五金模具设计-冲压工艺与模具设计实例分享

第二节??冲压工艺与模具设计实例?

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一、摩托车侧盖前支承冲压工艺设计?

二、微型汽车水泵叶轮冲压工艺与模具设计?

一、摩托车侧盖前支承冲压工艺设计???

图12-1所示为摩托车侧盖前支承零件示意图，材料Q215钢，厚度1.5mm，年生产量5万件，要求编制该冲压工艺方案。?

⒈?零件及其冲压工艺性分析?

摩托车侧盖前支承零件是以2个9.5?mm的凸包定位且焊接组合在车架的电气元件支架上，腰圆孔用于侧盖的装配，故腰圆孔位置是该零件需要保证的重点。另外，该零件属隐蔽件，被侧盖完全遮蔽，外观上要求不高，只需平整

图12-1??侧盖前支承零件示意图?

该零件端部四角为尖角，若采用落料工艺，则工艺性较差，根据该零件的装配使用情况，为了改善落料的工艺性，故将四角修改为圆角，取圆角半径为2mm。此外零件的“腿”较长，若能有效地利用过弯曲和校正弯曲来控制回弹，则可以得到形状和尺寸比较准确的零件。?

腰圆孔边至弯曲半径R中心的距离为2.5mm。大于材料厚度?（1.5mm），从而腰圆孔位于变形区之外，

弯曲时不会引起孔变形，故该孔可在弯曲前冲出。?

⒉?确定工艺方案?

首先根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序。冲压该零件需要的基本工序有剪切(或落料)、冲腰圆孔、一次弯曲、二次弯曲和冲凸包。其中弯曲决定了零件的总体形状和尺寸，因此选择合理的弯曲方法十分重要。?

(1)?弯曲变形的方法及比较??该零件弯曲变形的方法可采用如图12-2所示中的任何一种。

第一种方法(图12-2a)为一次成形，其优点是用一副模具成形，可以提高生产率，减少所需设备和操作人员。缺点是毛坯的整个面积几乎都参与激烈的变形，零件表面擦伤严重，且擦伤面积大，零件形状与尺寸都不精确，弯曲处变薄严重，这些缺陷将随零件“腿”长的增加和“腿”长的减小而愈加明显。?????

第二种方法(图12-2b)是先用一副模具弯曲端部两角，然后在另一副模具上弯曲中间两角。这显然比第一种方法弯曲变形的激烈程度缓和的多，但回弹现象难以控制，且增加了模具、设备和操作人员。?

第三种方法(图12-2c)是先在一副模具上弯曲端部两角并使中间两角预弯45°，然后在另一副模具上弯曲成形，这样由于能够实现过弯曲和校正弯曲来控制回弹，故零件的形状和尺寸精确度高。此外，由于成形过程中材料受凸、凹模圆角的阻力较小，零件的表面质量较好。这种弯曲变形方法对于精度要求高或长“脚”短“脚”弯曲件的成形特别有利。

(2)?工序组合方案及比较??根据冲压该零件需要的基本工序和弯曲成形的不同方法，可以作出下列各种组合方案。?

方案一：落料与冲腰圆孔复合、弯曲四角、冲凸包。其优点是工序比较集中，占用设备和人员少，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，表面擦伤严重。?

方案二：落料与冲腰圆孔复合、弯曲端部两角、弯曲中间两角、冲凸包。其优点是模具结构简单，投产快，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，而且工序分散，占用设备和人员多。?

方案三：落料与冲腰圆孔复合、弯曲端部两角并使中间两角预弯45°、弯曲中间两角、冲凸包。其优点是工件回弹容易控制，尺寸和形状精确，表面质量好，对于这种长“腿”短“脚”弯曲件的成形特别

有利，缺点是工序分散，占用设备和人员多。?

方案四：冲腰圆孔、切断及弯曲四角连续冲压、冲凸包。其优点是工序比较集中，占用设备和人员少，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，表面擦伤严重。?

方案五：冲腰圆孔、切断及弯曲端部冲腰圆孔、切断连续冲压、弯曲中间两角、冲凸包。这种方案实质上与方案二差不多，只是采用了结构复杂的连续模，故工件回弹难以控制，尺寸和形状不精确。?

方案六：将方案三全部工序组合，采用带料连续冲压。其优点是工序集中，只用一副模具完成全部工序，其实质是把方案三的各工序分别布置在连续模的各工位上，所以还具有方案三的各项优点，缺点是模具结构复杂，安装、调试和维修困难。制造周期长。?

综合上述，该零件?虽然对表面外观要求不高，但由于“腿”特别长，需要有效地利用过弯曲和校正来控制回弹，其方案三和方案六都能满足这一要求，但考虑到该零件件生产批量不是太大，故选用方案三，其冲压工序如下：?

落料冲孔、一次弯形?（弯曲端部两角并使中间两角预弯45°）、二次弯形(弯曲中间两角)、冲凸包。?

⒊?主要工艺参数计算?

(1)????毛坯展开尺寸?(查工具书)?展开尺寸按图12-3分段计算。毛坯展开长度?

其中圆周半径r分别为2mm和4mm，材料厚度t=1.5mm，中性层位置系数x按t

r

由表3-2查取。当r=2mm

时取x=0.43，r=4mm时取x=0.46。?

将以上数值代入上式得

考虑到弯曲时材料略有伸长，故取毛坯展开长度L=168mm。?

对于精度要求高的弯曲件，还需要通过试弯后进行修正，以获得准确的展开尺寸。?

(2)????确定排样方案和计算材料利用率?

1)?确定排样方案，根据零件形状选用合理的排样方案，以提高材料利用率。该零件采用落料与冲孔复合冲压，毛坯形状为矩形，长度方向尺寸较大，为便于送料，采用单排方案?（见图12-4）。

搭边值a和a1由表2-12查得，得a=2mm,a1=1.8mm。？？？？

2)?确定板料规格和裁料方式。根据条料的宽度尺寸，选择合适的板料规格，使剩余的边料越小越好。该零件宽度用料为172mm，以选择1.5mm×710mm×1420mm的板料规格为宜。?

裁料方式既要考虑所选板料规格、冲制零件的数量，又要考虑裁料操作的方便性，该零件以纵裁下料为宜。对于较为大型的零件，则着重考虑冲制零件的数量，以降低零件的材料费用。

(3)?计算材料消耗工艺定额和材料利用率。根据排样计算，一张钢板可冲制的零件数量为n=4×59=236(件)。?

材料消耗工艺定额?

图12-5??落料、冲孔工序略图?⒋?计算各工序冲压力和选择冲压设备?

(1)?第一道工序—落料冲孔(见图12-6)??该工序冲压力包括冲裁力

FP

，卸料力F3

和推料力F1

，按

图12-6所示的结构形式，系采用打杆在滑块快回到最高位置时将工件直接从凹模内打出，故不再考虑顶件力F2。?

则第四道工序总冲压力?

从该工序所需的冲压力考虑，选用公称压力为40kN的压力机就行了，但是该工件高度大，需要滑块行程也相应要大，故该工序选用公称压力为250kN的压力机。?

⒌?模具结构形式的确定?

落料冲孔模具、一次弯形模具、二次弯形模具、冲凸包模具结构形式分别见图12-6、图12-7、图12-8、图12-9。

二、微型汽车水泵叶轮冲压工艺与模具设计??

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图12-10所示叶轮零件，材料08Al—ZF，大批量生产。要求确定该零件冲压成形工艺，设计冲压成形模具。?

⒈?零件及其冲压工艺性分析?

叶轮用于微型汽车上发动机冷却系统的离心式水泵内，工件时以1500~3000r/min左右的速度旋转，使冷却水在冷却系统中不断地循环流动。为保证足够的强度和刚度，叶轮采用厚度为2mm的钢板。?

叶轮材料为铝镇钢08Al。该材料按拉深质量分为三级：ZP（用于拉深最复杂零件），HF（用于拉深很

复杂零件）和F（用于拉深复杂零件）。由于形状比较复杂，特别是中间的拉深成形难度大，叶轮零件采用ZF级的材料，表面质量也为较高的Ⅱ级。表12-1列出08Al—ZF的力学性能。

为减轻震动，减小噪声，叶轮零件的加工精度有一定的要求。除了7个叶轮形状和尺寸应一致外，叶轮中部与固定轴配合部位的要求也较高。由于靠冲压加工难以达到直径

⒉?确定工艺方案?

由于叶轮冲压成形需多道次完成，因此制定合理的成形工艺方案十分重要。考虑到生产批量大，应在生产合格零件的基础上尽量提高生产率效率，降低生产成本。要提高生产效率，应该尽量复合能复合的工序。但复合程度太高，模具结构复杂，安装、调试困难，模具成本提高，同时可能降低模具强度，缩短模具寿命。根据叶轮零件实际情况，可能复合的工序有：落料与第一次拉深；最后一次拉深和整形；修边、切槽；切槽、；冲孔；修边、冲孔；切槽、冲孔。?

根据叶轮零件形状，可以确定成形顺序是先拉深中间的价梯圆筒形，然后成形外圈叶片。这样能保持已成形部位尺寸的稳定，同时模具结构也相对简单。?

修边、切槽、冲孔在中间阶梯拉深成形后以及叶片翻边前进行。为保证7个叶片分度均匀，修边和切槽不要逐个叶片地冲裁。?

因此叶轮的冲压成形主要有以下几种工艺方案：

?方案一：

?1)?落料；?

?? ?2)?拉深?(多次)；

??3)?整形；

? 4)?修边；

5)?切槽；

?6)?冲孔；

7)?翻边。?

方案二：?1)?落料与第一次拉复合；?

???2)?后续拉深；?

3)?整形；?

???4)?切槽、修边、冲孔复合；

???5)?翻边。?

方案三：?

1)?落料与第一次拉深复合；?

???2)?后续拉深；

?? 3)?整形；?

???4)?切槽、冲孔复合；

???5)?修边；

???6)?翻边。?

方案四：

?1)?落料与第一次拉深复合；?

???2)?后续拉深

???3)?整形；?

???4)?修边、冲孔复合；?

5)?切槽；

???6)?翻边。?

方案五：

?1)?落料与第一次拉深复合；?

???2)?后续拉深；

???3)?整形；

???4)?切槽；

???5)?修边、冲孔复合

???6)?翻边。?

方案一复合程度低，模具结构简单，安装、调试容易，但生产道次多，效率低，不适合大批量生产。?

方案二至五将落料、拉深复合，主要区别在于修边、切槽、冲孔的组合方式以及顺序不同。需要注意的是，只有当拉深件高度较高，才有可能采用落料、拉深复合模结构形式，因为浅拉深件若采用落料、拉深复合模具结构，落料凸模（同时又是拉深凹模）的壁厚太薄，强度不够。?

方案二将修边、切槽、冲孔复合，工序少，生产率最高，但模具结构复杂，安装、调试困难，同时模具强度也较低。

方案三将切槽和冲孔组合，由于所切槽与中间孔的距离较近，因此在模具结构上不容易安排，模具强度差。所以较好的组合方式应该是修边和冲孔组合，而切槽单独进行，如方案四、五。?

方案四与方案五主要区别在于一个先修边、冲孔后切槽，?一个先切槽后修边、冲孔。由于切槽与修边有相对位置关系，而所切槽尺寸比较小，如果先切槽则修边模具上不好安排定位，所以实际选择了方案四，即先修边、冲孔后切槽，然后翻边成形竖立叶片。?

⒊?主要工艺参数计算?

(1)?落料尺寸??落料尺寸即零件平面展开尺寸，叶轮零件基本形状为圆形，因此落料形状也应该为圆形，需确定的落料尺寸为圆的直径。?

带有凸缘的筒形拉深成形件，展开尺寸可按第四章有关公式计算。但根据叶轮零件图，不能直接得到凸缘尺寸。在计算落料尺寸之间，要将竖立的叶片“落料尺寸。

在凸缘件的多次拉深中，为了保证以后拉深时凸缘不参加变形，首先拉深时，拉入凹模的材料应比零件最后拉深部分所需要材料多一些（按面积计算），但叶轮相对厚度较大，可不考虑多拉材料。如果忽略材料壁厚变化，凸缘内部形状在拉深过程应满足表面积不变条件。?

?②用逼近法确定第一次拉深直径??计算见表12-2

实际拉深系数应该适当大于极限拉深系数，因此可以初步取第一次拉深直径为36mm（按料厚中心计算）。

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