不銹鋼保溫杯旋壓模具設(shè)計(jì)*

徐其航

（揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東揭陽 522051）

0 引言

不銹鋼保溫杯是日常生活中必不可少的生活用品之一，不銹鋼保溫杯的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝是落料、拉深。變薄旋壓是一種金屬塑性成形的加工工藝，旋壓加工工藝綜合了擠壓、環(huán)軋、拉深和滾壓等塑性加工的成形特點(diǎn)，工藝柔性好，制造成本低，圓筒形件變薄旋壓成形是少或無切削加工的金屬塑性成形工藝。在變薄旋壓工藝和模具優(yōu)化分析方面，很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，獲得了豐富的成果，于輝等[1]運(yùn)用有限元法對小口徑薄壁筒形件變薄旋壓工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；變薄旋壓具有載荷要求小、產(chǎn)品性能優(yōu)良、成形精度高等特點(diǎn)，特別適合制造薄壁筒形件。李新和等[2]利用非線性有限元軟件對大徑厚比超薄壁筒形件變薄旋壓鼓形進(jìn)行了研究，分析了旋壓工藝參數(shù)對變薄旋壓鼓形的影響，提出了優(yōu)化方案。張健等[3]模擬分析了同步旋轉(zhuǎn)模環(huán)旋壓成形時(shí)，坯料零件的鼓形的影響因素，并提供了解決方法。本文利用變薄旋壓技術(shù)生產(chǎn)不銹鋼保溫杯，比拉深工藝生產(chǎn)節(jié)省時(shí)間和材料。旋壓過程中設(shè)置3 個(gè)旋壓輪，1 個(gè)壓痕防皺輪，3 個(gè)旋壓輪在同一水平面上布置，不但可以互相平衡徑向力，而且變形區(qū)由點(diǎn)接觸變?yōu)榻骗h(huán)形，能夠有效防止起皺現(xiàn)象。即在旋壓成形時(shí)，環(huán)形變形區(qū)在工件圓柱面上沿螺旋線縱向前進(jìn)，變形條件得以改善，工件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量得到了提高。

1 金屬旋壓工藝

金屬旋壓是一種金屬塑性成形的加工工藝。運(yùn)用這種工藝能夠容易地制作各種旋轉(zhuǎn)對稱的薄壁回轉(zhuǎn)件和各種管件等，因此又稱其為回轉(zhuǎn)成形工藝。金屬旋壓工藝具有節(jié)省原材料、成本低廉、設(shè)備簡單和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，因此旋壓工藝在國防、化工、冶金、電子、機(jī)械等諸方面起到了越來越大的作用[4]。

變薄旋壓是在普通旋壓的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，根據(jù)旋壓輪前進(jìn)方向和材料的流動(dòng)方向不同，可以分為正向旋壓和反向旋壓。芯軸與旋壓輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，坯料套在芯軸上，當(dāng)旋壓輪前進(jìn)方向與材料流動(dòng)方向相同時(shí)，稱為正旋，反之則稱為反旋[5]。變薄旋壓原理示意圖如1所示。

圖1 變薄旋壓原理示意圖

坯料形狀和壁厚同時(shí)改變的旋壓成形過程成為變薄旋壓過程。變薄旋壓與普通旋壓的區(qū)別是變薄旋壓屬于體積成形范疇，由于薄壁筒形件變薄旋壓工藝屬于局部塑性成形，變形區(qū)易產(chǎn)生起皺的失穩(wěn)現(xiàn)象，使旋壓過程不能順利進(jìn)行，甚至?xí)斐膳髁系钠茐模荒苤圃斐龊细竦漠a(chǎn)品零件，本旋壓模具通過采用3個(gè)旋壓輪在同一水平面旋壓，在其后部設(shè)置壓痕防皺輪，防止坯料的起皺，保證了旋壓過程的順利完成，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品零件。生產(chǎn)實(shí)踐證明，該旋壓模具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便而且造價(jià)便宜，解決了不銹鋼保溫杯的生產(chǎn)制造問題，改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方案，該旋壓模具制造成本低，競爭力強(qiáng)，能提高經(jīng)濟(jì)效益[5]。

2 模具零件設(shè)計(jì)

2.1 不銹鋼保溫杯

圖2 不銹鋼保溫杯結(jié)構(gòu)圖

圖3 不銹鋼保溫杯實(shí)物

不銹鋼保溫杯是日常生活中必不可少的生活用品之一，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，零件實(shí)物如圖3所示。不銹鋼保溫杯的生產(chǎn)工藝是落料、拉深。對于不銹鋼保溫杯之類的筒形件，往往需要多次拉深成形。多次拉深成形需要多副拉深模具，這樣會(huì)造成生產(chǎn)成本高，材料利用率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，經(jīng)濟(jì)效益低。為改變這種局面，運(yùn)用變薄旋壓技術(shù)制作不銹鋼保溫杯，具有以下優(yōu)點(diǎn)：金屬塑性條件好，變形內(nèi)力小；材料利用率高，生產(chǎn)成本低；制品性能顯著提高，在旋壓之后材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能均發(fā)生變化，晶粒度細(xì)小并形成具有纖維狀的特征；制品表面粗糙度低，尺寸公差小。

2.2 芯軸設(shè)計(jì)

芯軸的結(jié)構(gòu)由工作部分和固定連接部分組成[7]。芯軸與旋壓機(jī)的連接是通過芯軸的臺階和旋壓機(jī)工作臺上的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配合定位，采用固定塊進(jìn)行壓緊，并利用螺釘固定。在旋壓過程中，芯軸隨著旋壓機(jī)下轉(zhuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以通過下轉(zhuǎn)動(dòng)裝置改變其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。芯軸和固定塊安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。芯軸和固定塊實(shí)物如圖5所示。

圖4 芯軸和固定塊結(jié)構(gòu)

圖5 芯軸和固定塊實(shí)物

2.3 旋壓輪設(shè)計(jì)

不銹鋼保溫杯采用階梯式旋壓輪。該旋壓輪由3部分組成，包括前角引導(dǎo)段、旋壓段和后角過渡段。在旋壓過程中，將旋壓模具中3個(gè)旋壓輪分別固定安裝在旋壓機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上，且3個(gè)旋壓輪放置在同一水平面，利用從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)原理，使3個(gè)旋壓輪的旋轉(zhuǎn)速度一致，旋轉(zhuǎn)方向一樣，進(jìn)給速度相同。旋壓機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置通過絲桿帶動(dòng)旋壓輪上下滑動(dòng)，對套在芯軸上的坯料實(shí)施旋壓，完成對坯料的變薄旋壓過程[8]。旋壓輪安裝如圖6所示，旋壓輪實(shí)物如圖7所示。

圖6 旋壓輪結(jié)構(gòu)

圖7 旋壓輪實(shí)物

2.4 壓痕防皺輪設(shè)計(jì)

變薄旋壓工藝屬于局部塑性成形，材料變形區(qū)易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象[9]，為了保證旋壓過程的順利完成，將3個(gè)旋壓輪在同一水平面進(jìn)行旋壓，在其后部安裝1個(gè)壓痕防皺輪，3個(gè)旋壓輪，1個(gè)壓痕防皺輪，不但徑向力可互相平衡，而且變形區(qū)由點(diǎn)接觸變?yōu)榻骗h(huán)形，能夠防止起皺現(xiàn)象的發(fā)生。并通過生產(chǎn)實(shí)踐，證實(shí)了其結(jié)構(gòu)的合理性、實(shí)用性、穩(wěn)定性。該壓痕防皺輪工作部分可分為4部分結(jié)構(gòu)，即是前角引導(dǎo)段、防皺段、光整段和后角過渡段，能夠較好地防止保溫杯杯體在旋壓變薄過程中起皺，使旋壓過程順利完成，防皺效果好。壓痕防皺輪結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 壓痕防皺輪

2.5 不銹鋼保溫杯旋壓模具設(shè)計(jì)

不銹鋼保溫杯模具設(shè)計(jì)總裝結(jié)構(gòu)如圖9所示。旋壓模具中的芯軸通過安裝螺釘緊固在固定塊上，固定塊通過臺階安裝固定在旋壓機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，并隨下轉(zhuǎn)動(dòng)裝置一起帶動(dòng)芯軸旋轉(zhuǎn)。變薄旋壓模具中旋壓輪和壓痕防皺輪分別安裝在旋壓機(jī)上轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上，利用從動(dòng)輪安裝原理，使3個(gè)旋壓輪和壓痕防皺輪轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向相同，進(jìn)給速度一致，旋壓輪和壓痕防皺輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，旋壓機(jī)的絲桿傳動(dòng)工作臺帶動(dòng)旋壓輪和壓痕防皺輪上下移動(dòng)，實(shí)施變薄旋壓過程。

圖9 旋壓模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

文章通過采用變薄旋壓工藝，開發(fā)設(shè)計(jì)一套適用于不銹鋼保溫杯生產(chǎn)制造的變薄旋壓模具，改變了過去不銹鋼保溫杯的生產(chǎn)方式，不再采用落料、多次拉深的方式生產(chǎn)不銹鋼保溫杯，利用旋壓模具生產(chǎn)制造不銹鋼保溫杯，旋壓模具制造安裝容易，不銹鋼原材料利用率高，運(yùn)用旋壓模具生產(chǎn)不銹鋼保溫杯，材料利用率可以達(dá)到90%以上，顯著降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。通過生產(chǎn)實(shí)踐證明，該旋壓模具結(jié)構(gòu)合理，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升企業(yè)競爭力，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著增加。