电机端盖成形工艺及模具设计
 王菊槐
[摘要]介绍了电机端盖冲压成形工艺及其模具设计,对中心带局部变形结构的拉伸件提供了工艺分析与模具设计的范例。
1 引言
图1 是某电机端盖零件, 料厚为1. 5mm , 材料为08F 冷轧钢板。根据零件的技术要求可知, 尺寸Ф90mm 的公差值为0. 14mm , 表面粗糙度Ra =3. 2μm , 属尺寸精度和表面质量要求较高的部位。尺寸S R 10mm 和Ф90mm 具有较高的同轴要求,同轴度公差为Ф0. 04mm。同时,端盖所有表面要求平滑,不得有影响外观质量的划伤、擦痕等缺陷。
图1 电机端盖
2 工艺计算与分析
2. 1 毛坯尺寸计算
由图1 可知, 该零件属有凸缘带中心局部凸起的回转体拉伸件。首先选取修边余量, 再将端盖零件分解成几段简单的回转体, 并分别求出各回转体表面中性层的面积。根据拉伸前后零件面积相等的原则,可计算出零件的毛坯尺寸为Ф170mm。
2. 2 工艺方案分析
由零件图可知,直径Ф88mm 与Ф90mm 之间阶梯较小, 经计算可以一次拉伸成形。零件总的拉伸系数m 总= 0. 52 , 根据资料08F 钢在同等条件下的首次拉伸系数m 1 = 0. 51。m 总  m 1 ,因此阶梯形圆筒主体部分可一次拉伸完成。
本零件的主要难点在于球头部分的成形。若球头部分采用直接局部成形工艺,根据塑性变形理论,材料的变形量不应超过其许用变形程度, 利用图2可计算出局部成形时的变形程度。
图2 球面中性层尺寸分析
经分析,图中各线段长度计算如下:
ab 段: l 1 = 5. 38mm
bc 段: l 2 = 9. 66mm
cd 段: l 3 = 3. 91mm
ok 段: r = 13. 35mm
球头直接局部成形时的变形程度为:
δ 实= [ 2 ( l 1 + l 2 + l 3) - 2 r ] / 2 r ×100 %
= [ 2 (5. 38 + 9. 66 + 3. 91) - 2 ×13. 35 ]/ (2 ×13. 35)
= 42 %
根据资料, 08F 材料的最大变形程度δ= 30 % ,其许用变形程度[δ 许] = 22. 5 %。因为δ 实  [δ 许] , 故球头部分不能直接成形,
只能先预成形一个较大的球头, 再收缩成一个小的球头。假设预成形变形区的尺寸扩大到图2 中所示3 点位置, 则3 点的横坐标值R 应等于球头部分的展开毛坯半径, R 值求解如下。
利用图2 ,先算出各线段重心横坐标。
ab 段: x 1 = 2. 69mm , bc 段: x 2 = 8. 59mm , cd段x 3 = 11. 7mm。
根据久里金法则, 球头面积A 球= 2π6 l x , 得A 球= 2π( l 1 x 1 + l 2 x 2 + l 3 x 3) = 2π(5. 38 ×2. 69 +9. 66 ×8. 59 + 3. 91 ×11. 7) = 286. 4πmm2。
又根据面积相等原则A 球=πR 2 ,有:
R = A 球/π= 286. 4π/π· 17
则预成形变形区的面积应为:
A 变= A 球+π( R 2 - r 2)
= 286. 4π+π(17 2 - 13. 35 2)
= 397. 2πmm2
考虑到球头部分成形实际上是拉伸与胀形两种变形方式的叠加。为了保证零件尺寸精度和表面质量, 在球头最后一道工序里应有一定的胀形成分。为此, 应使预成形面积稍小于零件实际变形区的面积。根据资料,取预成形面积为A 变的95 %。则预成形面积为:
A 预= A 变×95 % = 397. 2π×95 %
= 377. 3πmm2
设预成形球头高度H 预= 10mm , 利用球头面积计算公式可得预成形球头半径R 预= 19mm。为保证最后球头部分成形质量与模具结构的合理性, 预成形球面应向内凹进, 使最后球头部分呈反向拉伸成形。
3 工艺方案确定
通过上述分析计算可知,  端盖零件的关键工序是拉伸及球头部分的预成形, 并将其复合在1 副模具上完成。另外,圆角半径凸缘部分R 1mm 和球头部分R 2mm 均较小, 应通过整形获得。整形模凸、凹模之间单边间隙应小于料厚(料厚0. 9mm) ,制造精度分别取IT7 和IT8 级, 表面粗糙度Ra =0. 8μm ,以保证零件重要部位的精度要求。
图3 拉伸模结构
1. 推件杆  2. 凸模  3. 凹模  4. 压料板   5. 顶杆
零件的工艺方案确定为: 落料→拉伸(球头预成形) →反拉伸(球头成形) →冲孔→整形→切边。拉伸模结构如图3 所示。反拉伸模结构如图4所示。
图4 反拉伸模结构
1. 推板  2. 凹模  3. 凸模  4. 顶件器  5. 顶杆
4 结束语
端盖零件工艺方案的关键是球头部分的预成形设计与分析。如在球头最后成形时出现小皱纹现象,则应减小预成形球头高度及球头半径,用以增大末次球头成形中的胀形成分, 从而保证其尺寸精度及表面质量。生产实践证明, 该设计达到了预期的目的, 它对中心带局部变形结构的拉伸件的工艺分析及模具设计具有指导意义。

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