轴承端盖冲压工艺分析及冲压模具设计

1 工件工艺分析

1)需要加工的零件是轴承端盖，零件的制作材料为08F钢，生产要求为中小批量，材料厚度为1.5mm，工件CAD图如图1所示。08F钢是优质碳素结构钢，碳的质量百分数是0.07%～0.14%，属于低碳钢。该材料的抗剪切强度为220～310MPa，屈服点为o's=180MPa，材料的抗拉强度为280～390MPa，材料的塑性和焊接性都比较好，非常适合冲裁。

图1 工件

2)所给的零件图上面没有标注出来的公差等级是属于自由尺寸。一律将其按照IT12级来进行制造。因为所给零件尺寸小，厚度一般，形状比较简单，所以属于普通的冲压件。

3)就零件的外形来看，要完成对该零件的冲压制造需要3步工序，分别是落料、拉深、切边。有3种工艺方案可供选择。方案1：落料—拉深—切边，单工序加工；方案2：落料—拉深—切边，复合生产；方案3：拉深—落料，级进模加工。这3种方案分析为：方案1的模具制造起来方便简单，但是用方案1把零件加工完成需要3道工序，每道工序1套模具就是3套模具，在生产过程中搬运半成品就会浪费太多财力，生产效率低，工件最后的精度也无法保证；方案2的模具容易制造，与方案1相比工序少了1道，也就少了1套模具，节约了搬运半成品的时间和财力投入，并且生产效率和工件的质量和精度都比较容易得到保证；方案3虽然工序只有1道，但能保证工件最后的精度，效率方面也不低。然而它的模具制作起来却特别复杂，难以制造，成本较高。通过从生产效率、制作成本、工件精度等多方面对3个方案的比较分析，本次设计最终确定采用方案2。

2 重要工艺分析和设计

2.1 展开尺寸计算

通常按照毛坯面积和制件面积相等的设计准则来确定拉伸零件的毛坯展开尺寸。想要预先精确的计算出拉深零件的毛坯尺寸是很难的。主要是因为需要拉深的零件壁部在拉深的过程里，厚薄不一样。此外，还与毛坯是否退火、凸凹模间隙的大小以及压边力大小等因素有关。所以，要保证拉深件高度完全一致较难，经常需要用到修边工序，把凸出的部分切去。因此在算毛坯以前，必须考虑到切边余量。工件拉伸形状为锥形，要按直筒形拉伸计算展开尺寸，选择其截面梯形的中间尺寸计算：d=(20+33.47)/2=26.735,根据工件相对凸缘直径 dφ/d=60/（26.735+1.5）=2.125，查表的修边余量为1.8mm。

产品展开尺寸计算公式：D2=dφ2-0.72d(rg+rφ)-0.56rg2+0.56rφ2+4dH=63.62-0.72×28.235×（2.75+3.75）-0.56×2.752+0.56×3.752+4×28.235×18.5=6005.8502得D=77.4974，这个尺寸只为计算结果，实际生产中还需要进行调节。我们先取φ77.5mm来设计模具。

2.2 拉深次数计算

接下来进行拉深次数的确定，判断是否可以一次拉深成功。H/d=18.5/28.235=0.6375 m=d/D=28.235/77.5=0.3643根据以上数据查表得首次拉深系数m1=0.40，由于m1＞0.3643（实际拉深系数），且本次课题拉伸形状为锥形，在模具冲压时，凸模刚接触产品时，凸模与凹模的间隙较大，所以一次拉伸能够实现该锥形拉伸件[1]。

2.3 排样设计和计算

排样图如图2所示，排样遵循的原则和需考虑的因素如下：1）以能提高材料的利用率为原则。2）必须保证冲压的工件质量和冲压件对纤维板料的方向要求。考虑到使模具的结构简单、寿命要长，要让工作时操作起方便容易，并且安全，所以应按照规定的材料厚度，确定搭边工作间距a1为1.5mm，a为1.8mm。送料步距就是板料在模具工作时每次冲压前板料前进的距离，A=77.5+1.5=79mm采用定位销进行定距，步距精度经经验估算得到步距公差为正负0.05mm。

图2 排样图

如果用到孔来定距离时，条料宽度B=(77.5+2×1.8)-0.5=81.1-0.5mm。一个步距内材料利用率计算公式为η=nF/Bs×100%=1×3.14×77.5×77.5/79×81.1×4×100%=73.591%[2]。

对照计算结果，此次选择的排料方式符合使用要求，并达到一定的节省条料的要求，同时可以中小批量生产。

2.4 工件冲压力计算

首先计算落料拉深复合模的工艺力。落料力F=KLδε，带入数据计算结果为147.106kN。如果用理论知识来计算拉深力，会非常的复杂，所以在实际设计中经常用经验来计算。根据经验计算有几个立足点，拉深力的数值大小不能超过拉深件的危险断面的断裂力；用K来表示断裂和拉深力的比值大小；被拉深工件的形状和变形的方式会对K值造成一定的影响，K值一般由实验来确定。拉深力P=3.14Kd1tδ，代入数据计算结果为46.951kN。在拉深过程中压边力起防皱的作用，压边力要适当，在保证变形区不起皱的前提下，尽量选用较小的压边力。压边力计算后约等于10.089kN。卸料力和顶件力在实际生活中经常用以下公式计算。卸料力F=k卸F，顶件力F=k顶F[3]。计算得卸料力58.84kN，顶件力8.82kN。落料拉深总冲压力为147.106+46.951+10.089+58.84+8.82=271.806kN

切边模具中需要进行计算的冲压工艺力是切边力和卸料力，其计算公式和上述落料拉深模计算公式相同，只是需要选取的系数不同。经计算得切边力113.89kN，卸料力为5.69kN，切边模总冲裁力是119.58kN。因为这个工件结构简单，形状对称和受力也平衡，因此压力中心就是工件的中心，也就是模具的中心。切边模相似落料拉伸模，切边圆形对称，所以切边模压力中心与模具中心吻合。

2.5 压力中心确定

在冲压的时候，各种冲压力的合力作用点位置叫做模具压力中心。要使模具和压力机能够正常进行工作，必须保证冲压模具的压力中心要与使用的压力机的滑块的中心能够相重合，不然就会引起不好的后果。会让冲压模具和滑块在冲裁时产生一定的偏心载荷，并且导致压力机滑块和导轨间造成巨大的磨损，还有冲压模具的导向零件磨损速度也会加快，进而使冲压模具和压力机的使用寿命缩短。因为这个工件结构简单，形状对称和受力也平衡，因此压力中心就是工件的中心，也就是模具的中心。切边模相似落料拉伸模，切边圆形对称，所以切边模压力中心与模具中心吻合。

3 主要零件的设计和标准件选用

3.1 凸、凹模刃口尺寸计算

在模具制造时，先根据尺寸以及公差生产出凸模或者凹模二者任何一个，然后在以生产出来的为基准选取最小的合适间隙来做另一个，这种加工的方法我们叫它配合加工法。本次设计选择的双边间隙为0.10～0.12。落料凹模的尺寸按照下面公式计算：落料时凹模 Dp= （Dmax-XΔ）-δp，落料时凸模 Ah= （Dmax-XΔ-Zmin）-δp[4]。 经计算落料凹模尺寸：Dp=77.7-0.5 × 0.4=77.5+-00.12。落料凸模尺寸：Ah1=77.5-0.15=77.35-00.02。同样切边凹模尺寸：Dp=60.2-0.5×0.4= 60 +- 00.02。切边凸模尺寸：Ah1=60-0.15= 59.85°-0.02。

3.2 拉深凸模设计

凸模的材料采用Cr12MoV，淬火硬度达到58～62HRC。结构上选用台阶式凸模，凸模与固定板之间采用过盈配合的方式，与下模板连接。拉深凸模CAD图如图3所示。

图3 拉深凸模

3.3 拉深凸凹模设计

凸凹模材料选用Cr12MoV，淬火硬度达到58～62HRC。采用台阶式，与固定板之间采用过盈配合的方式，与上模板连接。拉深凸凹模CAD图如图4所示。

图4 拉深凸凹模

3.4 落料凹模的设计

凹模材料选用Cr12MoV，淬火硬度达到58～62HRC。凹模采用螺钉固定结构，与下模板配合，这样简化了模具的结构，节省了材料的成本。外形尺寸如图5所示，凹模反面加工台阶，保证其高度，方便顶料。凹模的周界查书由《冷冲压工艺与模具设计》得出凹模周界的计算公式为厚度H=Kb（≥15mm）。H=0.52×77.5=40.3mm，取 H=43mm。 凹模壁厚 c=（1.0～1.5）H（≥30～40mm）。 由《模具设计指导》得到较为靠近的凹模周界尺寸为Φ180mm。

图5 落料凹模

3.5 切边凸、凹模设计

切边凸模CAD图如图6所示。凸模材料选用Cr12MoV，淬火硬度达到58～62HRC。采用台阶式凸模，凸模与固定板采用过盈配合的方式，与下模板连接，中间加工台阶，与定位块过渡配合，用螺钉固定，保证台阶孔与外圆同心，确保定位准确：切边凹模的设计和落料凹模的设计一致，只是参考的系数不同。根据上面落料凹模的设计，可以计算出落料凹模尺寸为φ40mm×160mm，材料也为Cr12MoV。

图6 切边凸模

3.6 选择标准模架

落料凹模的周界尺寸和模架闭合高度在170～210mm之间，可以查《中国模具设计大典》来选用模架：11#中间导柱圆形标准GB/T2851.1—1990，上模座厚度为40mm，下模座厚度为45mm，导 柱 φ32mm×180mm，φ35mm×180mm。 凹 模 垫 板 φ180mm×10mm，卸料板 φ180mm×15mm，上垫板 φ180mm×8mm[5]。

因为凹模的周界尺寸和模架的闭合高度在160～200mm之间，经查《中国模具设计大典》选用模架：9#中间导柱圆形标准GB/T2851.1—1990，上模座厚度 35mm，下模座厚度 40mm，导柱φ32mm×160mm，φ28mm×160mm。下垫板 φ160mm×10mm，卸料板φ160mm×18mm，上垫板 φ160mm×10mm[5]。

3.7 选择导向装置

这次设计的模具的导向装置运用的是圆柱形导柱式和导套式，而导柱和导套二者的配合方式为间隙配合，它们配合的精度是H7/R6。因为导柱和导套之间会容易发生相对滑动，从而配合的表面必须有非常高的强度和韧性。所以材料选用20钢，表面经渗碳淬火处理后硬度为45～48HRC。

导柱选用GB2861.2-81中的B型导柱，直径d=32mm、d=35mm,极限偏差为R7、长度为L=180mm。导套选用GB2861.2-81中的 A 型导柱，直径 d=32mm、D=45mm；d=35mm、D=50mm；极限偏差为H7、长度为L=80mm。

4 冲压设备选择和校核

4.1 选择压力机

根据模具闭合高度，模具外形大小及总的冲裁力，初步确定压力机的型号。根据F公称≥F总，还有模具外形大小，暂时确定压力机的型号：JG23—40。

4.2 校核压力机

所选压力机的最大装模高度为300mm，闭合高度的调节量为ΔH=80mm。Hmin=300-80=220mm。落料拉伸模具的闭合高度为 207。 由公式：(Hmax-ΔH)-5≥H≥(Hmin-ΔH)+10， 得 215≥207≥150。落料拉伸模高度符合要求，同理也计算出切边模高度也符合要求。所选的压力机工作台尺寸为：左右630mm，前后420mm。落料拉伸模具的外形尺寸为：380mm×270mm，切边模具外形尺寸为340mm×230mm。所以工作台面尺寸满足要求。本次设计选用的压力机的滑块行程为80mm，远远超过产品所需要的拉深高度，所以满足要求。综上，所选压力机JG23-40满足需要。