高正方形盒形件拉深工艺及模具设计

《模具制造》!""!#$%#&总第’期

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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

!""","）洪慎章曾振鹏

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

【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

&概述

电池壳是通讯器材的重要零件之一，数量大，其形

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：

（&）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，使得径向应力圆角中部!!及切向应力!"在角部的分布是不均匀的，最大，逐渐向两边减小，如图!所示。

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。

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。

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

（!）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。

（,）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

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。

&!

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

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尺寸。

（’）第+次拉深工序的壁间距、角间距、毛坯直径及高度。

当!

角

查资料得壁间距)+*/・0#*"#&’及(*(时，%*

/1"#)*+#),,。

角间距**)+."#(&!角5"#!"/#*+#)."#(&1+5"#!"/1

&-*"#/-""#4,,。

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。

"#（!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#*&-."#&(高度$"*/!.&#"正方边长与!,,，",,，",,，其高度相差较大，板材厚度%*"#),,。

+!*

!’++

式中拉深系数,+按相对厚**+(,,，

+"#!)!

’!5+!・."#(+!+!."#+!!!）!）!!

度查得,+*"#/’。

$!**

+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

"#!)&/!!

."#(++(."#+!1&/）*))#’,,4/5+(）+!+(

式中,!同上查得。*&((#/+"(),,，

!’!4/

・（5+&）."#(+&+&."#+!!&）*"#!)

&&（4）第一次拉深工序的毛坯直径及高度：

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!拉深工艺。

角

+&*

（$&*"#!)

5()）."#(+

0#*+0&-*"#&’及相对高度

!!#)

()."#+!・!!#)）*+-#)!"(",,。（-）各次拉深凸模圆角半径。

从资料查得该正方形盒形件为多次$"0#*/!0&-*+#/-，

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"#)*!#),,。

+#&毛坯尺寸及工序的计算检查相对厚度。（&）

%"#)

应1&""*!#’+2!，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。

按资料中的方法计算。

（!）检查圆角半径。(・则!角*+2(%。%*(1"#)*!,,，（+）方形件毛坯高度。当$"0!角*/!0+*!(时，由资料查得：（"#")3"#"4）则!$*$"*"#"41/!*)#/’"’,,，

$&$".!$*/!.’*/4,,。

毛坯直径（!角#!底）（(）

底角底角’&&#&+!角底*&#&+!+#!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

*4’#&/"4/,,

（)）初步估计所需拉深次数。根据%"#1&""*

!*+&"$0,,!及抗拉强度")*+-"$0,,!进行计算。

（&）落料力-&。

・・・・-&*&#+.・%!*&#+#’%!

式中

"#)

1/4$

查资料可知拉深次数(*&""*!#’+及1&""**(#&，

.、’——落料件的周长及直径，,,

——板材厚度，%—,,

0!

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&)

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

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’。

’(

式中

!!!

（$&5!)凹）3(46*——毛坯直径，(—//

——第一次拉深毛坯直径，$&—//——第一次拉深凹模圆角半径，)凹—//——单位压力，*—$0//!。查资料得*()$0//!

代入上式得：

!!

（1-5!#+）’(3+,!46*)(2#"’.$选择压力机的总冲压力为：

图1电池壳落料—首次拉深复合模

&#上模座,#上推块

!、&’#螺帽)#打料棒1#上弹簧2#落料凹模

-、&)#螺钉’#垫板&&#

拉深凸凹模+#落料、&"#拉深凸模

&,#螺杆!(!&5!!5’压边圈&!#下模板&1#下弹簧&-#下托板

&(

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。当滑块继续向上回把升时，通过打料棒6及上推块5组成刚性推件机构，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!&。

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(#6压边圈

为了防止在拉深过程中，制件的壁起皱，应使毛坯

被拉入凹模圆角以前，保持稳定状态，其稳定程度主要取决于毛坯的相对厚度

!"#)

7&""-7&""-"#)5，查资料得知，必须采用压边圈。

(#(凸、凹模的模具材料

各种工序的凸、凹模是在十分恶劣的条件下工作

的，在冲击载荷作用下，承受高压和瞬时高温，刃口工作表面在高压和瞬时高温下，和制件的新生表面之间产生相对滑动摩擦，因此要选用硬度高、耐磨性好、强度大及韧性佳的模具材料。对电池壳"*8优质碳素结构钢，落料凹模选用优质碳素工具钢9&"+，热处理硬度为)*:’!;&!?%@，热处理硬度为’!:’(;

(#!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、

)结束语

在当今通讯工业迅速发展下，其中电池的数量日

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。

按材料机械性能及板材厚度决定，各工序的间隙值查资料可得：落料凸模与凹模的双边间隙为

&6

益增加，追求产品价格及质量十分剧烈，采用先进的单工序简单模拉深技术是一项行之有效的最佳途径，既能减少设备投资，又能解决模具制造工艺，从而大大降低了产品成本，经济效益显著。

参

考

文

献

薛启翔#复杂形状零件引伸#北京：机械工业出版社，&4*4#冲压工艺及冲模设计编写委员会#冲压工艺及冲模设计#北京：国防工业出版社，&446#

郭景仪#冲压模具设计与制造技术#北京出版社，!陈炎嗣，&44&#

"#")..。首次拉深凸模与凹模的单边间隙为"#))..。

车厢内装饰件压形切口模设计

郑州日产汽车有限公司（河南郑州

()&()"）胡治钰

【摘要】分析了车厢内装饰件的冲压工艺，着重介绍了车厢内装饰件压形切口模的结构。关键词

车厢内装饰件

压形切口模

工艺分析

没有联系到合适的外协厂家，因此改为钢板冲压件，图中的1、2、3坐标表示零件装车时的空间位置。

&引言

图&所示为车厢内装饰件的产品图，材料为"*+,，

料厚!-&#"..，该零件是我公司生产的/((车型（0!!!