皮带机托辊轴承座冲压模具设计

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图3 （二）冲压工序的确定 从结构上看，该轴承座属于带凸缘圆筒类拉深零件，毛坯为圆形，毛坯可 直接冲裁成型；由计算得知需要两次拉深工序，工件才能成型；为防止边缘起 皱留有修边余量，需要切边工序；中心有一φ30 通孔，还需要冲孔工序。 为合理利用设备，提高效率，将落料和第一次拉深工序合并，冲孔和切边 工序合并，最后划分为：落料拉深，二次拉深、冲孔切边三个工序。各工序模 具结构如下。 二、冲模设计 （一）落料拉深模设计 落料拉深是将两个工序合并到一个模具中的复合模具，其结构较单一工序 模具复杂，落料拉深模各工序的工作状态如图 4 所示。
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图8 1．凹模设计 本次拉深为最后一次拉深，除凸缘尺寸和底部的孔，其余各部尺寸在本次 拉深后均应达到图纸要求，因此凹模形状即为工件外表形状，凹模各部尺寸可 据此求得。
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由于本次拉深是最后一次拉深，凸缘处变形最严重，所以要考虑凸缘整形 问题。在该处采用凹、凸模将凸缘完全压紧的方式来整形，为防止尺寸过定义， 将凹模深度增加 1mm ，这样整形时模具就不会发生干涉。 与首次拉深模具相同，在本次拉深中也要考虑工件出模问题，在此采用了 与首次拉深模相同形状和尺寸的弹性打杆装置。 2．凸模设计 凸模设计与凹模设计原理相同，本次拉深的凸模形状即与工件内腔形状相 同。考虑到工件内腔尺寸有公差要求，因此在该处可将凸模外圆尺寸适当放大， 最后可根据试制情况对凸模外圆尺寸进行修整，直至冲压出的工件尺寸达到图 纸要求。为方便修模和更换，同样将凸模做成装配形式安装在底座上。 3．压边圈设计
式中：Hn——第 n 次拉深后的高度（mm） ； dn——第 n 次拉深后的筒壁直径（mm） ； dφ——凸缘直径（mm） ； rgn——第 n 次拉深后底部圆角半径（4～7）t（mm） ； rφn——第 n 次拉深后凸缘根部圆角半径（5～8）t（mm） ； D——毛坯直径（mm） 。 该工件两次成型，第二次拉深高度即为工件最终高度，H2=49mm。 第一次拉深中不考虑凸缘上的折弯，设第一次拉深中 rgn=rφn=15.5mm，将其 余参数代入上式中计算得 H1=48.7mm。由此可得出一次拉深件、二次拉深件的形 状及尺寸如图 2、图 3 所示。
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三、结束语 模具的设计制造是一个边试、边修模的循环过程，因此为了得到符合图纸 要求的工件，在达到形状要求的基础上，必须反复修模来达到尺寸要求。 轴承座全套模具已全部制造出来，由于模具的设计尺寸、热处理和表面光 洁度要求很高，这对我们制做过程提出了更高的要求，随着数控设备的引进， 逐步解决了加工方面的问题。但在实际加工过程中操作者对图纸的理解不深， 以及惯性思维的影响，最终加工出的模具在加工精度上存在很多问题，最后基 本全是让步放行。 由于是首次进行冲压模具的设计，在设计中难免存在很多问题。由于是试 制，为节约时间和成本，在设计中没有采用导向装置，导致制造和安装定位不 方便，这是本次设计的最大缺点。冲压件试制成功后，在对模具进一步改进设 计时将加入导向装置来达到高速、高效、大批量生产的目的。 冲压模具的设计、使用成功，将为我公司开辟一个新的加工、制造领域， 为提高公司市场竞争力、创造更多经济效益打下了良好的基础。
评审论文
皮带机托辊轴承座冲压模具设计
朱 舜
攀钢机制分公司
摘要：皮带机托辊是皮带机上重要的传动部件，也是易损件，上皮带每隔 1.2～1.3ｍ一对， 下皮带每隔３ｍ一对，每根托辊中含两个轴承座，在皮带机中该轴承座的用量很大，每条皮 带机中这种轴承座的用量在几百至上千个。这种轴承座结构虽然简单，但从其制造工艺上来 说需要冲压成型，因此需要设计一套冲模来进行制造。该文即是对轴承座冲压模具进行设计、 计算。 关键词：皮带机 托辊 轴承座 冲压模具 设计
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计算所得各次拉深系数均在许用拉深系数范围内，因此采用两次拉深工件即可 成型，各次拉深直径分别为 d1=87mm、d2=65mm（中线尺寸） 。 4．各次拉深高度计算 由手册知，各次拉深高度通用计算公式为：
Hn 0.25 2 0.14 2 2 2 (D d ) 0.43(rgn rn ) (rgn rn ) dn dn
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1．冲裁力计算 冲孔冲裁力 p 孔=πd 孔 tσb=3.14×30×3×40≈11310N 切边冲裁力 p 边=πd 边 tσb=3.14×128×3×40≈48255N 二次拉深后的工件已基本成型，冲孔切边后即全部成型。由于总冲裁力不 到 6 吨，为简化结构将冲孔和切边同时进行。为方便定位，将下模外形做成与 工件内腔形状尺寸相同，工件倒扣其中即能完全定位。 2．冲孔模具设计 冲孔时由于工件套在下模上处于完全定位状态，因此凸模尺寸与孔大小相 同，在凸模后加一凸缘，使得冲孔后可对工件底部进行整形。冲孔凹模根据资 料查得间隙尺寸后即可确定，为方便废料落出，下模底部孔尺寸做得大一些， 冲孔废料即可轻松落出。 为方便磨损后更换凹、凸模，将凹、凸模结构做成装配式。 3．切边模具设计 切边时为保证凸缘尺寸，凹模尺寸与凸缘尺寸大小相同，凸模尺寸可根据 资料查得间隙后确定。 切边时凸缘要上翘变形，为防止变形在该处加一压边圈。切边压边圈可将 工件完全压紧，为了整个冲压过程能顺利完成，因此切边压边圈要做成浮动形 式，初始压边力由给了预紧力的蝶形弹簧供给，蝶形弹簧预紧力大于需用压边 力，根据压边力大小可计算出蝶形弹簧参数，压边圈以凹模内腔定位上下滑动。 切边废料是一环形，为方便取出，在底座上装两个切刀，切边时自动将切 边废料切成两半，方便废料取出。 至此，冲孔切边模具设计、计算完成，经本次工序后的工件形状及尺寸即 达到图 1 所示要求。
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图6 打杆位于凹模中央，在凹模中的行程为 5.3mm，采用三组 D=45mm 带支撑面 的 B 形碟形弹簧。 据手册查得单个碟形弹簧高为 3.05mm， 组装后总高为 18.3mm， 行程为 5.3mm，顶出力 P=1920N。根据前面计算出的一次拉深圆角可推算出凹模 口部圆角半径=15.5-1.5=14mm，根部圆角半径=15.5+1.5=17mm。 （2）凸模结构设计 凸模和凹模一样也是易损件，因此凸模也采用装配方式固定在底座上，根 据前面计算出的一次拉深圆角可推算出凸模顶部圆角半径=15.5-1.5=14mm。 （3）压边圈结构设计 由于是带凸缘的拉深，为防止凸缘起皱必须采用压边装置。压边力必须适 当，如果压力过大会增大拉入凹模的拉力，使危险断面拉裂。如果压力不足， 则 不 能 防 止 凸 缘 起 皱 。 因 此 必 须 对 压 边 力 进 行 计 算 ， 压 边 力 大 小 Q= π [D2-(d1+2rai)]*p，D 毛坯直径（176mm） ，d1 首次拉深直径（87mm） ，rai 凹模根部 圆角半径（14mm） ，p 为单位压力（Mpa） （根据资料查得 p=2.5～3Mpa） ，经上述 公式计算本次拉深压边力 Q= 42678N。为使压边力平衡，采用 8 个压边弹簧，则 每根弹簧载荷=42678÷8=5334.75N，根据每根弹簧的载荷可从资料中选得弹簧
图１ 一、冲压参数计算及冲压工序的确定 皮带机托辊轴承座（图 1） ，是一个回转带凸缘的筒类零件，属于常见类型 的冲压零件，可根据资料查得其设计、计算公式。 （一）冲压参数计算
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1．毛坯展开尺寸计算 为精确计算拉深件毛坯尺寸，采用等体积法这一原则进行。为防止边缘起 皱，工件外圆应留有修边余量，根据手册查得修边余量 c/2=3.5mm，则切边前凸 缘直径=128+3.5×2=135mm。在 SolidWorks 软件中画出该零件不带φ30 孔，凸 缘直径 dφ为φ135 的三维零件图，测得该零件体积 v= 71547.42mm3；钢板厚度 t=3mm，根据圆柱体体积计算公式得零件展开半径为：
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参数为：钢丝直径 =10mm ，总圈数 =7 ，有效圈数 =5.5 ，弹簧中径 =40mm ，螺距 =19.2mm，弹簧装入后即可保证压边力大于 42678N。
图7 随着弹簧变形增大，压边力也随着增大，为了保持压边力均衡和防止压边 圈将毛坯压得过紧，采用带限位装置的浮动压边圈（如图 7 所示）来控制压边 力的大小。由资料查得 S=1.2t=3.6mm。压边圈轴向以凸模外圈定位，这样即能 保证压边圈不歪斜，也能保证压边圈上下自由滑动。 至此，落料拉深模设计、计算完成，本次拉深后的工件形状及尺寸如图 2 所示。 （二）二次拉深模设计 二次拉深模结构形式如图 8 所示。
图9 为了保持压力均衡和防止压边圈将毛坯压得过紧，并且从结构上考虑在该 处选用浮动限位压边装置（图 9） 。弹簧直接顶在压边圈上，压边力直接由弹簧
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ10
给出。压边圈又顶在压板上，这样就给了弹簧一个预紧力，初始预紧力等于计 算出的压边力（压边力的计算与前相同，该处省略） 。压边圈以凸模导向，压边 间隙由带一锁紧螺母的顶杆来调整，保证 S=1.2t。这样即保证了压边力的均衡， 又能防止将毛坯压得过紧。 为了将毛坯定位准确，将压边圈顶部形状做成与一次拉深后工件内腔形状 相同，这样工件倒扣在压边圈上，工件即能完全定位。 至此，二次拉深模设计、计算完成，本次拉深后的工件形状及尺寸如图 3 所示。 （三）冲孔切边模设计 冲孔切边模具也是一复合模具，结构较为复杂，其结构形式如图 10 所示。
r0 v 71547.42 87.63mm t 3
毛坯直径 D=2r0 =175.26mm，圆整得毛坯直径 D=176mm。 2．毛坯下料冲裁力计算 对于圆形工件冲裁力 P=1.3πDtτ≈πDtσb=3.14×176×3×40=66316.8N 次此是在 100t 冲压机上做试验，所需冲裁力远小于机床载荷，不存在压力不足 的问题。 3．拉深次数及各次拉深直径计算 由于材料厚度较大，均按中线尺寸计算。则最后拉深完的筒部直径 d=65mm， 总拉深系数 m=d/D=65/176=0.3693，根据凸缘相对直径（dφ/d=135/65≈2.08） 和材料相对厚度（t/D×100=3/176×100≈1.7）查表得极限拉深系数最小值为 0.4，因此不能采用一次拉深成型。 设一次拉深后的直径 d1=87mm，则第一次拉深系数 m1=d1/D=87/176=0.4943， 根据凸缘相对直径（=dφ/d=135/87≈1.55）和材料相对厚度，查表得本次极限 拉深系数最小值为 0.45，该直径值符合要求。 假设工件两次拉深成型，则 d2=d，二次拉深系数 m2=d2/d1=65/87=0.7471。 根据材料相对厚度， 查表得各次拉深系数许用值 m1=0.48～0.50， m2=0.73～0.75。
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图4 1．落料结构设计 （1）落料板设计 由于毛坯是圆形，为方便下料选用长条形板料进行落料，从手册查得落料 间隙最小为 5mm，本着节约材料的原则，根据落料尺寸将落料板尺寸设计如下图 （图 5）所示。
图5
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（2）落料板定位 在落料结构中，为防止落料落偏要考虑板料长度和宽度方向上的定位问题。 长度方向上，在前端设置一定料销，首次冲压后的板料有一孔，将这一圆孔套 在定料销中拉紧，即将长度方向定位。在下模上有两个侧边定位销，将落料板 侧边靠在定位销上，即将宽度方向的位置定住。为方便调整前后定位，将定料 销连接在 T 型槽的螺母中可根据实际情况进行调整，其结构形式如图 4 中初始 状态图所示。为便于观看，初始状态俯视图中去掉了上模和一半卸料板。 （3）落料模设计 在落料过程中为保证落料后的尺寸，落料以凹模为设计基准件，考虑到圆 形凹模越磨越大的磨损规律， 所以凹模孔实际尺寸 Dd 必须满足 Dmax＞Dd≥Dmin， 凹、 凸模之间的间隙可根据资料查得，最后可计算出凹、凸模尺寸。 为防止落料后落料板卡在凸模上，因此下模装有卸料板，在凸模复位过程 中自动将落料板挤下。 由于落料凹模易磨损，因此将落料凹模设计成组装式，磨损后方便更换。 2．首次拉深模具结构设计 （1）凹模结构设计 为方便将落料和拉深工序结合在一起，采用倒装模结构形式，即将拉深凹 模放上位，因此上模外圆为落料凸模，内孔为拉深凹模。 拉深后由于工件弹性回复易卡在凹模中，因此在凹模中设计一打杆，为了 让打杆能自动伸缩，将打杆设计成弹性结构，下压时能缩入凹模，上升时能将 工件顶出凹模，其结构形式如图 6 所示。