錐筒零件的模具設(shè)計(jì)和工藝分析【沖壓模具設(shè)計(jì)稿】

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重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 文獻(xiàn)綜述 重 慶 理 工 大 學(xué) 文 獻(xiàn) 綜 述 二級學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 班 級 110219101 學(xué)生姓名 冉光輝 學(xué) 號 49 燈罩拉深成形分析及設(shè)計(jì)綜述 摘 要 ：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，許多新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料不斷涌現(xiàn)，因而促進(jìn)了沖壓技術(shù)的不斷革新和發(fā)展。本文從對拉深成形的分析，探討了拉深成形的沖壓工藝。沖壓生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志，因?yàn)闆_壓很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力 關(guān)鍵詞：模具 復(fù)合模 拉深 技術(shù)狀況 精度 冷擠壓 回彈變形 1 、前言 全國數(shù)家家具企業(yè)在燈罩的加工中還是采用傳統(tǒng)的以塑料位原材料的工藝進(jìn)行生產(chǎn)，存在著“三低”(材料利用率低、設(shè)備效率低及生產(chǎn)率低)和“二高”(勞動(dòng)強(qiáng)度高及制品成本高)等嚴(yán)重缺點(diǎn)。人們逐漸走上了健康、快樂、充滿新意的現(xiàn)代化室內(nèi)裝潢，鋁制燈罩代替塑料燈罩明顯不斷擴(kuò)大，與塑料燈罩相比，鋁制燈罩不僅是使用壽命長，還具有自身重量輕及外形色澤美觀等特點(diǎn)。 目前，在我國已加入世界貿(mào)易組織的形勢下，各種型號鋁制燈罩的產(chǎn)量及價(jià)格不能滿足燈具行業(yè)中劇烈競爭的要求，為了改革工藝，提高制品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，改善工人的勞動(dòng)條件及降低制品成本，經(jīng)研究表明，鋁制燈罩采用冷擠壓方法是一種行之有效的、具有高質(zhì)量、高精度、高產(chǎn)量、低消耗、低投資及低成本等優(yōu)點(diǎn)。該冷擠壓技術(shù)的出現(xiàn)，對燈具行業(yè)的大批量生產(chǎn)是一場革命[1]。 現(xiàn)在沖壓板材技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對鋁板進(jìn)行拉伸成形為復(fù)雜板件以不是一個(gè)難題，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)過程中的優(yōu)化，使其更加具有經(jīng)濟(jì)性。 2 、鋁制品的廣泛應(yīng)用 　　鋁板，顧名思義是指用鋁材或鋁合金材料制成的板型材料。或者說是由扁鋁胚經(jīng)加熱、軋延及拉直或固溶時(shí)效熱等過程制造而成的板型鋁制品。目前鋁板沖壓形成的成品有各種類型：1、照明燈飾2、太陽能反射片3、建筑外觀4、室內(nèi)裝潢：天花板，墻面等5、家具、櫥柜6、電梯7、標(biāo)牌、銘牌、箱包8、汽車內(nèi)外裝飾9、家用電器：冰箱、微波爐、音響設(shè)備等10、航空航天以及軍事方面，比如中國目前的大飛機(jī)制造，神舟飛船系列，衛(wèi)星等方面。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對壓鑄件產(chǎn)品的安全性和造型美觀的要求不斷提高。根據(jù)使用的不同，對零件的質(zhì)量的評價(jià)有所不同。具體來說，若零件在力學(xué)性能、幾何形狀、尺寸精度、縮孔、氣孔、粗糙度等方面滿足使用要求，就是合格品；零件比圖紙要求質(zhì)量稍差些，但還能勉強(qiáng)使用，該零件就是次品。如果完全不符合使用要求，該零件就是廢品。如何生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件，對節(jié)約材料、能源和縮短制造工時(shí)，提高經(jīng)濟(jì)效益都有很大的意義[2]。 3、鋁擠壓材工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 在中國把擠壓鋁材按用途分為建筑及結(jié)構(gòu)材（簡稱建筑材）與工業(yè)材（除建筑材以外的其他一切擠壓鋁材）。中國已跨過鋁擠壓強(qiáng)國門檻，自2001年成為擠壓材凈出口國以來，2005年的凈出口量324.56 kt。鋁擠壓工業(yè)的地區(qū)結(jié)構(gòu)合理，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)；全球21個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家2004年的平均工業(yè)材與建筑材之比為54：46，沒有一個(gè)國家工業(yè)材的比例達(dá)65%以上，中國2005年工業(yè)材的比例占34％，2012年的這個(gè)比例可達(dá)45％。截止到2006年底中國擁有16臺大擠壓機(jī)，總擠壓力1 170 MN，總生產(chǎn)能力約140 kt／a，不是生產(chǎn)能力與產(chǎn)量不夠，而是在品質(zhì)方面存在諸多不盡如人意。大擠壓工業(yè)型材面臨的最大挑戰(zhàn)是市場與技術(shù)，是自主創(chuàng)新力量薄弱。中國還需要增建200 MN與150 MN的工業(yè)材擠壓機(jī)各1臺[3]。 中國已建成一批如亞洲鋁業(yè)集團(tuán)、金橋鋁業(yè)公司、忠旺鋁型材公司、興發(fā)集團(tuán)、堅(jiān)美鋁業(yè)公司、鳳鋁鋁業(yè)公司、叢林鋁業(yè)公司、南山集團(tuán)等世界級的企業(yè)，也有像經(jīng)閣鋁業(yè)公司那樣的全自動(dòng)化企業(yè)。 可見鋁制板料沖壓技術(shù)將更加廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，薄型板料拉伸沖壓具有廣泛的市場前景。中國在這方面的企業(yè)將會越來越多，對這方面的研究將更加具有意義。 4、目前他人在鋁制板材沖壓成其它零件的相關(guān)研究設(shè)計(jì) 4.1 薄壁深錐零件的拉伸成形方面的研究 錐形件拉伸的特點(diǎn)：錐形件的拉伸遠(yuǎn)比圓筒形零件拉伸的難度大。1)開始時(shí)， 凸模與坯料接觸面積較小，壓力集中，接觸部分金屬變薄嚴(yán)重甚至出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。2)凸凹模之間自由面積大，此部分金屬易發(fā)生起皺現(xiàn)象。3)拉伸后，零件回彈大，不易得到尺寸精確的零件。錐形零件如圖1所示。 圖1 錐形零件 錐形件拉伸成形的難易程度與其幾何形狀、坯料的相對厚度、材料的沖壓性能值、r值等有關(guān)。薄壁深錐零件拉伸成形中，由于坯料的變形程度較大，只靠坯料與凸模接觸的局部面積傳遞變形力極易引起坯料局部過度變薄乃至破裂，所以一般需要經(jīng)過多工序拉伸使零件逐漸成形。薄壁深錐零件多工序拉伸方法有階梯過渡法、曲面過渡法、圓筒過渡法等多種方法。 薄壁深錐零件拉伸工藝進(jìn)行計(jì)算的步驟為：1）毛坯直徑的確定 2）圓筒形過渡毛坯拉伸次數(shù)的確定 3）零件錐形拉伸次數(shù)的確定。因圓筒過渡法有從口部開始逐漸成形法和從底部開始逐漸成形法兩種，零件錐形拉伸次數(shù)的確定應(yīng)按兩種方法進(jìn)行計(jì)算。 生產(chǎn)中對薄壁深錐零件的拉伸成形應(yīng)注意的事項(xiàng)：1)每次退火前，要求工件表面應(yīng)清洗干凈，不允許有油污。否則退火后工件表面被燒黑，拉伸時(shí)，工件表面容易劃傷，影響外觀，嚴(yán)重時(shí)還可能因摩擦阻力過大而產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象。2)每次拉伸后，應(yīng)將工件表面的鋁屑清洗干凈。否則在進(jìn)行下一次拉伸時(shí)，工件表面極易劃傷。3)落料時(shí)，如毛刺太大，在拉伸時(shí)將其被壓在毛坯內(nèi)，劃傷零件表面。4)每次退火后，零件表面應(yīng)涂油均勻 特別在拉伸錐形部分時(shí)，如果涂油過多，毛坯零件極易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象；如果不涂油或涂油過少，毛坯零件極易產(chǎn)生劃傷現(xiàn)象。5)生產(chǎn)所用盛具要求干凈，不允許有鐵屑、沙土等雜物，同時(shí)工件應(yīng)擺放整齊，不得重壓[4]。 可見采用上述分析方法，進(jìn)行了沖壓工藝的編制和模具設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)合理，試模一次成功，拉伸出的零件，完全滿足產(chǎn)品圖要求。以上分析方法可為薄壁等壁厚深錐零件工藝計(jì)算提供借鑒。 4.2 鋁鍋冷擠壓工藝及模具等類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 成形方法的選用。圖2為鋁鍋的形狀及尺寸。在選用冷擠壓成形方法上，有如下兩種：第1種方法：按無凸緣的直接反擠壓，其工藝過程如圖3所示。冷擠壓后，還要進(jìn)行端部翻邊工序。 圖2 鋁鍋的形狀及尺寸 圖3 第1種方法冷擠壓 a—— 下料 b一一反擠壓 c— — 翻邊 第2種方法：按留凸緣的直接反擠壓，其工藝過程如圖4所示。這樣，通過單一冷擠壓工序，就可完成制品。與第1種方法相比，不再需要端部的翻邊工序，不僅提高了生產(chǎn)效率，而還可避免制品端部翻邊。經(jīng)上述兩種冷擠壓方法比較之后，應(yīng)選用第2種冷擠壓成形方法，其生產(chǎn)工藝流程是：高速帶鋸下料——退火——酸洗——潤滑——反擠壓[1]。 圖4 第2種方法冷擠壓 a——下料 b——反擠壓 可見冷擠壓技術(shù)是一項(xiàng)少、無切屑的金屬塑性成形工藝。生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用冷擠壓工藝代替其它加工方法，可以明顯提高制件的表面質(zhì)量，減少機(jī)加工工時(shí)，節(jié)約材料，大大提高了生產(chǎn)率，達(dá)到降低制品成本的目的。 4.3 對燈罩薄殼類型——以對微型汽車的前大燈罩殼的加工工藝進(jìn)行分析 其微型汽車的前大燈罩殼模型圖5所示: 圖5 微型汽車的前大燈罩殼模型 此模型在確定沖壓方向和拉延面時(shí)應(yīng)充分考慮以下三個(gè)方面：1)保證拉延凸模能順利拉延凹模，不應(yīng)有凸模接觸不到的死區(qū)，所有拉延部位要在一次拉延中成型。2)拉延開始時(shí)，凸模和毛坯的接觸面積要大，避免點(diǎn)、線接觸，接觸部位應(yīng)在沖模中心，以保證在拉延時(shí)毛坯不易串動(dòng)。3)在確定拉延面時(shí)應(yīng)盡量保證毛坯平放，拉延面各部位進(jìn)料阻力要求均勻。其要求是有相等的拉延角和拉延深度。4)在確定拉延面時(shí)應(yīng)盡量保證沿周整形量的均勻，這樣可保證整形的效果，從而可以獲得較為準(zhǔn)確的焊接邊尺寸。綜合上述各種因素，選擇圖6所示沖壓方向和拉延面。 圖6 所示沖壓方向和拉延面 受力分析：如圖7所示，由于該件屬長盒形件，從盒形件受力分析可以看出：徑向拉應(yīng)力沿周邊分布不均勻，圓角部分最大，直邊部分最小。由于上述原因，造成如圖8所示的起皺和開裂現(xiàn)象。 圖7 長盒形件所受的應(yīng)力 圖8 起皺和開裂 拉延系數(shù)的影響因素：拉延系數(shù)的大小，隨盒型件形狀的不同而區(qū)別很大。查閱相關(guān)資料，可得以下最大一次拉延表(材料為08A1，厚度t=0．8～1．2)。轉(zhuǎn)角半徑r和對邊最小距離占最大拉延深度。 拉延系數(shù)的確定：根據(jù)以上分析，參照平底盒形件，采取倒推法。先將下一次拉延系數(shù)定為1，從而確定一次拉延深度和圓角半徑r，不夠的深度采用修邊后整型得到，工序安排如圖9所示[5]。 圖9 對平底盒形件整形和修邊 可見板型件沖壓成燈罩薄殼類型時(shí)，要對其變形的部分進(jìn)行應(yīng)力分析，來檢查成形件的缺陷，防止出現(xiàn)起皺和開裂，在后面的工序中要對成形件進(jìn)行成型和修邊。 4.4 冷擠壓模具與溫?cái)D壓模具等方面的設(shè)計(jì) 實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常采用用兩種類型的擠壓工藝，一種為冷擠壓工藝，擠壓加工時(shí)使用的模具為冷擠壓模具，在室溫下，使金屬毛坯在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生塑性變形，從而擠出所需尺寸、形狀及性能的零件；另一種為溫?cái)D壓工藝，溫?cái)D壓加工時(shí)使用的模具為溫?cái)D壓模具。將金屬毛坯加溫至金屬的再結(jié)晶溫度以下，在壓應(yīng)力狀態(tài)下使金屬產(chǎn)生變形，從而擠出所需尺寸、形狀及性能的零件。 擠壓工藝的選擇：在生產(chǎn)加工時(shí)具體采用哪一種擠壓工藝，主要是由被加工零件所采用的金屬材料的特性決定的。室溫下，如果金屬材料的塑性較好、擠壓變形抗力較低，通常采用冷擠壓加工工藝進(jìn)行加工。否則，采用溫?cái)D壓加工工藝進(jìn)行加工。冷擠壓加工時(shí)，金屬材料各種元素的含量對冷擠壓加工影響較大，通常要求金屬材料的含碳量不超過0．5％，含錳量不超過1．5％ ，含鉻量不超過1．5％，含鎳量不超過0．75％，含鉬量不超過0．5％，含硅量不超過0．3％。而且在冷擠壓加工前必須進(jìn)行中間熱處理(軟化處理)，使金屬材料軟化。因此，針對以上兩種加工工藝，在設(shè)計(jì)模具型腔時(shí)，擠壓模具設(shè)計(jì)必須充分考慮金屬的變形原理，然后對模具型腔進(jìn)行冷擠壓加工時(shí)，金屬材料(常溫狀態(tài))在壓力作用 設(shè)計(jì)和確定。由于金屬冷擠壓加工退模后，金屬回彈，下被擠入模具型腔，進(jìn)而充滿模具型腔，當(dāng)零件退出 導(dǎo)致的結(jié)果是尺寸增大，因此設(shè)計(jì)模具時(shí)，模具型腔尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)該種材料的彈性性能進(jìn)行計(jì)算，表1為幾種常用金屬材料的彈性性能系數(shù)[7]。計(jì)算出該種材料在相應(yīng)的直徑下的彈性變形量。 表1 為幾種常用金屬材料的彈性性能系數(shù)[6] 用零件成品尺寸減去相應(yīng)的彈性變形量，即可計(jì)算出相應(yīng)的模具型腔的尺寸。而溫?cái)D壓加工退模后，由于零件溫度的下降，金屬收縮，因此設(shè)計(jì)模具時(shí)，模具型腔尺寸應(yīng)根據(jù)該種材料在某一成型溫度下的線膨脹系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，表2為幾種常用金屬材料的線膨脹系數(shù)，計(jì)算出該種材料在相應(yīng)的直徑下的線膨脹量。再用零件成品尺寸加上相應(yīng)的熱膨脹量，即可計(jì)算出相應(yīng)的模具型腔的尺寸[6]。 表2 為幾種常用金屬材料的線膨脹系數(shù)[6] 可見在生產(chǎn)加工時(shí)具體采用哪一種擠壓工藝需要了解所加工零件的材料。根據(jù)材料特性，可了解到在成形過程中的零件的回彈量，對其的沖壓模具的設(shè)計(jì)具有一定參考作用[8]。 4.5 對錐形零件的設(shè)計(jì)以深雙錐形零件的沖壓工藝及模具設(shè)計(jì) 深雙錐形零件尺寸圖10所示： 圖10 深雙錐形零件尺寸圖 在深雙錐形零件的拉伸成形過程中，為了防止板料在成型過程中出現(xiàn)起皺和開裂，對其成形部分分為多道工序來加工。具體的工序步驟可見工序圖11： 圖11 工序圖 a——落料、沖壓、拉伸毛坯 b——一次沖尖毛坯 c——二次沖尖毛坯 d——三次沖尖毛坯 e——四次沖尖毛坯 f——整形毛坯 模具結(jié)構(gòu)在工作過程中造成凹模大、小錐部硬度不均勻，且硬度低，使用壽命低，為此設(shè)計(jì)了具有預(yù)緊力的組合凹模，如圖12所示。 圖12 組合凹模 1.內(nèi)腔 2.模套 校形模如圖13所示，為便于工件定位，采用凸模在下凹模在上的反沖型式，在摩擦壓力機(jī)上鐓壓校形。 圖13 校形模 1.上模座 2.墊板 3、7.螺釘 4.上壓板 5. 校形凹模 6.凸模 8.下壓板 9.下墊板 10.下模座 組合凹模由模套和內(nèi)腔組成，這樣可減少凹模大、小錐的壁厚差，有利于大小錐處淬火后硬度的一致。同時(shí)，內(nèi)腔在淬火時(shí)為保證其小錐頂部的硬度，采用圖 14 所示的方法，在內(nèi)腔浸人冷卻水的過程中，用水泵對內(nèi)腔小錐頂部進(jìn)行噴射冷卻水的同時(shí)內(nèi)腔緩慢浸人冷卻液中的辦法進(jìn)行淬火，使大、小錐的硬度得到了提高。另外在校形時(shí)，凹模所承受的沖擊力為徑向壓力，為保證凹模不致破裂，采用了對組成凹模的內(nèi)腔施加預(yù)加應(yīng)力的方法，以抵消工作時(shí)的拉應(yīng)力。預(yù)加應(yīng)力的施加一般采用過盈配合法而獲得，過盈配合的方法常用熱套法和冷壓法兩種，冷壓法可保持模套具有較高的強(qiáng)度，可獲得更大的預(yù)加應(yīng)力，操作也方便，故我廠在選取了合適的過盈量后采取冷壓法壓合而成。該凹模經(jīng)上述方法加工后，在使用中取得了理想的效果，提高了凹模的使用壽命，節(jié)約了生產(chǎn)成本[9]。 圖14 淬火冷卻方式 1.吊籃 2.凹模內(nèi)腔 3.冷卻池 4.冷卻液 5.水管 6.水泵 可見在對錐形零件的設(shè)計(jì)以深雙錐形零件的沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)中，從板料沖壓成型的不同程度來考慮需要幾次沖壓變形，有利于金屬材料微粒在變形中穩(wěn)定的流動(dòng)，同時(shí)這樣可以減少成品件的回彈變形[10]。 5 、總結(jié) 　 中國鋁擠壓工業(yè)中小的擠壓企業(yè)還是多了些，單位企業(yè)的生產(chǎn)能力比大多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家的小得多，還有相當(dāng)大的調(diào)整空間。盡管國外鋁擠壓生產(chǎn)能力大量過剩，但中國鋁擠壓材還是有相當(dāng)大的國外市場待開發(fā)。中國擠壓材有很強(qiáng)的市場競爭力，2005年出口405.1kt，出口到153個(gè)地區(qū)與國家，也就是說哪里用擠壓鋁材哪里就有“Made in China”的這類材料。當(dāng)然在出口中還有一些有待改進(jìn)之處，如材料性能的均勻性與穩(wěn)定性差一些，交貨期不能完全得到保證，運(yùn)輸過程中破損率大一些，高附加值產(chǎn)品比例較小。 可見鋁材板料拉伸成型行業(yè)還有很大的提升和發(fā)展空間，需要更多的科學(xué)技術(shù)和實(shí)踐試驗(yàn)，對此方面的課題研究是相當(dāng)有意義的。越來越多的生活用品考慮到使用鋁板沖壓成形，鋁制用品也受到人們的喜好，可見燈罩選用鋁材沖壓成型是很好的選擇，這樣更加具有經(jīng)濟(jì)性。 參考文獻(xiàn) [1] 洪慎章. 鋁鍋冷擠壓工藝及模具設(shè)計(jì).《模具制造》，2008年，第10期，62-64 [3] 王孝培.沖壓手冊 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1990 [4] 翁其金.沖壓工藝及沖模設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社， 2004 [5] 肖景容，姜奎華.沖壓工藝學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社，1988 [6] 唐德修. 薄壁金屬沖壓拉深成型工藝的研究.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008年6 月（第3期） [7] 馬正元,韓啟.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，1998 [8] 徐政坤.沖壓模具設(shè)計(jì)與制造，化學(xué)工業(yè)出版社，2001 [9] 聶蘭啟，聶伯揚(yáng). 薄壁深錐零件的拉伸成形.《模具制造》，2008 [10] 王修保，葉澤敏. 淺談冷擠壓模具與溫?cái)D壓模具設(shè)計(jì).《模具制造》，2008 [11] 文斌，桑宏利. 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