高正方形盒形件拉深工艺及模具设计

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《模具制造》 !""!#$%#& 总第 ’ 期
高度较长，所以首次拉深工序的模具方式应采用压边 圈在下模的反向拉深模结构。
电 池 壳 落 料 — 首 次 拉 深 复 合 模 的 工 作 过 程 是 ：先 把 毛 坯 送 入 下 模 上 ，碰 着 挡 料 钉（ 未 画 出 ）为 限 定 毛 坯 的送进距离。开动压力机使其滑块下行时，首先是落 料、拉深凸凹模 * 与落料凹模 4 进行落料工序，然后圆 形坯料受到弹顶器的下顶杆 &4 向上运动，使压边圈 && 有 力 地 压 紧 圆 形 坯 料 。 当 滑 块 继 续 下 行 时 ，通 过 落 料 、 拉深凸凹模 * 与拉深凸模 &" 完成首次拉深工序。冲压 完毕滑块回升，通过由下弹簧 &(、下托板 &)、螺杆 &5、 上托板 &* 及下顶杆 &4 组成顶出机构的压边圈 && 从 拉深凸模 &" 把制件 !& 向上顶出。当滑块继续向上回 升时，通过打料棒 6 及上推块 5 组成刚性推件机构，把 制件 !& 从落料、拉深凸凹模 * 内而推下，才能取出留 在下模上的制件 !&。
&) 根据所计算的总冲压力及按模空间尺寸，选用 7!)4&’ 型 &’".$ 开式双柱压力机。 1 高正方形盒形件模具结构设计 电池壳冲压件的好坏与冲压模具的设计质量有直 接的关系，合理的模具结构型式是制造合格冲压件的 关 键 技 术 之 一 。 因 此 ，根 据 具 体 的 零 件 形 状 、尺 寸 及 材 料 ，必 须 要 正 确 、合 理 设 计 模 具 的 结 构 。 根 据 电 池 壳 零 件工艺计算的要求，采用落料—首次拉深复合模及随 后三道再次拉深模。落料—首次拉深复合模的结构介 绍如下，至于其他三道再次拉深模的结构，不再详述。 1#& 落料—首次拉深复合模 电池壳落料—首次拉深复合模结构如图 1 所示。 该 模 具 由 上 、下 模 两 部 分 组 成 ：上 模 部 分 主 要 有 上 模座 &、打料棒 )、上弹簧 1、垫板 ’、上推块 , 及落料拉 深凸凹模 + 组成；下模部分主要有落料凹模 2、拉深凸 模 &"、压边圈 &&、下模板 &!、下弹簧 &1、下托板 &-、螺 杆 &,、上托板 &+ 及上顶杆 &2 组成。由于电池壳零件的
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(。下面从倒数第二次起反推出各次工序的过渡形状及
尺寸。
（’）第 + 次拉深工序的壁间距、角间距、毛坯直径
及高度。
当 ! 角 0 #*"#&’ 及 (*( 时，查资料得壁间距 )+*/·%* /1"#)*+#),,。
$&— ——第一次拉深毛坯直径，// ) 凹— ——第一次拉深凹模圆角半径，// *— ——单位压力，$ 0 //!。查资料得 *()$ 0 //!
代入上式得：
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选择压力机的总冲压力为：
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高正方形盒形件拉深工艺及模具设计
上海交通大学塑性成形工程系（上海 !""","）
洪慎章
上海交通大学国家教育部高温材料及高温测试开放实验室 曾振鹏
【摘 要 】分 析 了 电 池 壳 高 正 方 形 盒 形 件 的 拉 深 工 艺 ，计 算 了 高 正 方 形 盒 形 件 的 毛 坯 形 状 及 尺 寸 ，确 定 了 拉 深 次 数 及 其 工 序 尺 寸 ，叙 述 了 高 正 方 形 盒 形 件 的 冲 压 力 计 算 ，并 介 绍 了 电 池 壳 高正方形盒形件落料— ——拉深复合模结构。 关键词 电池壳 高正方形盒形件 拉深工艺 冲压力 模具结构
图 ! 盒形件拉深时的应力分布
! 高正方形盒形件拉深工艺分析 高正方形盒形件可以看成由直边部分及圆角部分
组成。盒形件拉深变形时，圆角部分近似圆筒形件的拉 深，直边部分近似板料弯曲。因此盒形件的拉深成形是 圆角部分拉深和直边部分弯曲两种变形方式的复合。
（!）拉 深 时 ，直 边 部 分 除 弯 曲 变 形 外 ，在 与 圆 角 的 连接部分，还有横向压缩及纵向伸长。因而其应力也包 括纵向拉应力与横向压应力两部分。
+#& 毛坯尺寸及工序的计算
（&）检查
相对
厚度。
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按资料中的方法计算。
（!）检查圆角半径。(·%*(1"#)*!,,，则 ! 角*+2(%。 （+）方形件毛坯高度。当 $" 0 ! 角*/! 0 +*!( 时，由资 料 查 得 ：!$ *（"#")3"#"4）$"*"#"41/!*)#/’"’,,，则 $&$".!$*/!.’*/4,,。 （(）毛坯直径（! 角#! 底）
相对高度 $ " #（$ 为方形件的高度）大时，圆角部分对
直边部分的影响就大。
从拉深件（图 &）的工艺性来看，由于 ! 角*+,,，! 底*
!,,，边 长
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,,，高
度
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,,，正 方 边 长 与
其高度相差较大，板材厚度 %*"#),,。
+ 高正方形盒形件拉深工艺计算 盒形件拉深过程的应力和变形比较复杂，沿周边
图 1 电池壳落料—首次拉深复合模 &#上模座 !、&’#螺帽 )#打料棒 1#上弹簧 -、&)#螺钉 ’#垫板 ,#上推块 +#落料、拉深凸凹模 2#落料凹模 &"#拉深凸模 &&#
压边圈 &!#下模板 &1#下弹簧 &-#下托板 &,#螺杆 &+#上托板 &2#下顶杆 !"、!!#圆柱销 !&#制件
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（)）初步估计所需拉深次数。根据
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毛坯直径 ++*#.!·)+*&-.!1+#)*!’,,。 毛坯高度 $+*"#44$*"#441/4*’4#’,,。 （/）第 ! 次拉深工序的毛坯直径及高度。
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（,）盒 形 件 拉 深 时 ，圆 角 部 分 的 径 向 拉 应 力 是 分 布 不均匀的，而其平均拉应力比之相同半径的圆筒形径
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向拉应力要小得多。因而盒形件的极限变形程度可相
应加大，拉深系数可相应减小。
（(）盒 形 件 的 最 大 应 力 出 现 在 角 部 ，因 而 破 裂 、起
也是不均匀分布的，其不均匀程度随相对高度及角部 的相对圆角半径的大小而变化，这两个比值决定了圆 角部分材料向零件侧壁转移的程度及侧壁高度的增补 量，所以盒形件毛坯尺寸及其工序尺寸的计算是比普 通拉深件复杂得多，其计算步骤如下：
由 相 对 圆 角 半 径 ! 角 0 # *+ 0 &- *"#&’ 及 相 对 高 度 $" 0 #*/! 0 &-*+#/-，从资料查得该正方形盒形件为多次 拉深工艺。
但 是 ，盒 形 件 的 圆 角 及 直 边 是 联 系 在 一 起 的 整 体 ，因 而 变形时必然有相互的作用及影响，以致圆角不是简单 的圆筒拉深，直边不是单纯的平板弯曲。
从 实 验 分 析 表 明 ，盒 形 件 拉 深 时 ，直 边 部 分 并 不 是 单纯的弯曲变形。由于圆角部分的材料要向直边流动， 因 而 直 边 部 分 也 产 生 了 横 向 压 缩 、纵 向 伸 长 的 变 形 ，而 圆 角 部 分 ，由 于 直 边 的 存 在 ，金 属 的 流 动 ，使 得 圆 角 部 分的变形程度大为减小。因此，盒形件的变形特点可归 纳为如下 ( 点：
& 概述 电 池 壳 是 通 讯 器 材 的 重 要 零 件 之 一 ，数 量 大 ，其 形
状及尺寸如图 & 所示，材料为 "#()) 厚的 "*+ 优质碳 素 结 构 钢 。 目 前 ，电 池 壳 的 拉 深 生 产 工 艺 有 两 种 方 法 ： 第一种工艺是在多台小吨位压力机上采用单工序的简 单模；第二种工艺是在一台较大吨位压力机上采用多 工序的连续模。前者比后者具有投资少、模具结构简 单、上马快、产品成本低等优点。
皱等现象也多在角部产生。在远离角部的直边部分一
般不会产生起皱。
（)）盒 形 件 变 形 时 ，圆 角 部 分 和 直 边 部 分 必 然 存 在
着相互的影响，影响程度随矩形的形状不同而不同。当
相对圆角半径 ! 角 " #（! 角为盒形件的圆角半径，# 为方 形 件 边 长 ）小 时 ，直 边 部 分 对 圆 角 部 分 的 影 响 就 大 ，而
图如图 + 所示。 按计算毛坯剪料，在模具上试制拉深
件 ，根 据 拉 深 件 是 否 破 裂 或 发 生 材 料 堆 聚 ，修 整 毛 坯 尺
寸，直到获得合格的拉深件。经过调试确定最后的毛坯
尺寸再制造模具。
+#! 冲压力的计算 高正方形盒形件的冲压力主要包括落料力、拉深
力及压边力。按材料 "4: 优质碳素结构钢的抗剪强度 !*+&"$ 0 ,,! 及抗拉强度 ")*+-"$ 0 ,,! 进行计算。
*+(,,，式 中 拉 深 系 数
,+ 按相对厚
度查得 ,+*"#/’。
$!* "#+!!)（’!5+!! ）."#(+ +!!!（+!."#+!·!!）
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（4）第一次拉深工序的毛坯直径及高度：
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（-）各次拉深凸模圆角半径。
6#第一次拉深取 ! 底 &*&’%*&’1"#)*4,,。 7#第二次拉深取 ! 底 !*4%*41"#)*(,,。 8#第三次拉深取 ! 底 +*)·%*)1"#)*!#),,。 9#第四次拉深与零件要求一致，! 底 +*! 底*!,,。 根 据 如 上 所 计 算 的 数 据 ，画 出 落 料 、四 次 拉 深 工 序
（&）落料力 -&。 -&*&#+.·%!*&#+·#·’·%·!
式中 .、’——落料件的周长及直径，,, %— ——板材厚度，,, !— ——材料的抗剪强度，$ 0 ,,!
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图 ) 高正方形盒形件多次拉深工序图
代入上式得：
!&(&#)*!*+,*"#-*)&"(--#"-.$ （!）拉深力 !!。
!!"#&·!·$·%·"& 式中 #&— ——修正系数，查资料得 #&(&
$— ——拉深件直径，//
%——板材厚度，//
"&— ——材料的抗拉强度，$ 0 //! 代入上式得：
!!(&*!*1-*"#-*)2"(!,#-’.$ （)）压边力 ’。
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式中 (— ——毛坯直径，//
（&）盒 形 件 拉 深 时 ，角 部 变 形 基 本 上 与 圆 筒 形 件 拉 深 变 形 相 似 ，只 是 由 于 金 属 向 直 边 流 动 ，使 得 径 向 应 力 !! 及切向应力 !" 在角部的分布是不均匀的，圆角中部 最大，逐渐向两边减小，如图 ! 所示。
图 & 电池壳零件
在电池壳的生产过程中，拉深成形工序是电池壳生 产的重要工序。拉深工艺分析、毛坯尺寸计算及模具结构 设计是否合理是直接影响电池壳零件质量的关键技术。
(#! 凸、凹模间隙值的确定 根 据 生 产 经 验 可 知 ，凸 、凹 模 间 隙 对 制 件 的 质 量 、
冲 压 力 、模 具 寿 命 都 有 很 大 的 影 响 。 因 此 ，设 计 模 具 时 一 定 要 选 择 一 个 合 理 的 间 隙 ，才 能 使 制 件 的 质 量 较 好 ， 所需冲压力较小、模具寿命较高。但分别从质量、精度、 冲压力等方面的要求各自确定的合理间隙值并不相 同 ，考 虑 到 模 具 制 造 中 的 偏 差 及 使 用 中 的 磨 损 ，所 以 通 常是选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在 这个范围内，就可以冲压出良好的制件。