異錐形端蓋成形工藝分析及拉深模設計

曹興玉

（凱龍高科技股份有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 零件結構分析

端蓋結構如圖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，大端內圓直徑為，小端內圓直徑為，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

按常規成形工藝設計：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

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。

因為零件結構的特殊性，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有旋轉方向的要求，在第一道落料工序時對毛坯進行方向性標識，在毛坯外圓設計一個R形缺口，便于下道工序進行旋轉方向定位。

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，m1=d2/D=157/255=0.615；根據毛坯相對厚度 t/D×100=2/255×100=0.78，相對凸緣直徑d/d2=200/157=1.27，根據參考文獻[1]，允許拉深系數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 拉深次數的調整和確定

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m2=56.5/68=0.83，第三次拉深成圖2所示的零件，拉深系數m3=52/56.5=0.92，毛坯相對厚度t/D0×100=2/255×100=0.78，根據參考文獻[2]，第二次極限拉深系數m2為0.76～0.78，第三次極限拉深系數m3為0.79～0.80，判定拉深可行。通過分析發現，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的材料進行立體轉移，最后再進行校整。在第一次拉深時圖3零件已經參照圖1零件外形的樣條曲線對底部形狀進行了優化，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，根據參考文獻[2]判定要使用壓邊裝置。根據現有設備狀況，選用四柱液壓機，模具采用倒裝結構、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，根據參考文獻[2]，Fmax=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大于壓邊力。根據公司現有設備情況，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、凹模間隙按經驗公式計算，即：

其中，K為拉深凸、凹模間隙系數，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 模具結構設計

第一次拉深模結構如圖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，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，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彈力的作用下復位，將零件從上凹模13內推出，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。第二次拉深模結構如圖5所示，工作過程大致與第一次拉深模相同。

圖4 第一次拉深模結構

圖5 第二次拉深模結構

4 結束語

2副拉深模經過組裝調試，生產的零件達到圖2的尺寸要求，經過后工序翻邊沖孔、翻邊、切邊，生產的零件符合圖紙要求。在常規拉深理論計算的基礎上，通過分析、設計優化，在少開發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。