油底殼下蓋沖壓工藝分析及拉深模設(shè)計

摘 要：本文主要討論了油底殼下蓋的沖壓成形和拉深模具設(shè)計。這類零件具有高表面質(zhì)量、良好剛性、大尺寸和復(fù)雜形狀的特點。制造過程包括落料、拉深、修邊、翻邊和沖孔等多道工序，其中拉深工序是關(guān)鍵。詳細(xì)分析了沖壓件的形狀、尺寸、成形性能及毛坯尺寸，并擬定了拉深模具的基本結(jié)構(gòu)。設(shè)計中考慮了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，力求使模具結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、成本最低。通過精確計算與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合，提高了產(chǎn)品質(zhì)量、降低了成本，延長了模具壽命并提升了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：沖壓 拉深模具 沖壓工藝

沖壓工藝的應(yīng)用范圍極為廣泛，全球鋼材產(chǎn)量中有60%-70%是板材形式，而其中大部分都通過沖壓工藝加工成各種成品。例如，汽車的車身、底盤、油箱和散熱器片，常見的五金件，儀器儀表的外殼，臺式機(jī)的機(jī)箱，容器的外殼，以及電器中的鐵芯硅鋼片等，都是采用沖壓加工技術(shù)制造的。

沖壓工藝規(guī)劃在確定完成一個沖壓件所需的工序數(shù)量及其具體內(nèi)容方面起著關(guān)鍵作用，這對沖模的設(shè)計、生產(chǎn)以及調(diào)試過程有深遠(yuǎn)影響。通過優(yōu)化沖壓工藝規(guī)劃，可以有效減少模具的制造周期，降低其成本，并確保沖壓件的質(zhì)量。可以說，沖壓工藝規(guī)劃的質(zhì)量在很大程度上決定了模具的整體質(zhì)量。

油底殼下蓋是用于保護(hù)油箱的部件，其外觀質(zhì)量要求相對較低。該零件尺寸較大，形狀復(fù)雜，屬于大型覆蓋件，因此成型過程較為困難。本文主分析油底殼下蓋沖壓工藝性，擬訂合適的工藝方案，再通過計算各工序壓力，最終確定模具類型及結(jié)構(gòu)形式。

1 沖壓工藝性分析

本文所述的制件是基于圖1所示的半成品進(jìn)行沖壓加工的。該零件在整體尺寸886×600mm，屬于較大尺寸的零件。形狀相對復(fù)雜，左右兩側(cè)呈軸對稱，但前后方向并不對稱。零件上有一個20×45°毫米大小的凸包區(qū)域，這一區(qū)域具有較大的圓角半徑，屬于復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)。該零件深度分布不均勻，屬于拉深范疇。

油底殼下蓋制造過程中，一些關(guān)鍵尺寸采用自由公差。對于非圓形件，則按照國家標(biāo)準(zhǔn)“非配合尺寸的公差數(shù)值”中的IT14精度進(jìn)行處理。此零件未標(biāo)注的公差也按IT14精度查取，并遵循入體原則（即確保零件體積最?。?。

油底殼下蓋采用1.5±0.03mm厚的08鋼板，拉深成形為整體輪廓尺寸，此時，即保證了足夠的強(qiáng)度和剛度，根據(jù)制件的技術(shù)要求，進(jìn)行沖壓工藝性分析，可以認(rèn)為，該制件屬大型覆蓋件，同時帶有部分凸包，系復(fù)雜的制件。

油底殼下蓋采用08進(jìn)行制造。08鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，該板料塑性較好，對修邊、拉深、沖孔等工藝都比較合適。零件厚度為1.5±0.05mm，對該零件的尺寸來說，成型比較容易。

該制件是由先由拉深模具拉深再經(jīng)落料沖孔模加工而成，從模具制造方面來看，考慮模具設(shè)計、模具生產(chǎn)成本和周期，要求該制件批量生產(chǎn)，才能取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在實際生產(chǎn)中，拉深時該制件的每小時生產(chǎn)量為130件，單件定額為0.96，沖孔修邊時每小時生產(chǎn)量為140件，單件定額為1.29。

2 工藝方案的分析比較及確定

該制件形狀較復(fù)雜，所以按照形狀復(fù)雜的拉深件毛坯尺寸計算方法進(jìn)行計算。

2.1 毛坯展開尺寸計算

修邊余量Δh的確定，類比到盒形件，根據(jù)文獻(xiàn)[1]表4-24得到（圖紙要求的盒形件高度）=40mm，（盒形件側(cè)壁間的圓角半徑）=30mm。計算毛坯尺寸，由于制件的外形較為復(fù)雜，采用類比公式計算比較復(fù)雜，類比到彎曲件長度L=1145.4mm；寬度B=892.6mm。測量結(jié)果在未計算制件中部分凸起的部位，另外制件在拉伸過程中需要壓邊，其中壓邊面積也未做計算，故理論上計算的尺寸并不能滿足實際的需要，毛坯的最終需在不斷的試模調(diào)試中完成。調(diào)試的最終尺寸為1240×950mm。

2.2 工序組合及其方案分析比較

沖壓該零件，需要的基本工序和次數(shù)有：拉深、修邊、沖孔、沖缺口、首次壓彎、二次壓彎成形、三次壓彎成形、沖8個Φ16和2個Φ14的側(cè)孔、鉆兩個孔。根據(jù)以上這些工序作出下列幾種組合方案如表1所示。

對以上幾種方案進(jìn)行比較，得到如下方案。

方案1：將成形工序分開，有利于降低作用力和提高模具壽命，同時模具結(jié)構(gòu)相對簡單，操作也較方便，但是須設(shè)計九套模具，浪費材料，同時關(guān)鍵部位的定位要求較高，影響制件精度，生產(chǎn)效率不高。

方案2：減少一套模具，節(jié)省了工序和設(shè)備，可以提高生產(chǎn)效率，但是制件質(zhì)量不能保證，精度較差。

方案3：減少一套模具，但是模具的制造和設(shè)計比較復(fù)雜，定位操作也不方便。

方案4：模具設(shè)計合理，同時二次拉深成形與三次拉深成形兩套模具可裝在同一臺設(shè)備上，節(jié)省了設(shè)備，也簡化了工序，同時沖孔、鉆孔安排在彎曲成形后進(jìn)行，可以保證零件的各孔尺寸，采用鉆孔也減少了一套沖孔模，缺點是成形后沖孔，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

方案5：減少一套模具，節(jié)省了設(shè)備和空間，但是，該方案的彎曲工序均安排在沖孔、鉆孔以后進(jìn)行，彎曲回彈后孔距不易保證，影響制件精度。

通過以上的方案分析，從生產(chǎn)效率、模具結(jié)構(gòu)和模具壽命方面綜合考慮：采用方案4比較合理。

2.3 拉深次數(shù)的確定

類比低盒形件的拉深進(jìn)行計算，制件高度41.2mm，制件寬度892.6mm，相對高度0.05； 角部的相對圓角半徑0.03，毛坯的相對厚度0.16，根據(jù)文獻(xiàn)[1]表4-26查得在一道工序內(nèi)所能拉深的矩形盒的最大相對高度為0.35，該工件的相對高度為0.05，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大相對高度可一次拉深成形，而且大型覆蓋零件不希望多次拉深，所以零件采用一次拉深成形辦法進(jìn)行拉深成形。

2.4 核算角部拉深系數(shù)

對于低盒形件，由于圓角部分對直邊部分的影響相對較小，圓角處的變形最大，故變形程度用圓角處的假想拉深系數(shù)來表示：

式中—角部的圓角半徑；—毛坯圓角部分的假象半徑由制件的尺寸可知，=41.2mm，=30mm，則m=0.6根據(jù)文獻(xiàn)[1]表4-27盒形件角部的第一次拉深系數(shù)，角部的相對圓角半徑0.03，毛坯的相對厚度0.16查得，則時，可一次拉深成形。故校核角部的拉深系數(shù)成功。可知一次拉深平板即可成形。

3 拉深模具刃口部分尺寸計算

模具刃口尺寸精度是影響沖裁件尺寸精度的首要因素，模具的合理間隙值也要靠模具刃口尺寸及其公差來保證。

3.1 凸、凹模圓角半徑的確定

本制件成形時有拉深成形、彎曲成形部分，對拉深、彎曲部分分別進(jìn)行凸、凹模圓角半徑的確定，根據(jù)成形后零件要求的外形尺寸，拉深部分圓角半徑?。?30mm，即取凹模圓角半徑等于拉深制件的圓角半徑，而凸模圓角半徑可取與凹模圓角半徑相等或略小的數(shù)值，查《沖壓手冊》[1]得：

故取=28mm。

彎曲部分圓角半徑?。?20mm，=

60mm，=6mm，即取凸模圓角半徑等于彎曲部分的圓角半徑，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，第150頁，凹模的圓角半徑與凹模的深度，可查表3-20。對于本V形凹模底部可取圓角半徑為：

其中——凸模圓角半徑；——板料彎曲部分的尺寸得=309.9mm。

此值為理論計算數(shù)值，在實際應(yīng)用中，一則由于板料是在彎曲、拉深共同作用下完成的，且拉深深度較低，二則制件精度在IT14級，即制件精度底，故凹模圓角半徑直接取與凸模圓角半徑相同的數(shù)值，不影響制件的質(zhì)量。故取凹模圓角半徑為

==20mm；==60mm；=

=6mm。

3.2 凸、凹模間隙的確定

拉深模的間隙是指凸、凹模間橫向尺寸之差值。它影響拉深件質(zhì)量、拉深力的大小以及模具的壽命。

根據(jù)《沖壓工藝及模具設(shè)計》[3]可得：確定間隙大小的一般原則是：既要考慮板料公差的影響，又要考慮拉深件口部增厚現(xiàn)象。因此，間隙值一般比毛坯厚度略大一些。

由于制件四周為拉深成形，類比到盒形件，一般盒形件要求精度不高時，由文獻(xiàn)[1]知用壓邊圈時凸、凹模單邊間隙值由文獻(xiàn)[1]知：

式中—板料厚度的最大極限尺寸；—板料厚度的基本尺寸（厚度單位均為mm）—間隙系數(shù)，見表4-73。由文獻(xiàn)[1]查得=0.2。板料厚度為1.5±0.05mm，則=1.55mm。=1.639mm，取=1.64mm。則圓角部分要變厚，應(yīng)使其間隙值比直邊部分間隙值大，即

mm

3.3 模具工作尺寸計算

拉深后的工件如圖2所示：確定凸模和凹模工作部分尺寸時，應(yīng)考慮模具的磨損和拉深件的回彈。非圓形凸凹模的制造公差、根據(jù)拉深件公差等級選定。零件公差為IT13級以上者，采用IT6～8級；零件公差為IT14級以下者，采用IT10級。但若采用配合時，只在凸?；虬寄Ｉ蠘?biāo)注公差，另一方按間隙配合。如拉深件是標(biāo)注外形尺寸時，在凹模上標(biāo)注公差；反之，標(biāo)注內(nèi)形尺寸時，則在凸模上標(biāo)注公差。在這個設(shè)計里采用的是凸凹模配合加工，所以凸凹模的工作部分只標(biāo)其中的一個方，另一方按配合間隙。

外形尺寸部分，設(shè)計凸、凹模時，應(yīng)以凹模尺寸為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，類比到圓筒件的拉深過程，根據(jù)《沖壓手冊》[1]表4-75，得如下公式：

并且工件的公差按IT14級精度，以下參數(shù)的單位均為mm，式中—凹模尺寸；—工件的最大外形尺寸；—拉深件的制造公差；—凹模的制造公差；—凸模的制造公差；—凸、凹模的單邊間隙。根據(jù)文獻(xiàn)[2]表4-7得，=0.08，=0.05凸、凹模的制造公差由文獻(xiàn)[3]第268頁附表2-1查得各尺寸的標(biāo)準(zhǔn)公差Δ后，計算凸、凹模結(jié)果如下：

=79.45mm；=170.25mm；=349.95mm；=204.14mm；=

1088.05mm板料厚度為1.5±0.05mm，則=1.55mm，==1.639，取=1.64mm，=1.45mm，=+

=1.45+0.21.5=1.54mm

該零件凸模刃口各部分尺寸按上述凹模的相應(yīng)部分尺寸配制，保證單面間隙值1.54～1.64mm。取單面間隙值1.60mm，雙面間隙3.20mm，由公式計算凸模對應(yīng)尺寸76.25mm；167.05mm；346.75mm；200.94mm；1084.85mm

內(nèi)形尺寸部分類比到盒形件的局部拉深成形（類似于脹形凸包），由于此標(biāo)注尺寸為外形尺寸，在凹模上標(biāo)注公差。根據(jù)文獻(xiàn)[2]表4-7得，=0.08，=0.05。根據(jù)文獻(xiàn)[1]表4-75可得如下公式（工件的公差按IT14級精度，下式中參數(shù)的單位均為mm）：

式中—工件的最大外形尺寸，—拉深件的制造公差，—凹模尺寸，—凹模的制造公差，計算結(jié)果如下：

159.25mm；269.02mm；130.25mm；129.25mm板料厚度為1.5±0.05mm，則1.55mm。1.639，取mm。mm，mm該零件凸模刃口各部分尺寸按上述凹模的相應(yīng)部分尺寸配制，保證單面間隙值1.54～1.64mm。上面所述A、B、C分別為制件的周邊、大凸包1、小凸包2，其中帶有圓角的小凸包不考慮，取與之間外形尺寸相等即可。因在后續(xù)加工中，此處將在修邊工序中切除部分。

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

拉深模的凸模、凹模、壓邊圈都采用鑄件，要求既要減輕重量又要有足夠的強(qiáng)度和剛度，因此鑄件上非重要部分應(yīng)挖空，同時在影響強(qiáng)度和剛度的部位應(yīng)加肋，以保證工件的強(qiáng)度和剛度。

4.1 凸模設(shè)計

需要加工的零件為復(fù)雜外形的拉深件，凸模的設(shè)計主要根據(jù)制件形狀和尺寸設(shè)計出來，其各部分圓角尺寸均與工件圖上相同。如圖1和圖3所示。

4.2 凹模設(shè)計

凹模固定在下模板上，凹模的材料也是鎳鉻鑄鐵，即QT50-5。凹模的設(shè)計如圖4所示。

4.3 壓料板的設(shè)計

壓料板的設(shè)計是為了防止在拉深過程中，工件的邊緣或凸緣起皺，應(yīng)使毛坯被拉入凹模圓角以前，保持穩(wěn)定狀態(tài)。由上述判斷可知，必須使用壓邊圈進(jìn)行壓邊，本設(shè)計采用剛性壓邊圈（如圖5所示），固定在上模板上，壓料板的材料為QT50-5。

4.4 頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計

由于工件尺寸較大，采用在工件底部凸臺部位安裝頂出裝置——頂出器，同時它也起到凹模的成形功能，當(dāng)凸模回程時，壓邊圈也隨之上移，制件落在凹模及定出器上。此時，在下面氣墊的作用下，推動打桿，使頂出器向上移動，把制件推出。頂出器如圖6所示。

4.5 下底板的設(shè)計

利用下底板可以更好地將凹模固定到拉深設(shè)備上。四個螺釘將凹模緊固在下底板上，下底板的材料為灰鑄鐵HT250，如圖7所示。

4.6 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計

凸模和壓邊圈間采用導(dǎo)板固定到凸模的四壁上，導(dǎo)板下側(cè)有的傾角，起到導(dǎo)向的作用，板上開有四個沉頭螺釘孔，使用時，用沉頭螺釘將其固定到凸模上，隨凸模一起上下運(yùn)動。側(cè)面設(shè)有油槽，儲存潤滑油來潤滑，減小摩擦，使其起到更好的導(dǎo)向作用，材料為45鋼。設(shè)計如圖8所示。

5 結(jié)論

板料沖壓成形最終目的是為了獲得高質(zhì)量的沖壓產(chǎn)品[4]。通過對零件的材料性能、用途、形狀、尺寸精度要求等的分析，對多種沖壓成性工藝方案的比較，并能從中選擇出最理想的工藝方案計算確定各工序所需的沖壓力及凸、凹模工作尺寸，最終完成了油底殼下蓋拉深模具的設(shè)計，為同類覆蓋件拉深模具設(shè)計提供有益的借鑒。

基金項目：本文得到江蘇省高職院校教師專業(yè)帶頭人高端研修項目資助（項目編號：2023GRFX066）。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王樹勛.典型模具結(jié)構(gòu)圖冊[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005：6-56.

[4]王春武，范雨昳，劉寧，等.熱等靜壓用半球形鋼包套的拉深模具設(shè)計[J].模具技術(shù)，2022（01）：28-32.