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厚板料、高强度、高精度冲压件的模具设计方案
浏览: 发布日期:2019-09-15
1    离合器壳体结构设计与分析
某款离合器壳体为 4 台阶圆盘形结构,如图 1 所示,开放圆筒形阶梯结构,16 个装配安装孔呈中 心对称分布,翻边、成形使钢板材料呈现压缩类和 伸长类组合的不封闭曲线翻边结构形式。
 
第 3 级台阶处有 12 条加强筋呈中心对称,如图2 所示,结构复杂,需多次拉深、精密冲孔和整形,冲 压生产工艺复杂。
离合器壳体的最大外径为ϕ480 mm,拉深深度分别为 28、18 mm,结构尺寸为多台阶开放圆筒形阶 梯拉深,周向拉深深度不同,如图 3 所示。翻边高度47 mm,采取压缩类和伸长类组合的不封闭曲线翻 边工艺成形 ,零件翻边成波浪筒形 ,成形工艺复杂。
零件材料为SPHE钢板,是一种深冲用热轧软钢板及钢带,对应国内钢号08AL,材料厚度 7 mm。
 
抗拉强度≥270 MPa,成形内圆角尺寸为 R7 mm。成形零件属于高强度冲压,且成形面积大,必须采 用大型压力机,冲压工艺要求高。
离合器属于整车传动系统的零件,其装配尺寸 和结构尺寸要求高,属于高精度冲压,零件成形同 轴度<ϕ1 mm,装配孔相对中心孔尺寸位置度公差≤0.5 mm,周向角度公差±20′。
 
 
2    离合器壳体冲压成形工艺分析与设计
 
通过对零件进行分析并制定了成形工艺,主要 由压形、拉深和翻边 3 个工艺组成。采用工艺分析 图样分解计算,首先对整体拉深的形式简化工艺计 算。将零件拆解成 A 和 B 2 个不同的单元分别进行 计算,如图 4 所示。
 
(1)分析并计算毛坯尺寸。拉深件所有尺寸按 照 材 料 厚 度 中 线 计 算 ,如 图 5 所 示 ,d1  直 径 为 ϕ401 mm,d2 直径为ϕ473 mm,采用最大尺寸计算;一级台阶拉深尺寸 h1 为 33.5 mm,二级台阶翻边尺 寸 h2 为 43.5 mm。
 
 
A 部分尺寸计算:采用公式 DA2=d2  +4(d1×h1+d2×h2)计算可得理论参考值 DA≈599.8 mm,经过实际试制后确定采用直径 DA 为 566 mm,小于理论计算值, 考虑图 5 中 h2=43.5 mm 翻边部分可按拉深近似值计 算,计算过程中毛坯直径取 DA=590 mm。
B 部分尺寸计算:根据零件尺寸结构 R=r,如图 6 所示,B 部分毛坯直径尺寸:采用公式 DB2=d2 +4× d1 ×H-3.44r×d1,其中 H=23.5 mm,计算可得理论参 考值 DB≈503.6 mm,经过实际试制后确定采用毛坯 直径 DB 为 566 mm,计算过程中毛坯直径取 DB=500 mm。
 
综合 A、B 部分结构尺寸,经过整合计算初步确 定了毛坯尺寸,实际尺寸通过试制后核算验证。在 剪板和排样时考虑到板材的材料纤维方向,设计了 经济的剪板排样和料片排样尺寸 535 mm× 535 mm。
 
(2)拉深工艺方案分析。零件是带凸缘圆筒形件,由压形、拉深和翻边 3 种工艺成形,为简化计算, 将压形部分视为拉深,如图 9 所示。此处只计算 h1、H 部分的拉深系数和拉深次数以决定模具数量,计算过程为:
 
①h1、H是同一起始平面进行拉深的不同 高度尺寸,按照同类冲压件生产经验分析可采用 1 次拉深成形;
 
②拉深内圆角R7mm(材料厚度7mm);
 
③材料的相对厚度:100t/D=100×7/500=1.4;拉 深 系 数 m=(d + 2t)/d=(394 + 2 × 7)/480=408/480=0.85,其中,厚度 t=7 mm;DB=500 mm;
 
④通过材料相 对厚度和拉深系数的计算,确定可以 1 次拉深成形, 采用压边圈不会出现起皱现象;
 
⑤有压边圈拉深力 按公式 F 拉=πdtRmK1 计算,其中,d 为拉深件直径(中 线),取 394+7=401 mm;t 为料厚,7 mm;Rm 为材料抗 拉强度,取 270 MPa;K1 为系数,取 1.1;计算可得:F 拉=3.14×401×7×270×1.1= 2 617 752.06 N;
 
⑥翻边力采用公式 F 翻 =0.7KBt2Rm/R+t,按 U 形弯曲力计算,其 中,K 为安全系数,取 1.3;B 为翻边宽度,计算约为 1 350 mm;Rm 为材料抗拉强度 ,270 MPa;t 为料厚,7mm;R 为内圆角,取 7 mm。计算可得:F 翻=0.7×1.3×1350 × 49 × 270/14=1 160 932.5 N;⑦ 设 备 F 总 =1.2(F 拉+F 翻)=1.2×3 778 684.56 N=4 534 421.472 N,即F 总>5 000 kN;⑧综合以上分析和计算,离合器壳体 冲压工艺流程设计如表 1 所示。
 
3    工艺设计存在的问题和解决方案
 
3.1    工艺设计存在的问题
 
 
设计评审是模具工艺设计的关键环节,一般在工艺流程完成后组织内部评审,在公司的生产实践 中验证该工艺方案的可行性,可以开展模具设计和 制造。该工艺通过评审结合生产实际存在一些问 题,具体如下。
 
 
(1)成形工序除壳体 R 角外,其余尺寸直接翻 边为设计要求的波浪直筒形状。壳体基本尺寸与产品设计尺寸一致,材料的弹性变形、模具翻边间 隙、钢板纤维方向等因素,导致离合器盖翻边后直 径尺寸呈不规则回弹变形,实际成形时,壳体的直 径尺寸易波动。
 
(2)后工序以离合器盖内型腔和辅助定位为 基准进行二次整形、冲中心孔、精压、校平等加工时,离合器盖不能顺利放入模具内,不能准确定位,通过模具工作时将离合器盖压入模具内并随形自 找正,容易造成放件、取件困难,并使离合器盖、模 具凹模、凸模拉伤严重,模具需频繁抛光维修,离合 器盖圆度、直径尺寸、壁厚存在差异。
 
3.2    工艺优化解决方案
 
分析审核意见后进行工艺改进、模具结构优 化、缩短工艺路线、降低加工误差,尽量做到关键尺 寸一步工序完成。主要工艺优化了成形和整形校平 2 道工序:①改进冲压工艺和模具结构设计,在成形 工序中将钢板料片预翻边为波浪锥筒形状;②在整 形校平工序通过 2 次翻边和内反镦校平,冲压零件最 终成为波浪直筒形状[4],改进后工序如表 2 所示。
 
3.3    问题改进效果
 
(1)冲压成形工序:零件预成形翻边为波浪锥 筒形状,精压冲孔及整形校平以离合器盖内型腔为 定位基准,利用锥体形状有自定位的特点,加上相应的辅助定位,使定位、放件、取件更准确、容易,减小了离合器盖 2 次定位产生的冲压加工误差。
 
表 2 冲压工艺改进前后对比
 
(2)整形校平工序:通过 2 次翻边和内反镦校平,离合器盖成为波浪直筒形状,成形零件的直径 等关键尺寸 1 次成形达到设计要求。
 
(3)上述 2 道关键工序的凹模、凸模均采用了分 体结构以便维修、调整,凹模镶件使用表面 TD 处理 技术改善翻边时零件拉伤情况和模具零件的磨损, 零件的同轴度、尺寸精度和外观质量均得到有效改善。
 
4    模具结构设计和问题分析
根据零件结构和工艺流程的分析进行了模具 结构设计,以下重点介绍工序③的成形模、工序⑤ 的精压冲孔和工序⑧的整形校平 3  副模具结构。
4.1    成形模设计
成形模设计时在离合器壳体的翻边部分与轴 向设计夹角,翻边为波浪锥筒形,锥顶为离合器盖 的直径尺寸,模具结构如图 10 所示,角度的选择主 要基于以下 2 个方面。
(1)利用锥体形状有自定位的特点,加上相应 的辅助定位,在后工序(整形校平)2 次翻边时,以离 合器壳体内型腔定位能够顺利放入模具凸模上,能 准确定位减小误差,操作时容易放件、取件。
 
(2)翻边角度如果取得太小,离合器壳体翻边 后接近波浪直筒,改进前的缺点依然会存在;翻边 角度如果取得较大,则无法准确定位。改进后的整 形校平工序是 2 次翻边与校平同时进行,离合器壳 体的直径等关键尺寸一步完成达到零件设计的波 浪直筒形,为减少回弹保证尺寸精度,模具零件间隙设计很小,增加了 2 次翻边的难度,也增大了模具零件磨损和离合器壳体拉伤的概率。
 
通过以上分析,翻边角度的选取应在以下范围 内较适宜:锥顶半径-锥底半径≈(0.5~0.6)t,其中 t 为 材料厚度,既符合锥体自定位的特点,又可减少 2 次 翻边的难度。经计算求得整数单边角度为 4°,取值约为 0.53(t  此时壳体波浪锥筒形的锥底比锥顶单边大 3.7 mm,材料厚度 7 mm)
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