简析叠层凹模连续拉伸模工艺及模具设计

　　1 引言

　　针对需多次拉伸成形的零件，典型的模具设计有如下几类：

　　 类：单工序单模逐次拉伸。

　　第二类：级进模连续多工位拉伸。

　　第三类：正反复合工序拉伸。

　　比较其特点： 类模具结构简单，但工序数多，效率低，劳动强度大。第二类模具结构复杂，制造精度高，体积大，局限于带料类薄壁小型制件拉伸。第三类复合工序数量有限(一般两道)，对材料纤维组织改变大，加工硬化明显，易拉裂。无论采用哪种类型，多次拉伸必须避免容易出现的缺陷：拉裂、起皱、加工硬化、材料偏移。本文通过实例介绍另外一种多次拉伸方法——叠层凹模连续拉伸。

　　2 叠层凹模模具结构及特点

　　是一长径比大(h/d=5.7)的圆筒件，显然需多次拉伸。比较前面3种类型模具：采用单工序模，拉伸次数多，效率低，制件小，难操作;采用级进模则受料厚及制件高度较大限制，难以实现自动送料，效率无法体现;采用正反复合模拉伸则因硬化剧烈，难以实现，效率也不高。而采用如图2所示叠层凹模结构，则可起到特殊效果。

　　(1)凸模行程较大：制件越高，凹模叠层数越多，则凸模行程就越大，对小型曲柄压力机，很容易因此而使用受限。

　　(2)拉伸间隙较大：特别是上层凸凹模间隙，明显比底层间隙大，增加了口部材料增厚可能性，也增加了起皱可能性。

　　(3)无法采用防皱等措施：如图2所示，无法在上下连续排布的数个凹模上分别设置压边圈或加拉伸筋之类的措施。

　　(4)发热量大：材料连续拉伸，无法及时散热，发热严重时会出现“粘模”现象。

　　(5)加工硬化较大，易拉裂。

　　针对以上特点，模具设计时应重点考虑如下因素：

　　(1)设备参数匹配，应特别注意滑块行程和闭合高度与模具工作要求相吻合。

　　(2)为防止拉裂和起皱，每层变形量应比普通拉伸单次允许变形量明湿减小，以便在无防皱措施下顺利拉伸，通过逐次较小变形的累积，达到大变形。

　　(3)自上而下的凹模工位应考虑拉伸时工序间不干涉，即一层完成拉伸之后才进入下一层，以免材料因拉伸阻力太大而拉裂。

　　(4)设计润滑和冷却流道，一方面可润滑凹模，避免拉裂，另一方面可冷却凸、凹模，防止“粘模”。

　　3 零件工艺分析及工序尺寸确定

　　(1)拉伸次数判断。

　　可参照普通带压边装置拉伸工艺设计，其拉伸次数计算如下：

　　a.根据有关手册，材料展开尺寸为：

　　b.(t/D)×100=(0.8/58)×100=1.5。

　　查设计手册，普通拉伸时各次极限拉伸系数：

　　c.按普通拉伸，其各次拉伸直径确定如下：

　　可见，普通拉伸需五次成形才可达到制件直径。

　　(2)用叠层凹模拉伸时拉伸次数确定

　　图2所示的叠层凹模，每个凹模均为锥形，有利于材料流动，根据有关文献，锥形凹模拉伸时其每道工序极限拉伸系数较普通拉伸对应次数时m可明显减小(大约减20%～30%)，即变形量对应普通拉伸相同次数时可明显增加。因此，可以确定，即便按同样5层锥形凹模拉伸，也比前述普通拉伸拉裂可能性小。即：采用五层锥形凹模，具有不拉裂的安全性较大。

　　(3)锥形拉伸不起皱的判断。

　　每层凹模均设计锥形结构，其目的，一方面是为减少材料流动阻力，降低极限拉伸系数;另一方面，可提高拉伸时材料切向压应力下稳定性，降低起皱可能性。根据有关资料，锥形凹模拉伸不起皱的条件是：

　　式中t/D——毛坯相对厚度(t为材料厚度，D为毛坯直径)

　　m——允许 小拉伸系数。

　　所以，该制件锥形拉伸时不起皱m值为：0.8/58>0.03(1-m)，得m>0.54，即当拉伸系数大于0.54时，可以不考虑压边问题，在后续安排变形量(即拉伸系数)时，应注意该条件。

　　(4)拉伸次数确定及拉伸系数(变形量)分配。

　　本例中， 拉伸必须单独分出，由圆毛坯料拉伸成圆筒件(后次的坯料)，后4次如用一副叠层模具，则模具太高，凸模太小太长，应采用两副叠层模具进行。

　　权衡以上防拉裂和防起皱两因素，工序可分3副模具完成全部拉伸： 副，以带压边装置模具将毛坯尽量拉伸至 小圆筒件。后次采用两副叠层凹模拉伸模进行。前一副三层凹模，后一副两层凹模，总共相当于6道工序。增加一道工序意义在于保证同等效率情况下(因没增加模具数)，安全性更高。

　　拉伸系数分配思路：总拉伸系数m=12.5/58=0.216， 副采用压边装置拉伸模，取拉伸系数0.49，得到直径φ28mm的后次拉伸坯料(见图3)，所以后两副总系数为0.216/0.49=0.441，其中前一副三层凹模，取总系数0.6;第二副两层凹模，取总系数0.441/0.6=0.735，制件底部圆角 副R1=4mm，第二副R2=2.5mm，第三副R3=2mm(制件)。各次工序高度H即可计算出来。全部工序尺寸如表1所示。

　　4 模具设计要点

　　(1)锥形凹模设计。

　　如图4所示，各层凹模均为锥形结构。

　　a——凹模半锥角，一般取25°～45°;B——凹模厚度，根据材料厚度、制件大小、模具结构等确定;d凹——根据各层制件工序直径尺寸定;d凸——根据 下一层凹模对应制件工序直径定;r凹——3～10mm;r凸——按 层对应工序尺寸确定;b——凹模直壁长度8～12mm。

　　(2)工作零件其它主要尺寸的确定。

　　1.定位圈 2.a层 3.凹模垫块Ⅰ 4.b层 5.凹模垫块Ⅱ 6.c层Do——定位圈直径，按前副模具拉伸外径确定;D1、D2、D3——凹模直径，按各层工序直径确定;d——按 下层时应得到的工序直径确定;r——按 层对应的制件工序尺寸确定;h1—— 、第二层凹模之间距离，按 层工序高度确定，大于该高度，保证拉伸时不干涉;h2——第二、第三层凹模之间距离，按第二层凹模工序高度确定，保证二、三层拉伸时不干涉。

　　(3)冷却、润滑流道设计。叠层拉伸时，制件产生热量多，会加剧凹模磨损;另外连续变形也极易使制件发生拉裂。设计冷却、润滑系统目的，一方面可冷却凹模，另一方面对材料起润滑作用，防止拉裂。设计时应注意：①只需对凹模润滑，凸模应保持一定摩擦，不需润滑;②润滑流道要密封，以便操作时保持场地清洁，另要便于润滑油回收。

　　(4)通用模架没计。为减少模具成本，第二副叠层模具设计成与前一副模架共用，只需更换凸模、定位圈和d、e两层凹模即可，更换、拆装要方便。

　　5 模具总装图及特点

　　(1)模具工作过程：模具总装图如图6所示，将 拉伸的半成品(外径φ28)放置定位圈定位，用直径φ15.50-0.02mm凸模依次通过a、b、c三层凹模，拉伸成φ16.8mm半成品，完成第二次拉伸;第三次拉伸时，更换凹模叠层(换成d、e层)、定位圈、直径φ11.050-0.02mm凸模后，同样操作可直接拉伸至成品。

　　(2)模具特点：①因凸模行程较大，需采用摩擦压力机拉伸;②通过逐层较小变形量，累积成大变形量，效率提高40%(5副模具减为3副);③需及时润滑，在盖板5上开有6个油槽，润滑油通过下面凹模套孔，依次对各层凹模润滑;④模具简单，成本低廉，尤其采用通用模架后，成本优势更明显。

　　6 结束语

　　叠层凹模拉伸法形似简单，应用中却往往舍易求难，通过本文分析，提供了一条简单、经济、实用之设计思路。特定制件，特定工艺条件时，确有其特殊的价值。