冲压模具设计实例讲解

第二节冲压工艺与模具设计实例

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

mm的凸包定位且焊接组合在车架的电气元件支架上，腰圆孔用于摩托车侧盖前支承零件是以2个9.5

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。

图12-2弯曲成形

a)一副模具成形b)、c)两副模具成形

(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

l l l l l L 222254321++++=

式中 l 1=12.5mm;

l 2=45.5m;

l 3=30mm;

l 4和l 5按()xt r +2π

计算。

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 ()()()mm L 1695.146.04225.143.0222305.4525.122=?++?+++?+?=ππ

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）。

图12-3毛坯计算图图12-4排样方案

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

kg G 04998.023********.014207105.1=???==量一张钢板冲制零件的数一张钢板的质量 材料利用率

％100??=一张钢板面积零件面积一张钢板冲制零件数量η

()

％10014207105.61312221682362

???-?-??=πη =79.7%

零件面积由图12-5计算得出。

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F P ，卸料力F 3和推料力F 1

，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F 2。

冲裁力

)3.1(τσLt Lt F

b P 或=

式中 L —剪切长度; t —材料厚度（1.5mm ）;

σb —拉深强度，由表8-49查取，取σb =400Mpa ；

τ—抗剪强度。

剪切长度L 按图12-5所示尺寸计算`

L L L +=2

1 式中 L 1

—落料长度(mm)；

L 2—冲孔长度(mm)。

将图示尺寸代入L 计算公式可得

()mm

L 37622222216821=?+?-?-?=π ()mm L

655.61222=+?=π

因此， L =376+65=441mm

将以上数值代入冲裁力计算公式可得

()N b p t L F

2646004005.1441=??==σ

落料卸料力 σb p t

L K F K F 1'3卸卸== 式中 K 卸—卸料力系数，由表2-8查取；

F p '

—落料力(N)。

将数值代入卸料力公式可得

()N F 90244005.137604.03=???=_

冲孔推件力

σb p t L K n F K n F 2''1推推==

式中 n —梗塞件数量(即腰圆形废料数)，取n=4；

K 推—推件力系数，由表2-8查取；

F p '

'

—冲孔力(N)。

将数值代入推件力公式可得

()N F 85804005.165055.041=????=

第一道工序总冲压力 F F F F p z 1

3++=

=264600+9024+8580

=282204≈282（kN ） 选择冲压设备时着重考虑的主要参数是公称压力、装模高度、滑块行程、台面尺寸等。

根据第一道工序所需的冲压力，选用公称压力为400kN 的压力机就完全能够满足使用要求。

(2) 第二道工序—一次弯形(见图12-7) 该工序的冲压力包括预弯中部两角和弯曲、校正 端部两角及压料力等，这些力并不是同时发生或达到最大值的，最初只有压弯力和预弯力，滑块下降到一定 位置时开始压弯端部两角，最后进行校正弯曲，故最大冲压力只考虑校正弯曲力

P 2和压料力P y 。 校正弯曲力 q S P =2

式中 S —校正部分的投影面积()m m 2

q —单位面积校正(MPa)，由表3-11查取，q =100Mpa 。

结合图12-1、图12-5所示尺寸计算式如下

()[]()mm S 2225445.613122245cos 3416834=?+?-??-+=??? ??π

校正弯曲力

()N q S P 25440010025442=?==

压料力

P y为自由弯曲力P1的30%~80%。

自由弯曲力(表3-10)

L

t b

C

P b

2

2

1

σ

=

式中系数C

=1.2；

弯曲件宽度b

=22mm;

料厚t

=1.5mm；

抗拉强度

σb=400MPa；

支点间距

L

2

近似取10mm。将上述数据代入

P1表达式，得：

()N

P2376

10

400

5.1

22

2.12

1

=

?

?

=

?

取

P

P y1

%

50

=

，得

压料力

P y =50%×2376=1188()N

则第二道工序总冲压力 ()()kN N P P P Y z 25625558811882544002≈=+=+=

根据第二道工序所需要的冲压力，选用公称压力为400kN 的压力机完全能够满足使用要求。

（3）第三道工序—二次弯形(见图12-8) 该工序仍需要压料，故冲压力包括自由弯曲力

P 1和压料力P y 。

自由弯曲力 ()

N P 699344005.1222.121=??=?

压料力 ()

N P P y 349%50699%501=?== 则第三道工序总冲压力()N P P P Y z 10483496991=+=+=

第三道工序所需的冲压力很小，若单从这一角度考虑，所选的压力机太小，滑块行程不能满足该工序的加工需要。故该工序宜选用滑块行程较大的400kN 的压力机。

（4）第四道工序—冲凸包（见图12-9） 该工序需要压料和顶料，其冲压力包括凸包成形力P p 和卸

料力P 3及顶件力P 2，从图12-1所示标注的尺寸看，凸包的成形情况与冲裁相似，故凸包成形力P p 可按冲裁力公式计算得

凸包成形力 ()N b p t L P 226084005.162=???==πσ

卸料力 ()N P K P p 9042260804.03=?==卸

顶件力

()N P K P p 135********.02=?==卸(系数K 顶、K 卸由表2-8查取)

则第四道工序总冲压力 ()()N k P P P P N p Z 25248681356904226082

3≈=++==++ 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。

图12-6落料冲孔模具结构形式图12-7一次弯形模具结构形式

图12-8二次弯形模具结构形式图12-9冲凸包模具结构形式

二、微型汽车水泵叶轮冲压工艺与模具设计

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。

图12-10 叶轮零件示意图

材料：钢板198552132000

5000.208---??-GB ZF Al Al

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

8.231.00-φ和7.1101.0-φ以及高度尺寸5.412.00+的要求，实际生产中采用了冲压成形后再切削加工的办法（需进行切削加工的表面标有粗糙

度，图12-10）。冲压成形后要留有足够的机加余量，因此孔

8.

231.00-

φ

和

7.

1101.0-

φ

的冲压尺寸取为

5.

23`

φ

和

5.

11

φ

。

直径

5.

15

φ

为一般要求的自由尺寸，冲压成形的直径精度的偏差大于表4-1拉深直径的极限偏差。

但高度尺寸

26

.0

5.

22±

精度高于表4-3中的尺寸偏差，需由整形保证。

表12-108Al—ZF的力学性能(GB/T5213—1985T和GB/T710—1991)

初步分析可以知道叶轮零件的冲压成形需要多道工序。首先，零件中部是有凸缘的圆筒拉深

件，有两个价梯，筒底还要冲

5.6

φ

的孔；其次，零件外圈为翻边后形成的7个“竖立”叶片，围绕

中心均匀分布。另外，叶片翻边前还要修边、切槽、由于拉深圆角半径比较小（0.5~1），加上对叶片底面有跳动度的要求，因此还需要整形。

对拉深工序，在叶片展开前，按料厚中心线计算有

5.

13

/2.

61

/=

d

D中径

外径≈4.53＞1.4，并且叶片展开

后凸缘将更宽，所以属于宽凸缘拉深。另外，零件拉深度大（如最小价梯直径的相对高度

h/d=20.5/13.5=1.52，远大于一般带凸缘筒形件第一次拉深许可的最大相对拉深高度），所以拉深成形

比较困难，要多次拉深。

对于冲裁及翻边工序，考虑到零件总体尺寸不大，而且叶片“竖直”后各叶片之间的空间狭小，结构

紧凑，另外拉深后零件的底部还要冲

5.6

的孔，所以模具结构设计与模具制造有一定难度，要特别注

意模具的强度和刚度。

综上所述，叶轮由平板毛坯冲压成形应包括的基本工序有：冲裁（落料、冲孔、修边与切槽）、拉深（多次拉深）、翻边（将外圈叶片翻成竖直）等。由于是多工序、多套模具成形，还要特别注意各工序间的定位。

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。