高压涡轮冷却外壳成形工艺及模具设计检测套冲压工艺及模具设计

1、本文分析了高压涡轮冷却外壳的成形工艺，并介绍了聚氨酯胀形模的结构设计和模具工作过程以及模具调试改进。 1 引言 图1所示为某航空发动机高压涡轮冷却外壳制件，其外形为异形筒结构，材料为AMS5599，厚度0.42mm。成形后的制件要求表面光洁、平整、无皱纹、无深度划痕等缺陷。在此制件的生产过程中，成形工序是该件生产的重要工序，因此成形工艺分析和模具结构设计是否合理将直接影响到制件质量。 2 制件成形工艺分析 2.1 制件结构特点 (1)壁薄。制件壁厚只有0.42mm，因此其抗失稳能力差，成形时易出现褶皱、破裂等缺陷。制件成形减薄只允许20%，即0.08mm。 (2)制件型面复杂。型面为异型筒结构

2、。 (3)制件表面质量要求高。划伤深度不允许超过0.1mm。 2.2 工艺分析 (1)由于该制件为异形筒状，为了便于成形后制件的取出，凹模需做成分体结构。 (2)由于该制件壁薄，抗失稳能力差，如果采用刚性凸模-凹模成形，会因为板料的悬空区域过大而引起起皱，且制件R圆角处易造成减薄甚至破裂。如果采用软凸模成形则可解决起皱、破裂等成形问题。因为与利用刚性凸模-凹模进行冲压成形工艺相比，软模成形工艺有以下几个优势： 第一，在软凸模成形过程中板料一直完全与软凸模接触，消除了刚性凸模-凹模成形过程中存在的悬空区域，从而避免了利用刚性模具进行成形的一些缺陷； 第二，由于软模材料的形状可随模具的形状而改变，

3、其与板料之间的摩擦力很小，能够提高成形后制件的表面质量； 第三，在软模成形过程中板料在各个方向上都受到力的作用，能使板料在最有利的情况下变形，改善了板料的受力情况，提高了板材的成形性能。 (3)由于制件表面质量要求高，不允许有超过0.1mm的划伤，因此一定要保证凹模分体瓣块之间的对接间隙。 (4)由于制件在高度上，上下部分结构不一致，成形时容易产生回弹，尤其是上部R处，因此考虑在上部位增加工艺补长，使制件在结构上上下对称。相应的，成形工艺就变成了上下两件对称成形的工艺，成形后再用车加工或激光切割的方法将制件一分为二，这样，不仅能够减小制件回弹，也使得成形工序的加工效率提高了一倍。增加工艺补长后

4、的制件如图2所示。 3 模具结构设计和工作过程 图3所示为聚氨酯胀形模结构。该模具由上、下模两个部分组成：上模部分主要由上模座板1、凸模3，其中凸模3由模座和软模组成，软模材料为聚胺酯橡胶；下模部分主要由下模座板2、凹模4、外套5、推板6、导柱7。各个部件的连接主要是靠螺钉和圆柱销。导向机构由导柱7、推板6和凸模3共同组成。 图3 聚氨酯胀形模 1.上模座 2.下模座 3.凸模 4.凹模 5.外套 6.推板 7.导柱聚氨酯胀形模的工作过程：先把筒料放入凹模腔内。开动液压机使其滑块下行时，首先凸模3进入凹模4内，凸模3受压，聚氨酯横向膨胀，进行胀形工序，直至滑块下行程终止，保压510s。胀形完毕

5、，滑块上行，凸模抬起，聚氨酯自行恢复，然后液压垫上行，顶杆将推板6和凹模4沿导柱7一起顶出，从而取出制件。 4 模具设计要点 (1)软模的体积应大于凹模4型腔在制件高度区域的体积。 (2)软模硬度为邵氏硬度9095A，凹模淬火硬度在5560HRC，并开设有排气孔。 (3)为减轻凹模4分模面间隙对制件表面的压痕，凹模分瓣数越少越好，不宜超过四瓣，模瓣对接间隙不得大于0.02mm。 (4)为了保证制件R圆角成形，必须有足够大的压力作用于聚氨酯凸模上，这样聚氨酯材料才能有良好的流动性，因此凹模外套5的强度必须满足要求。 (5)导拄7的长度应能保证推板6将凹模4完全顶出并超过外套5上端面。 5 模具调

6、试及改进 模具试压时发现存在以下两个问题： (1)压制时，胀形力沿外套5锥面产生向上的分力，使得凹模上移，造成凹模分模面间隙增大，制件表面产生压痕。 (2)取件时，需手工移开凹模瓣块才能将制件取出，且随后还要手工将凹模瓣放回，造成加工费力，效率低下。 经研究，对聚氨酯胀形模局部结构进行了改进，改进后的模具结构见图4。改进前后主要差异是增加了导向滑块机构及圆柱销锁紧机构。导向滑块机构可使凹模4沿外套5锥面移动，从而实现凹模4自动分开或合并，而无需手动；圆柱销锁紧机构只是在高度方向上控制凹模4，而在径向，凹模4可沿推板6上的键槽自由移动。这样，在胀形时，圆柱销锁紧机构将凹模4在高度方向上锁紧在推板

7、6上，避免了凹模4沿外套5锥面的上移；在取件时，顶杆将推板6和凹模4一起顶出的同时，凹模模具尺寸精度的电火花强化修复 强化层表面粗糙度的刷镀修复 分辨率和定尺寸 什么是分辨率？象素的属性 象素尺寸 基于设计思路的三维实体设计 基于关联的设计 UG装配的设计方法与基于UG装配建模的策略 UV网印油墨的新应用UV网印油墨的发展 6 结束语 对高压涡轮冷却外壳制件进行成形工艺分析后，采用软凸模成形，配以导向滑块机构及圆柱销锁紧机构，既保证了制件加工质量，又提高了加工效率，节约了成本。(end) 1 零件分析 图1所示检测套为某私营企业从外商处承揽的某检测装置上的零件，采用1mm厚的优质低碳钢10制成

8、，生产批量较大。 2 工艺计算 这是一常见的典型拉伸件，零件结构并不很复杂，按照零件的加工顺序，首先要对零件进行工艺计算，才能制订出合理的工艺方案。 选取合适的修边余量后，根据拉伸前后毛坯与工件的表面积不变原则，依据毛坯直径D计算公式： （f为拉伸零件各部分的表面积之和）。 可求得D=38.5。 那么，该零件的拉伸系数m=d/D=15.1/38.5=0.39。 根据资料中的判断条件，确定是否采用压边： 毛坯相对厚度t/D100=1/38.5100=2.6 (0.090.17) (1-m)=0.05490.104 因t/D(0.090.17)(1-m) 故需采用压边圈。 查表得，极限拉伸系数m极

9、=0.480.5。 因mm极，故需多次拉伸。 根据资料，可选取各次拉伸系数m1=0.52，m2=0.76。 即第一次拉伸：d1=m1D=0.5239=20。 第二次拉伸：d2=m2d1=0.7620=15.1（式中各零件直径为中心层直径）。 3 工艺方案的确定 考虑到该零件锥形部分成形高度h=7.5(0.250.3)d2=9.7511.7，属于浅锥形件，毛坯的变形程度不大，故能一次拉成，但按锥形件成形规律，须先拉伸成直径等于锥形件大端直径的圆筒形。 由于锥形底部及侧面的3个5mm孔的冲切直接与锥形拉伸成形有关，因此宜在锥形部分成形后加工，否则易产生孔变形。 根据上述分析及工艺计算，按传统工艺一

10、般可制定出如下工艺方案：落料第一次拉伸第二次拉伸拉成锥形修边冲各孔。 即：整个零件的加工由6个工序、6副模具完成。 考虑到锥形拉伸为浅锥形件拉伸，变形量不大，对已拉伸的零件口部影响很小，可以考虑将第二次拉伸与修边复合；又由于落料直径38.5mm与第一次拉伸筒形外径21mm两尺寸相差较大，能保证落料-拉伸上模壁厚有足够的强度，两工序有复合的条件；锥形拉伸与冲底孔及侧孔两工序通过合理的模具设计当然也能实现复合，但使模具设计变得复杂，模具制造也很困难。 为进一步提高企业效益，同时针对企业生产加工能力，决定对上述6个工序进行有效复合为4个，制订工艺方案如图2所示，即：先落料并首次拉伸(图2a)第二次拉

11、伸并挤边(图2b)拉成锥形(图2c)冲底孔及侧孔(图2d)。 因此，整个零件由4个工序完成加工，需要设计4副模具，即：落料-首次拉伸复合模第二次拉伸-挤边复合模锥形成形模冲孔模。 4 模具设计 4.1 落料-首次拉伸复合模设计 设计的落料-首次拉伸复合模结构如图3示。 模具工作过程为：坯料送入，上模下行，落料下模8及落料-拉伸上模2分别与坯料接触落料，落下的圆形毛坯被卸料板7及落料-拉伸上模2压紧校平，当滑块继续下行时，坯料分别通过凸模4及落料-拉伸上模2的向上、向下运动完成拉伸，拉伸好的零件通过卸料器3推下。 图3 落料-首次拉伸复合模结构图 1.聚氨酯橡胶 2.落料-拉伸上模 3.卸料器

12、4.凸模 5.顶杆 6.压料板 7.卸料板 8.落料下模由于其结构较为典型，此处不再详述。 4.2 拉伸-挤边复合模 设计的拉伸-挤边复合模，结构如图4所示。 图4 拉伸-挤边复合模结构图 1.上模座 2.拉伸挤切凹模 3.压边圈 4.卸料板 5.打杆 6.模柄 7.拉伸挤切凸模 8.调节螺母 9.限位柱 10.顶杆 11.螺杆 12.下模座 13.顶板 14.弹簧 15.调整板 16.调整螺母 冲床滑块上行，模具开启，顶杆10、顶板13将弹簧14的弹力传递到压边圈3而被顶起。此时，将首次拉伸好的半成品套于压边圈3上，当冲床滑块下行，拉伸挤切凹模2与压边圈3作用进行压边，其压边力大小可通过适当

13、调节限位柱9与压边圈3台阶处的距离进行控制。随着冲床滑块的逐渐下移，拉伸挤切凹模2与拉伸挤切凸模7共同作用对拉伸半成品进行第二次拉伸，当拉伸完成，拉伸挤切凸模7上的挤切刃口部位开始与拉伸挤切凹模2作用将挤切口部挤切出来，完成修边。零件及废料由卸料板4从拉伸挤切凹模2内推出，工件与切边料自行分离。 模具设计中，采用的套筒式压边圈3同时起压边及定位作用，同时考虑到料薄易起皱，设置了调整弹簧14来达到足够的压紧力，在拉伸挤切凹模2上安有限位柱9来调节压边圈3的合适压紧力，因此，能使压边力保持均衡同时又可防止将坯料夹得过紧。 整副模具拉伸单边间隙取1.1mm，挤切凸凹模挤切的双边间隙取0.040.06

14、mm。 4.3 锥形模设计 设计的锥形模结构如图5所示。 模具开启，卸料块2在压机缓冲器作用下顶起至于锥形凹模3型腔的锥形面平齐，此时将拉伸切边好的半成品套入锥形凹模3上半部分定位，随着锥形凸模1下降，其与卸料块2、锥形凹模3共同作用，逐渐将简体部分拉伸成锥形，随着冲床滑块继续下降，锥形凹模3与锥形凸模1完全接触，卸料块2对简体进行校平、校正，整个成形好的简体也得到校正，随着压机滑块上升，卸料块2在压机缓冲器弹力作用下将拉伸好的零件推出型腔，整个模具工作到位。 4.4 冲孔模设计 设计的冲孔模结构如图6所示。 模具工作时，首先将完成锥形拉伸的半成品套入凹模8中，模具工作时，卸料板7在弹簧作用下，对零件底部实行压紧，随着压机滑块的下行，凸模6开始对零件底部进行冲孔，与此同时，斜楔2分别与各自的斜孔凸模3接触，通过斜楔斜面的推动作用，完成对零件锥形侧壁孔的冲裁，随着上模的上升，斜楔2与斜孔凸模3脱离接触，斜孔凸模3在各自弹簧10的弹力作用下回复，至此限位销9限位而停止，此时，可将冲好的零件从凹模8中取出，模具转入下一个工作循环。 图6 冲孔模简图 1.挡块 2.斜楔 3.斜孔凸模 4.固定座 5.固定板 6.凸模 7.卸料板 8.凹模 9.限位销 10.弹簧为保证冲孔过程中的稳定，卸料板7首先在冲孔前实施对零件的压紧，凹