異錐形端蓋成形工藝分析及拉深模設(shè)計

曹興玉

（凱龍高科技股份有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 零件結(jié)構(gòu)分析

端蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于其小端中心線相對于大端中心線不同軸且有一定的夾角，型面為樣條曲線過渡，稱之為異錐形端蓋。零件材料為304不銹鋼，料厚為2 mm，大端內(nèi)圓直徑為，小端內(nèi)圓直徑為，均為裝配尺寸。

圖1 端 蓋

2 拉深成形工藝分析

2.1 擬定零件成形工藝路線

按常規(guī)成形工藝設(shè)計：落料→拉深（可能一次，也可能多次）→翻邊沖底孔→翻邊→切邊。根據(jù)零件圖補加凸緣，考慮最后一道工序要進行切邊，凹模圓角半徑取R2 mm，為方便下道工序翻邊時材料流動，凸模圓角半徑取R20 mm，最后拉深成形的零件如圖2所示。

圖2 最后拉深的零件

2.2 毛坯尺寸估算

2.3 初定拉深次數(shù)

由圖2可知，相對凸緣直徑d/d2=200/157=1.27＜1.3，相對錐頂直徑d1/d2=54/157=0.34＜0.5，相對高度h/d2=87/157=0.55＞0.5，毛坯相對厚度2/157×100=1.3＜1.5，模擬錐角在 30°～35°，零件為窄凸緣中等錐形件，判定該零件不能一次拉深成形，需采用多次拉深成形。由于相對錐頂直徑太?。?2/157=0.33），采用三次拉深成形。

因為零件結(jié)構(gòu)的特殊性，小端中心線相對于大端中心線不同軸且有一定的夾角，第二次拉深時定位應(yīng)有旋轉(zhuǎn)方向的要求，在第一道落料工序時對毛坯進行方向性標(biāo)識，在毛坯外圓設(shè)計一個R形缺口，便于下道工序進行旋轉(zhuǎn)方向定位。

2.4 第一次拉深工序確定及可行性判定

凸緣直徑不變，大端直徑仍為φ155 mm，首次拉深拉入凹模的材料比零件實際需要的面積多5%。首次拉深凹模圓角半徑按經(jīng)驗公式計算：

其中，t為材料厚度，mm；D為坯料直徑，mm；d為拉深凹模最大直徑，mm。計算結(jié)果r凹=11 mm，兼顧壓料面積，最終r凹取10 mm。

為有利于拉深工序的材料流動，工序件型面采用樣條曲線過渡，凸模圓角半徑取R20 mm（見圖3）。根據(jù)拉深成形前后表面積相等的原則，在Pro/E軟件中測量得零件表面積為51 421.5 mm2，，毛坯直徑取φ255 mm。

圖3 第一次拉深后的零件

核算第一次拉深系數(shù)，m1=d2/D=157/255=0.615；根據(jù)毛坯相對厚度 t/D×100=2/255×100=0.78，相對凸緣直徑d/d2=200/157=1.27，根據(jù)參考文獻[1]，允許拉深系數(shù)m1=0.53，0.615＞0.53；第一次拉深相對高度為h/d2=74.5/157=0.475，毛坯相對厚度為0.78，相對凸緣直徑為1.27，第一次拉深的最大相對高度在0.5～0.6 mm，實際工件相對高度0.475 mm＜0.5 mm，因此第一次拉深可行。

2.5 拉深次數(shù)的調(diào)整和確定

按照最初制定的拉深計劃，第二次拉深要將圖3零件拉深成尺寸為φ58.5 mm×85 mm的零件，拉深系數(shù)m2=56.5/68=0.83，第三次拉深成圖2所示的零件，拉深系數(shù)m3=52/56.5=0.92，毛坯相對厚度t/D0×100=2/255×100=0.78，根據(jù)參考文獻[2]，第二次極限拉深系數(shù)m2為0.76～0.78，第三次極限拉深系數(shù)m3為0.79～0.80，判定拉深可行。通過分析發(fā)現(xiàn)，第二次和第三次拉深都是在凸緣直徑不變的情況下對進入凹模內(nèi)的材料進行立體轉(zhuǎn)移，最后再進行校整。在第一次拉深時圖3零件已經(jīng)參照圖1零件外形的樣條曲線對底部形狀進行了優(yōu)化，加大了凸模圓角半徑，即R取10t，有利于后工序材料的流動。304不銹鋼拉深性能優(yōu)良，抗拉強度高，延伸率好，取消第二道拉深工序，采用兩次拉深成形。

2.6 拉深力計算及壓力機選擇

2.6.1 第一次拉深壓邊力計算

相對凸緣直徑d/d2=200/157=1.27＜1.3，零件定義為窄凸緣件，毛坯相對厚度2/255×100=0.78＜1.5，根據(jù)參考文獻[2]判定要使用壓邊裝置。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備狀況，選用四柱液壓機，模具采用倒裝結(jié)構(gòu)、平面壓邊圈，四柱液壓機下頂缸提供壓邊力，下頂缸提供的壓邊力隨行程的變化小，壓邊效果好。

2.6.2 第一次拉深力計算

按拉深圓筒形件的最大拉深力計算，根據(jù)參考文獻[2]，F(xiàn)max=3(σb+ σs)(D-d-r凹)t。

其中，σb為材料抗拉強度，MPa；σs為材料屈服強度，MPa；D為坯料直徑，mm；d為凹模直徑，mm；r凹為凹模圓角，mm；t為材料厚度，mm。

根據(jù)參考文獻[1]，304不銹鋼σb取560 MPa，σs取 205 MPa，則 Fmax=3×(560+205)× (255-159-10)× 2=394 740 N。

2.6.3 第一次拉深壓力機選擇

壓力機公稱壓力應(yīng)大于零件拉深力和壓邊力之和，且壓力機下頂缸公稱壓力應(yīng)大于壓邊力。根據(jù)公司現(xiàn)有設(shè)備情況，選擇YL32-100四柱液壓機，該壓力機額定壓力為1 000 kN＞142 480 N+394 740 N，下頂缸額定壓力300 000 N＞142 480 N。

2.6.4 凸模與凹模間隙的選擇

拉深模凸、凹模間隙按經(jīng)驗公式計算，即：

其中，K為拉深凸、凹模間隙系數(shù)，取0～1.0；t為零件額定厚度，mm；tmax為零件材料最大厚度，mm。第一次拉深K值取0.2，第二次拉深K值取0.1，計算得出第一次拉深凸、凹模間隙為2.4 mm,第二次拉深凸、凹模間隙為2.2 mm。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

第一次拉深模結(jié)構(gòu)如圖4所示，模具安裝緊固后，壓力機上滑塊升起，模具打開；上滑塊停止運動，壓力機下頂缸向上運動，推動下推板3帶動下卸料板11向上運動；下頂缸停止運動，將料片放入下卸料板11的定位槽內(nèi)，壓力機上滑塊下降，模具閉合，上凹模13壓住料片，推動下卸料板11帶動下頂缸向下運動，下凸模14頂住料片進入上凹模13內(nèi)，零件開始成形，然后下凸模14頂住料片推動上卸料板21向上運動，最后下凸模14頂住料片進入上凹模13，成形結(jié)束；壓力機上滑塊升起，模具打開，上卸料板21在上彈簧22彈力的作用下復(fù)位，將零件從上凹模13內(nèi)推出，零件留在下凸模上；上滑塊停止運動，下頂缸推動下卸料板11向上運動，將零件從下凸模14推出，最后取出零件。第二次拉深模結(jié)構(gòu)如圖5所示，工作過程大致與第一次拉深模相同。

圖4 第一次拉深模結(jié)構(gòu)

圖5 第二次拉深模結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

2副拉深模經(jīng)過組裝調(diào)試，生產(chǎn)的零件達到圖2的尺寸要求，經(jīng)過后工序翻邊沖孔、翻邊、切邊，生產(chǎn)的零件符合圖紙要求。在常規(guī)拉深理論計算的基礎(chǔ)上，通過分析、設(shè)計優(yōu)化，在少開發(fā)1副拉深模的情況下，成形合格零件，減少了模具投入成本，縮短了零件交付周期。