉深，也可認為是曲面形狀拉深時，在毛坯中間部分產生脹形。其變形規律是這樣的，當上模下降，在拉深初始階段，坯料先脹成圖3a所示形狀，當上模繼續下降至拉深結束時，即成為圖3b所示形狀。按照脹形理論脹形的塑性變形應該局限在d=152 mm這個范圍內，但由于零件拉深成形的順序是先拉成圖3a所示的中間毛坯，然后再成形成圖3b所示形狀，所以脹形所用的材料不是僅僅局限在d=152 mm這個范圍內，而是遍布在整個毛坯，脹形部分的材料有相當一部分是從外環拉進來的，因此，底部脹形所發生的塑性變形并不完全是由變形區的材料變薄來實現的，這樣就達到了在更大范圍內聚料的目的。

綜合分析、比較上述各加工工藝方案，從有利于聚料和減少工序數目的角度，故選用第5種方案。

考慮到零件生產效率的提高以及制造成本的降低，進一步分析第5種方案中的各加工工序可知，落料——大圓筒第一次拉深，同時對小圓筒預脹形2個工序可以通過設計落料、拉深復合模進行合并；大圓筒第二次拉深，同時整形成小圓筒——壓凹坑并沖孔——切邊3道工序可以通過設計拉深、成形、沖孔、切邊復合模進行合并。這樣，罩蓋的整個加工工序簡化為2道。模具優化為2套[5-6]。

3　脹形尺寸的設計計算

采用拉脹結合加工，實現的關鍵在于脹形尺寸的設計計算，只有脹形尺寸設計合理，計算準確才能正確實現后續的整形，完成小圓筒凸起的成形。

脹形凸模形狀可按圖3b所示的球形鼓包形狀設計，以利于零件的成形加工和后續整形的大范圍聚料目的實現，但必須保證球形鼓包的表面積SA等于圖2小圓筒部分的表面積SB。經過多次計算，得到表1所示數值。

表1脹形尺寸的計算

α/(°)d/mmR/mmSA/mm2SB/mm2SA-SB/mm26060626412121098121035243772381438343856402740714070-546-298-256-236-214-43-1

根據上述計算，顯然最后一組數據(α=60°、d=64 mm、R=10 mm)為最佳理想數值。為此確定了第一套落料、拉深復合模中的小圓筒脹形部分的設計尺寸。

4　模具設計

4.1落料、拉深復合模設計

圖4所示為設計的落料、拉深復合模[7-8]。該復合模采用倒裝式復合模結構，主要由剛性推件裝置、彈性卸料裝置、定位零件、落料凹模、拉深凹模、成形凹模、墊板、模板等零件組成。其中：落料凹模16、拉深凸模13裝在下模，拉深凹模8、成形凹模12裝在上模。由于拉深凹模、拉深凸模、落料凹模等工作零件外形尺寸較大，其固定未設置固定板，采用螺釘、圓柱銷直接固定在上、下模板上。考慮到操作的便利性，模架選用滑動平穩、導向準確可靠的后側導柱模架。

模具工作時，壓力機滑塊上升，上、下模逐漸脫離接觸，壓力機頂出缸通過頂桿15將頂料板14頂至與落料凹模16上平面平齊，此時，將剪切好的條料放在落料凹模16上，并通過落料凹模16上安放的定位銷6定位，隨著壓力機滑塊的向下運動，彈性卸料板7與毛坯料接觸，并與落料凹模16共同將坯料壓緊，隨著壓力機滑塊的繼續下行，拉深凹模8、落料凹模16先行對毛坯進行落料，拉深凹模8與頂料板14則隨之將落料好的坯料壓緊，隨著上模部分繼續向下移動，拉深凹模8、拉深凸模13及頂料板14逐漸對坯料進行拉深、脹形加工，并拉深脹形成圖3a所示形狀，隨著壓力機滑塊的繼續下行，成形凹模12在聚氨酯橡膠塊9的作用下，開始與拉深凸模13共同作用壓形形成圖3b所示形狀，隨著壓力機滑塊的進一步下行，成形凹模12上端面與成形墊塊11剛性接觸，成形凹模12與拉深凸模13共同作用完成對小圓筒脹形部分的最后壓型，與此同時，拉深凹模8、拉深凸模13及頂料板14也完成對坯料的第一次拉深，此時完成整個坯料第一道工序的加工。

隨著壓力機滑塊的上行，在聚氨酯橡膠塊5、9的作用下，彈性卸料板7、成形凹模12分別復位，將完成加工的工件從拉深凹模8型腔中推出，與此同時，壓力機頂出缸則利用頂桿15通過頂料板14將完成落料、拉深的工件頂出拉深凸模13，取出工件后，將剪切好的條料送進，便可進入下一次沖壓加工，完成一個工作循環。

本模具設計的關鍵在于：保證落料、拉深、壓形各加工工序能按先后次序依次完成，否則影響拉深脹形的效果。即在完成落料后再進行拉深，而在拉深開始階段，成形凹模12并不與拉深凸模13作用，待其拉深形成圖3a所示形狀后，再開始壓形形成圖3b所示形狀。此外，模具結構設計時具有以下特點。

(1)拉深凹模8具有多重作用，它既是坯料大圓筒外形拉深凹模，又是坯料落料的凸模；拉深凸模13也具有多重作用，它既是坯料大圓筒外形拉深的凸模，又是小圓筒初始脹形、最后壓形的凸模；成形凹模12則既是小圓筒最后壓形的凹模，又是拉深完成后，將工件推出拉深凹模8型腔的卸料器。

(2)應控制好拉深凹模8與成形凹模12、落料凹模16、拉深凸模13等工作零件的高度，保證落料、拉深脹形、壓形的先后加工順序，以達到金屬流動暢通、小圓筒成形能在更大范圍內聚料的目的。

(3)為保證小圓筒最后的壓形質量，在模具設計中，特意在成形凹模12頂部設置了成形墊塊11及聚氨酯橡膠塊9，使其成形分多步完成，即先在聚氨酯橡膠塊9的彈力作用下，在工件拉深尚未完成之前即開始逐步成形，最后再進行校正整形，從而有利于成形質量的保證。

4.2拉深、成形、沖孔、切邊復合模設計

圖5所示為工件的拉深、成形、沖孔、切邊復合模，主要由剛性推件裝置、彈性卸料裝置、定位零件、沖孔凸模、拉深凹模、成形凹模、固定板、墊板等零件組成[9-10]。該復合模也采用倒裝式復合模結構，由于拉深凸模11、壓邊圈14裝在下模，拉深凹模13、沖孔凸模7和成形凹模8裝在上模，可保證沖孔后的廢料通過下模孔漏出，切邊后的廢料由壓邊圈14從下模頂出，有利于安全操作和保護模具刃口。由于沖孔凸模尺寸較小，設計了凸模固定板5進行定位及固定，拉深凹模、拉深凸模等工作零件外形尺寸較大，采用螺釘、圓柱銷直接固定在上、下模板上。同時，考慮到操作的便利性，模架選用滑動平穩、導向準確可靠的后側導柱模架。

模具工作時，壓力機滑塊上升，上、下模逐漸脫離接觸，壓力機頂出缸通過頂桿15將壓邊圈14頂至與拉深凸模11上平面平齊，此時，將第一套模具完成加工的制件套入壓邊圈14，隨著壓力機滑塊的向下運動，拉深凹模13及壓邊圈14先對大圓筒的筒底周邊進行壓緊，隨著壓力機滑塊的繼續下行，拉深凹模13、拉深凸模11及壓邊圈14對大圓筒筒體進行二次拉深，當大筒體拉深高度約進行70 mm左右時，成形凹模8在其頂部安裝的聚氨酯橡膠塊6的作用下，與小圓筒筒體底部接觸，隨著壓力機滑塊的繼續下行，成形凹模8與拉深凸模11共同作用對小圓筒體底部凸臺進行成形，并壓制出大圓筒底的四處2 mm深的成形凹坑，與此同時，拉深凹模13、拉深凸模11及壓邊圈14對大筒體繼續進行二次拉深，直至完成形成拉深高度約73 mm，隨著壓力機滑塊的繼續下行，完成二次拉深的大圓筒體的不平整邊緣在拉深凹模13及拉深凸模11間擠切刃口的擠壓作用下，完成切邊，并保證大圓筒的拉深高度76 mm，而與此同時，成形凹模8頂部與其頂部安裝的成形墊塊9進行剛性接觸，完成對小圓筒體的最后校形，沖孔凸模7與拉深凸模11也共同完成對二處已成型凹坑上的φ6.5 mm小孔的沖裁，至此，工件加工完成。

隨著壓力機滑塊的上行，在聚氨酯橡膠塊6的作用下，成形凹模8復位下行，并將完成加工的成品制件從拉深凹模13型腔中推出，卸件頂桿12也在彈簧17彈力的作用下將制件頂離拉深凸模11，與此同時，壓力機頂出缸通過頂桿15將壓邊圈14頂至與拉深凸模11上平面平齊，隨壓邊圈14一起頂至模外的切邊廢料則同時被壓力機上攜帶的壓縮空氣吹離模具及壓力機工作臺，此時，可將下一個第一套模具完成加工的制件套入壓邊圈14，模具進入下一個工作循環。

5　模具設計的關鍵及特點

拉深、成形、沖孔、切邊復合模設計的關鍵在于：保證二次拉深、成形、沖孔、切邊四道復合工序應按適當的次序完成，尤其應保證φ6.5 mm小孔的沖裁應在凹坑成形完成后進行；切邊則應在拉深完成后進行；小圓筒及凹坑的成形應在大圓筒二次拉深行將結束的后期進行，否則易出現孔形及尺寸不準等缺陷，甚至出現材料嚴重變薄、拉裂等廢品。為此，模具結構設計時具有以下特點。

(1)拉深凸模11具有多重作用，它既是大圓筒體二次拉深的凸模，又是小圓筒成形的凸模，同時還是筒體φ6.5 mm小孔的沖孔凹模及切邊凸模；壓邊圈14也具有多重作用，它既是工件二次拉深的定位器，又是二次拉深的壓邊圈，此外，還是切邊廢料的頂出裝置；同樣，拉深凹模13也具有雙重作用，它既是大圓筒體二次拉深的凹模，同時也是二次拉深后筒體的切邊凹模。

圖6給出了拉深凸模11與拉深凹模13的配合要求，其拉深部分應保證單面拉深間隙為1.1～1.2 mm。

(2)為保證小圓筒體及四處成形凹坑的成形質量，在模具設計中，特意在成形凹模8頂部設置了成形墊塊9及聚氨酯橡膠塊6，使其成形分多步完成，即先在聚氨酯橡膠塊6的彈力作用下逐步成形，最后進行校正整形，從而使成形的材料能更有序的參與流動，以利于成形質量的保證。

(3)本模具設計的切邊實際上是利用拉深凹模13與拉深凸模11之間的小間隙(拉深凸模11與拉深凹模13擠邊時，保證其單面間隙為0.02～0.04 mm，如圖6所示)通過擠壓來完成的，從其工作原理來講，稱為擠邊應更符合其加工工況。考慮到壓邊圈14與拉深凸模11之間存在較大的間隙，壓邊圈難以完成制件的卸料，特意在下模設計了頂桿裝置，其頂件力通過彈簧提供，且大小可通過螺塞進行調整。

6　結語

(1)根據電機罩蓋的結構特點及沖壓工藝難點，在詳細分析其成形方法，同時，考慮到零件生產效率的提高以及制造成本的降低的基礎上，制定了優化的沖壓工藝方案，由此設計了落料、拉深復合模以及拉深、成形、沖孔、沖孔、擠邊復合模兩套復合模，完成了對該罩蓋零件的成形。

(2)經過試模及生產驗證，沖壓的制件完全滿足圖樣的設計要求，制定的沖壓工藝合理，模具結構緊湊、實用，成功解決了該類兩階梯直徑相差懸殊的小直徑凸臺的成形，可為同類型零件的加工提供借鑒。

(3)設計制定的工藝流程短、模具數量少，可減少零件制造的周轉時間、提高設備利用率，適合較大批量的生產，能顯著提高生產效率，降低零件制造成本，有利于經濟效益的提高。

[1] 趙俠，李飛．上蓋沖壓工藝與模具設計[J]．鍛壓技術，2009，34(5) : 115-117．

[2]張艷，李琳．電機端蓋沖壓工藝及模具設計[J]．模具制造，2007，7(7) : 20-23．

[3]楊關全．冷沖壓工藝與模具設計[M]．大連: 大連理工大學出版社，2012．

[4]成虹．沖壓工藝與模具設計[M]．北京: 高等教育出版社，2000．

[5]鐘翔山．沖壓模具精選88例設計分析[M]．北京: 化學工業出版社，2010．

[6]鐘翔山．冷沖模設計案例剖析[M]．北京: 機械工業出版社，2009．

[7]張正修．沖模實用典型結構圖集[M]．北京: 機械工業出版社，2009．

[8]鄭暉，于利凱．汽車前底板沖壓工藝分析與拉深模設計[J]．鍛壓技術，2009，34(3) : 103-105．

[9]陳炎嗣．沖壓模具實用結構圖冊[M]．北京: 機械工業出版社，2009．

[10]薛啟翔．沖壓工藝與模具設計實例分析[M]．北京: 機械工業出版社，2008．

(編輯譚弘穎)

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Stamping process and die design of motor cover

HAI Zhengping

(Hunan Communication Polytechnic， Changsha 410132,CHN)

A shield was a ladder shaped drawing motor products, its shape was more complex, consisting of 2 large and small part of the cylinder, and drawing diameter difference between the small diameter of the boss, need made of blanking, drawing and forming a variety of stamping process, forming was difficult. According to the structural features and technical requirements of the parts, the forming process of 5 stamping forming process is selected. The best parts forming process are selected. The production shows that, this technology can successfully solve the two step size is small diameter convex gap forming problems, get qualified cover parts.

cover; stamping process; compound die; drawing; drawing and bulging

TG386

A

海爭平，男，1968年生，副教授，主要從事汽車制造和開發工作。

2015-12-22)

160526

湖南省教育科學規劃課題(XJK013BZY004)；湖南省科技廳項目(2012GK3051)；長沙市科技局項目(k1501106-11)