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學 號
分 類 號
密 級
XX大學
畢業(yè)設計說明書
汽車水泵葉輪沖壓工藝與模具設計
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
材料成型及控制工程
學生姓名
指導教師
20xx年 5 月 15 日
汽車水泵葉輪沖壓工藝與模具設計
摘要
工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用模具成型工藝方法，有效地保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量，使操作技術簡化，還能省料、節(jié)能，獲得顯著的經(jīng)濟效益。
由于產(chǎn)品的材料和工藝特性不同，生產(chǎn)用的設備也各異，模具種類繁多，但用的最為廣泛的大約有以下幾種：冷沖壓模、塑料成型模、鍛造模、精密鑄造模、粉末冶金模、橡膠成型模、玻璃成型模、窯業(yè)制品模、食品糖果模、建材用模等。其中以冷沖壓模、塑料模的技術要求和復雜程度較高。
設計內(nèi)容是從零件的工藝性分析開始的，根據(jù)工藝要求來確定設計的大體思路。其開始是確定該模具類型為落料、拉深復合模，做工藝計算，確定模具的壓力中心，計算出沖裁時的拉深力、沖壓力、卸料力、整形力，最后根據(jù)前面所計算出的內(nèi)容確定模具的凸、凹模的刃口尺寸和形狀。設計出定位方式、卸料裝置、頂件裝置、模架等模具的主要零部件，并確定沖模的閉合高度從而選擇壓力機，完成整個模具的設計工作。
模具主要零部件結構設計是模具設計的主要內(nèi)容，其內(nèi)容包含了凹模結構設計、凸模結構設計、定位零件、彈性卸料裝置、導柱與導套、模柄與模架的選取等重要零部件的設計加工方法和加工注意要點。這樣更有利于加工人員的一線操作，使其通俗易懂加工方便。
本次設計不僅讓我熟悉了課本所學的知識，而且讓我做到所學的知識靈活運用到實踐當中，更讓我了解了沖壓模具設計的全過程和加工實踐中應注意的要點。使我從畢業(yè)設計中更好理解了模具實際生產(chǎn)中的重要性。
關鍵詞：落料，拉深，沖孔，整形
Auto water pump impeller stamping process and die design
Abstract
The molding process methods commonly used in industrial production, and effectively ensure the productivity and quality of the product, so that the operating technology to simplify, but also material saving, energy saving, significant economic benefits.
Materials and workmanship of the product characteristics, production equipment also vary a wide range of mold, but the most widely used in approximately the following: cold stamping mold, plastic molding, forging mold, the mold of precision casting, powder metallurgy mold, rubber molding, glass molding, ceramic products, mold, food candy mold, building materials and mold.Among them, the high technical requirements and complexity of the cold stamping mold, plastic mold.
Design from the parts of the process began, according to process requirements to determine the design of the general idea. The start is to determine the mold type blanking, deep drawing composite mode, doing process calculation to determine the center of pressure of the mold, the drawing force calculated punching, punching pressure, discharge power, shaping force, the last earlier content calculated to determine the edge size and shape of the mold of convex and concave mold. Design the main components of the positioning method, unloading equipment, roof installation, mold, mold, and to determine the die shut height to select presses to complete the design work of the entire mold.
The mold structure design of the main components is the main content of the mold design, its content includes the structural design of the die the punch structural design, locate parts, elastic unloading equipment, guide post, guide sleeve, die handle and mold selection of importantprocessing methods and processing of parts of the design points to note. This is more conducive to processing first-line operation, make it easy to understand and easy to process.
This design not only familiar with the textbook knowledge learned, but I do have learned flexibility to practice, made me understand the main points should be noted that in the whole process of stamping die design and processing practices. Make me a better understanding of the importance of actual production of the mold from the graduation project.
Keywords: Blanking, deep drawing, punching, shaping.
目 錄
1 . 緒 論 ..............................................................................................................................1
1.1 選題背景...................................................................................................................1
. 1.2 課題相關調(diào)研 ........................................................................................................1
1.3 沖壓的概念、特點及應用......................................................................................1
1.4 沖壓的基本工序及模具..........................................................................................2
1.5 沖壓技術的現(xiàn)狀及發(fā)展方向..................................................................................3
2 沖壓件工藝分析..............................................................................................................7
2.1 材料..........................................................................................................................7
2.2尺寸精度...................................................................................................................8
3 確定工藝方案 ...............................................................................................................10
4 主要工藝計算.................................................................................................................13
4.1排樣設計與計算 .....................................................................................................13
4.2 落料尺寸.................................................................................................................14
4.3 計算條料寬度與送料步距.....................................................................................17
4.4 壓力中心的確定.....................................................................................................17
4.5 拉深道次及各道次尺寸.........................................................................................18
4.5.1 由Φ87毛坯拉成內(nèi)徑Φ23.5......................................................................18
4.5.2由內(nèi)徑Φ23.5拉出內(nèi)徑Φ11.5的階梯.......................................................21
4.6 落料、拉深沖壓力.................................................................................................23
4.7 頂件力、推件力的計算.........................................................................................24
5 模具的技術要求及材料選用.........................................................................................26
5.1 模具的技術要求......................................................................................................26
5.2 模具材料的選用原則..............................................................................................26
6 模具設計.........................................................................................................................26
6.1 落料、拉深復合模.................................................................................................28
6.1.1模具結構..........................................................................................................28
6.1.2模具工件部分尺寸及公差計算 ...................................................................29
6.2 修邊沖孔模..............................................................................................................31
6.21模具結構..........................................................................................................31
6,22模具工件部分尺寸及公差計算......................................................................32
6.3 切槽模.....................................................................................................................33
6.31模具結構..........................................................................................................34
6.32模具工件部分尺寸及公差計算......................................................................34
6.4 翻邊模.....................................................................................................................36
6.41 模具結構.........................................................................................................36
6.42 模具工件部分尺寸及公差計算.....................................................................36
7 工作零件的加工工藝......................................................................................................39
8 模具的裝配與調(diào)試..........................................................................................................41
8.1 模具的裝配..............................................................................................................41
8.2 模具的調(diào)試..............................................................................................................42
總 結 ....................................................................................................................................43
致 謝 ..................................................................................................................................44
參考文獻................................................................................................................................45
1 緒 論
1.1選題背景
在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，微型汽車上發(fā)動機冷卻系統(tǒng)離心式水泵內(nèi)葉輪由鑄鐵等金屬或工程塑料制成，采用向后彎曲的半圓弧、雙圓弧或多圓弧形葉片，其葉型與水流方向一致，泵水效率較高。塑料葉輪容易實現(xiàn)小型化和輕量化，且耐腐蝕性能好，有越來越多的汽車發(fā)動機水泵使用了塑料葉輪。但塑料葉輪容易開裂或葉輪磨損后從泵軸上松脫，使冷卻液循環(huán)速度變慢，容易引起發(fā)動機溫度過高的故障。損壞的葉輪在旋轉(zhuǎn)時還可能撞擊水泵殼體，造成殼體碎裂。鑄鐵制成的水泵葉輪機械強度較高，但其質(zhì)量較大。因此一種能綜合現(xiàn)在采用材料優(yōu)點而又避其缺點的產(chǎn)品就應時而生了。
1.2 課題相關調(diào)研
水箱在汽車的冷卻、散熱中有著重要的作用。因為汽車的冷卻系統(tǒng)是用來為發(fā)動機散熱的，一般常見的發(fā)動機過熱問題。發(fā)動機是由冷卻液的循環(huán)來實現(xiàn)的，強制冷卻液循環(huán)的部件是水泵，它由曲軸皮帶帶動水泵葉輪推動冷卻液在整個系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。
為了保證冷卻效果，汽車冷卻系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：散熱器、節(jié)溫器、水泵、缸體水道、缸蓋水道、風扇等組成。據(jù)資料顯示：導致汽車拋錨的故障中，冷卻系統(tǒng)故障位居第一。由此可見，汽車冷卻系統(tǒng)保養(yǎng)對汽車安全運行起著重要的作用。
葉輪用于微型汽車上發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的離心式水泵內(nèi)，工件時以1500-3000r/min左右的速度旋轉(zhuǎn)，使冷卻水在冷卻系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動。為保證足夠的強度和剛度，葉輪采用厚度為2mm的Al脫氧鎮(zhèn)靜鋼冷軋板。
1.3沖壓的概念、特點及應用
沖壓是利用安裝在沖壓設備（主要是壓力機）上的模具對材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件（俗稱沖壓或沖壓件）的一種壓力加工方法。沖壓通常是在常溫下對材料進行冷變形加工，且主要采用板料來加工成所需零件，所以也叫冷沖壓或板料沖壓。沖壓是材料壓力加工或塑性加工的主要方法之一，隸屬于材料成型工程術。
沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產(chǎn)就難以進行；沒有先進的沖模，先進的沖壓工藝就無法實現(xiàn)。沖壓工藝與模具、沖壓設備和沖壓材料構成沖壓加工的三要素，只有它們相互結合才能得出沖壓件。
與機械加工及塑性加工的其它方法相比，沖壓加工無論在技術方面還是經(jīng)濟方面都具有許多獨特的優(yōu)點。主要表現(xiàn)如下。
(1) 沖壓加工的生產(chǎn)效率高，且操作方便，易于實現(xiàn)機械化與自動化。這是因為沖壓是依靠沖模和沖壓設備來完成加工，普通壓力機的行程次數(shù)為每分鐘可達幾十次，高速壓力要每分鐘可達數(shù)百次甚至千次以上，而且每次沖壓行程就可能得到一個沖件。
（2）沖壓時由于模具保證了沖壓件的尺寸與形狀精度，且一般不破壞沖壓件的表面質(zhì)量,而模具的壽命一般較長,所以沖壓的質(zhì)量穩(wěn)定,互換性好,具有“一模一樣”的特征。
（3）沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀較復雜的零件，如小到鐘表的秒表，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時材料的冷變形硬化效應，沖壓的強度和剛度均較高。
（4）沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需其它加熱設備，因而是一種省料，節(jié)能的加工方法，沖壓件的成本較低。
但是，沖壓加工所使用的模具一般具有專用性，有時一個復雜零件需要數(shù)套模具才能加工成形，且模具 制造的精度高，技術要求高，是技術密集形產(chǎn)品。所以，只有在沖壓件生產(chǎn)批量較大的情況下，沖壓加工的優(yōu)點才能充分體現(xiàn)，從而獲得較好的經(jīng)濟效益。
沖壓加工在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是大批量生產(chǎn)中應用十分廣泛。相當多的工業(yè)部門越來越多地采用沖壓法加工產(chǎn)品零部件，如汽車、農(nóng)機、儀器、儀表、電子、航空、航天、家電及輕工等行業(yè)。在這些工業(yè)部門中，沖壓件所占的比重都相當?shù)拇螅賱t60%以上，多則90%以上。不少過去用鍛造=鑄造和切削加工方法制造的零件，現(xiàn)在大多數(shù)也被質(zhì)量輕、剛度好的沖壓件所代替。因此可以說，如果生產(chǎn)中不諒采用沖壓工藝，許多工業(yè)部門要提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、快速進行產(chǎn)品更新?lián)Q代等都是難以實現(xiàn)的。
1.4 沖壓的基本工序及模具
由于沖壓加工的零件種類繁多，各類零件的形狀、尺寸和精度要求又各不相同，因而生產(chǎn)中采用的沖壓工藝方法也是多種多樣的。概括起來，可分為分離工序和成形工序兩大類；分離工序是指使坯料沿一定的輪廓線分離而獲得一定形狀、尺寸和斷面質(zhì)量的沖壓（俗稱沖裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的條件下產(chǎn)生塑性變形而獲得一定形狀和尺寸的沖壓件的工序。
上述兩類工序，按基本變形方式不同又可分為沖裁、彎曲、拉深和成形四種基本工序，每種基本工序還包含有多種單一工序。
在實際生產(chǎn)中，當沖壓件的生產(chǎn)批量較大、尺寸較少而公差要求較小時，若用分散的單一工序來沖壓是不經(jīng)濟甚至難于達到要求。這時在工藝上多采用集中的方案，即把兩種或兩種以上的單一工序集中在一副模具內(nèi)完成，稱為組合的方法不同，又可將其分為復合-級進和復合-級進三種組合方式。
復合沖壓——在壓力機的一次工作行程中，在模具的同一工位上同時完成兩種或兩種以上不同單一工序的一種組合方法式。
級進沖壓——在壓力機上的一次工作行程中，按照一定的順序在同一模具的不同工位上完面兩種或兩種以上不同單一工序的一種組合方式。
復合-級進——在一副沖模上包含復合和級進兩種方式的組合工序。
沖模的結構類型也很多。通常按工序性質(zhì)可分為沖裁模、彎曲模、拉深模和成形模等；按工序的組合方式可分為單工序模、復合模和級進模等。但不論何種類型的沖模，都可看成是由上模和下模兩部分組成，上模被固定在壓力機工作臺或墊板上，是沖模的固定部分。工作時，坯料在下模面上通過定位零件定位，壓力機滑塊帶動上模下壓，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需形狀與尺寸的沖件。上?；厣龝r，模具的卸料與出件裝置將沖件或廢料從凸、凹模上卸下或推、頂出來，以便進行下一次沖壓循環(huán)。
1.5 沖壓技術的現(xiàn)狀及發(fā)展方向
隨著科學技術的不斷進步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，許多新技術、新工藝、新設備、新材料不斷涌現(xiàn)，因而促進了沖壓技術的不斷革新和發(fā)展。其主要表現(xiàn)和發(fā)展方向如下
1.5.1 沖壓成形理論及沖壓工藝方面
沖壓成形理論的研究是提高沖壓技術的基礎。目前，國內(nèi)外對沖壓成形理論的研究非常重視，在材料沖壓性能研究、沖壓成形過程應力應變分析、板料變形規(guī)律研究及坯料與模具之間的相互作用研究等方面均取得了較大的進展。特別是隨著計算機技術的飛躍發(fā)展和塑性變形理論的進一步完善，近年來國內(nèi)外已開始應用塑性成形過程的計算機模擬技術，即利用有限元（FEM）等有值分析方法模擬金屬的塑性成形過程，根據(jù)分析結果，設計人員可預測某一工藝方案成形的可行性及可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，并通過在計算機上選擇修改相關參數(shù)，可實現(xiàn)工藝及模具的優(yōu)化設計。這樣既節(jié)省了昂貴的試模費用，也縮短了制模具周期。
研究推廣能提高生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和擴大沖壓工藝應用范圍的各種壓新工藝，也是沖壓技術的發(fā)展方向之一。目前，國內(nèi)外相繼涌現(xiàn)出精密沖壓工藝、軟模成形工藝、高能高速成形工藝及無模多點成形工藝等精密、高效、經(jīng)濟的沖壓新工藝。其中，精密沖裁是提高沖裁件質(zhì)量的有效方法，它擴大了沖壓加工范圍，目前精密沖裁加工零件的厚度可達25mm，精度可達IT16~17級；用液體、橡膠、聚氨酯等作柔性凸?；虬寄５能浤３尚喂に?，能加工出用普通加工方法難以加工的材料和復雜形狀的零件，在特定生產(chǎn)條件下具有明顯的經(jīng)濟效果；采用爆炸等高能效成形方法對于加工各種尺寸在、形狀復雜、批量小、強度高和精度要求較高的板料零件，具有很重要的實用意義；利用金屬材料的超塑性進行超塑成形，可以用一次成形代替多道普通的沖壓成形工序，這對于加工形狀復雜和大型板料零件具有突出的優(yōu)越性；無模多點成形工序是用高度可調(diào)的凸模群體代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具進行板料曲面成形的一種先進技術，我國已自主設計制造了具有國際領先水平的無模多點成形設備，解決了多點壓機成形法，從而可隨意改變變形路徑與受力狀態(tài)，提高了材料的成形極限，同時利用反復成形技術可消除材料內(nèi)殘余應力，實現(xiàn)無回彈成形。無模多點成形系統(tǒng)以CAD/CAM/CAE技術為主要手段，能快速經(jīng)濟地實現(xiàn)三維曲面的自動化成形。
1.5.2沖模是實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)的基本條件
在沖模的設計制造上,目前正朝著以下兩方面發(fā)展:一方面,為了適應高速、自動、精密、安全等大批量現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，沖模正向高效率、高精度、高壽命及多工位、多功能方向發(fā)展，與此相比適應的新型模具材料及其熱處理技術，各種高效、精密、數(shù)控自動化的模具加工機床和檢測設備以及模具CAD/CAM技術也在迅速發(fā)展；另一方面，為了適應產(chǎn)品更新?lián)Q代和試制或小批量生產(chǎn)的需要，鋅基合金沖模、聚氨酯橡膠沖模、薄板沖模、鋼帶沖模、組合沖模等各種簡易沖模及其制造技術也得到了迅速發(fā)展。
精密、高效的多工位及多功能級進模和大型復雜的汽車覆蓋件沖模代表了現(xiàn)代沖模的技術水平。目前，50個工位以上的級進模進距精度可達到2微米，多功能級進模不僅可以完成沖壓全過程，還可完成焊接、裝配等工序。我國已能自行設計制造出達到國際水平的精度達2~5微米，進距精度2~3微米，總壽命達1億次。我國主要汽車模具企業(yè)，已能生產(chǎn)成套轎車覆蓋件模具，在設計制造方法、手段方面已基本達到了國際水平，但在制造方法手段方面已基本達到了國際水平，模具結構、功能方面也接近國際水平，但在制造質(zhì)量、精度、制造周期和成本方面與國外相比還存在一定差距。
模具制造技術現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎。計算機技術、信息技術、自動化技術等先進技術正在不斷向傳統(tǒng)制造技術滲透、交叉、融合形成了現(xiàn)代模具制造技術。其中高速銑削加工、電火花銑削加工、慢走絲切割加工、精密磨削及拋光技術、數(shù)控測量等代表了現(xiàn)代沖模制造的技術水平。高速銑削加工不但具有加工速度高以及良好的加工精度和表面質(zhì)量（主軸轉(zhuǎn)速一般為15000~40000r/min），加工精度一般可達10微米，最好的表面粗糙度Ra≤1微米），而且與傳統(tǒng)切削加工相比具有溫升低（工件只升高3攝氏度）、切削力小，因而可加工熱敏材料和剛性差的零件，合理選擇刀具和切削用量還可實現(xiàn)硬材料（60HRC）加工；電火花銑削加工（又稱電火花創(chuàng)成加工）是以高速旋轉(zhuǎn)的簡單管狀電極作三維或二維輪廓加工（像數(shù)控銑一樣），因此不再需要制造昂貴的成形電極，如日本三菱公司生產(chǎn)的EDSCAN8E電火花銑削加工機床，配置有電極損耗自動補償系統(tǒng)、CAD/CAM集成系統(tǒng)、在線自動測量系統(tǒng)和動態(tài)仿真系統(tǒng)，體現(xiàn)了當今電火花加工機床的技術水平；慢走絲線切割技術的發(fā)展水平已相當高，功能也相當完善，自動化程度已達到無人看管運行的程度，目前切割速度已達到300mm/min，加工精度可達±1.5微米，表面粗糙度達Ra=01~0.2微米;精度磨削及拋光已開始使用數(shù)控成形磨床、數(shù)控光學曲線磨床、數(shù)控連續(xù)軌跡坐標磨床及自動拋光等先進設備和技術;模具加工過程中的檢測技術也取得了很大的發(fā)展,現(xiàn)在三坐標測量機除了能高精度地測量復雜曲面的數(shù)據(jù)外,其良好的溫度補償裝置、可靠的抗振保護能力、嚴密的除塵措施及簡單操作步驟，使得現(xiàn)場自動化檢測成為可能。此外，激光快速成形技術（RPM）與樹脂澆注技術在快速經(jīng)濟制模技術中得到了成功的應用。利用RPM技術快速成形三維原型后，通過陶瓷精鑄、電弧涂噴、消失模、熔模等技術可快速制造各種成形模。如清華大學開發(fā)研制的“M-RPMS-Ⅱ型多功能快速原型制造系統(tǒng)”是我國自主知識產(chǎn)權的世界惟一擁有兩種快速成形工藝（分層實體制造SSM和熔融擠壓成形MEM）的系統(tǒng)，它基于“模塊化技術集成”之概念而設計和制造，具有較好的價格性能比。一汽模具制造公司在以CAD/CAM加工的主模型為基礎，采用瑞士汽巴精化的高強度樹脂澆注成形的樹脂沖模應用在國產(chǎn)轎車試制和小批量生產(chǎn)開辟了新的途徑。
1.5.3 沖壓設備和沖壓生產(chǎn)自動化方面
性能良好的沖壓設備是提高沖壓生產(chǎn)技術水平的基本條件，高精度、高壽命、高效率的沖模需要高精度、高自動化的沖壓設備相匹配。為了滿足大批量高速生產(chǎn)的需要，目前沖壓設備也由單工位、單功能、低速壓力機朝著多工位、多功能、高速和數(shù)控方向發(fā)展，加之機械乃至機器人的大量使用，使沖壓生產(chǎn)效率得到大幅度提高，各式各樣的沖壓自動線和高速自動壓力機紛紛投入使用。如在數(shù)控四邊折彎機中送入板料毛坯后，在計算機程序控制下便可依次完成四邊彎曲，從而大幅度提高精度和生產(chǎn)率；在高速自動壓力機上沖壓電機定轉(zhuǎn)子沖片時，一分鐘可沖幾百片，并能自動疊成定、轉(zhuǎn)子鐵芯，生產(chǎn)效率比普通壓力機提高幾十倍，材料利用率高達97%；公稱壓力為250KN的高速壓力機的滑塊行程次數(shù)已達2000次/min以上。在多功能壓力機方面，日本田公司生產(chǎn)的2000KN“沖壓中心”采用CNC控制，只需5min時間就可完成自動換模、換料和調(diào)整工藝參數(shù)等工作；美國惠特尼公司生產(chǎn)的CNC金屬板材加工中心，在相同的時間內(nèi)，加工沖壓件的數(shù)量為普通壓力機的4~10倍，并能進行沖孔、分段沖裁、彎曲和拉深等多種作業(yè)。
近年來，為了適應市場的激烈競爭，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，且其更新?lián)Q代的周期大為縮短。沖壓生產(chǎn)為適應這一新的要求，開發(fā)了多種適合不同批量生產(chǎn)的工藝、設備和模具。其中，無需設計專用模具、性能先進的轉(zhuǎn)塔數(shù)控多工位壓力機、激光切割和成形機、CNC萬能折彎機等新設備已投入使用。特別是近幾年來在國外已經(jīng)發(fā)展起來、國內(nèi)亦開始使用的沖壓柔性制造單元（FMC）和沖壓柔性制造系統(tǒng)（FMS）代表了沖壓生產(chǎn)新的發(fā)展趨勢。FMS系統(tǒng)以數(shù)控沖壓設備為主體，包括板料、模具、沖壓件分類存放系統(tǒng)、自動上料與下料系統(tǒng)，生產(chǎn)過程完全由計算機控制，車間實現(xiàn)24小時無人控制生產(chǎn)。同時，根據(jù)不同使用要求，可以完成各種沖壓工序，甚至焊接、裝配等工序，更換新產(chǎn)品方便迅速，沖壓件精度也高。
2沖壓件工藝分析
零件簡圖：如圖2.１所示：
生產(chǎn)批量：大批量
零件材料：08Al-ZF
材料厚度：2mm
圖2.1 水泵葉輪零件圖
2.1 材料
葉輪用于微型汽車上發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的離心式水泵內(nèi)，工作時以1500~3000r/min左右的速度旋轉(zhuǎn)，使冷卻水在冷卻系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動。為保證足夠的強度和剛度，葉輪采用厚度為2mm的鋼板。
沖壓工藝對材料的基本要求主要是：
（1） 對沖壓成形性能的要求：為了有利于沖壓變形和制件質(zhì)量的提高，材料應具有良好的沖壓成形性能。而沖壓成形性能與材料的機械性能密切相關，通常要求材料應具有：良好的塑性，屈強比小，彈性模量高，板厚方向性系數(shù)大，板平面方向性系數(shù)小。
（2） 對材料厚度公差的要求：材料的厚度公差應符合國家規(guī)定標準。因為一定的模具間隙適用于一定厚度的材料，材料厚度公差太大，不僅直接影響制件的質(zhì)量，還可能導致模具和沖床的損壞。
（3） 對表面質(zhì)量的要求：材料的表面應光潔平整，無分層和機械性質(zhì)的損傷，無銹斑、氧化皮及其它附著物。表面質(zhì)量好的材料，沖壓時不易破裂，不易擦傷模具，工件表面質(zhì)量好。
由于08Al具有良好的塑性，屈服比小，彈性模量高，沖壓時不易破裂，表面質(zhì)量好，基本符合該零件需要，所以選擇該材料為零件材料。08Al按拉深質(zhì)量分為三級：ZF(用于拉深最復雜零件)，HF（用于拉深很復雜零件）F（用于拉深簡單的零件）。由于形狀比較復雜，特別是中間的拉深成型難度大，葉輪零件采用ZF級的材料，表面質(zhì)量也為較高的Ⅱ級。表2.1列出了08Al-ZF的力學性能。
表2.1 08Al-ZF的力學性能
（GB5213-1985和GB710-1988）
?/(Mpa)
?/Mpa
?(%)
?/?
不 小 于
260～330
200
44
0.66
2.2尺寸精度
為減輕震動，減少噪音，葉輪零件的加工精度有一定的要求。除了7個葉片形狀和尺寸應一致外，葉輪中部與固定軸配合部位的要求也較高。由于靠沖壓加工難以達到直徑Φ23.8和Φ11.70-0.1的要求，實際生產(chǎn)中采用了沖壓成形后再切削加工的辦法。沖壓成形后要留有足夠的機加余量，因此孔Φ23.8和Φ11.70-0.1的沖壓尺寸取為Φ23.5和Φ11.5。拉深成形后的高度尺寸22.5±0.26精度高于表2.3中的尺寸偏差，需由整形保證。
表2.2 拉深件直徑的極限偏差
材料厚度
拉深件直徑的基本尺寸d
≤50
＞50～100
＞100～300
0.5
±0.12
-
-
0.6
±0.15
±0.20
-
0.8
±0.20
±0.25
±0.30
1.0
±0.25
±0.30
±0.40
1.2
±0.30
±0.35
±0.50
1.5
±0.35
±0.40
±0.60
2.0
±0.40
±0.50
±0.70
2.5
±0.45
±0.60
±0.80
3.0
±0.50
±0.70
±0.90
4.0
±0.60
±0.80
±1.00
表2.3 帶凸緣拉深件拉深高度的尺寸偏差
材料厚度
拉深件高度的基本尺寸h
≤18
＞18～30
＞30～50
＞50～80
＞80～120
≤1
±0.3
±0.4
±0.5
±0.6
±0.7
＞1～2
±0.4
±0.5
±0.6
±0.7
±0.8
＞2～3
±0.5
±0.6
±0.7
±0.8
±0.9
＞3～4
±0.6
±0.7
±0.8
±0.9
±1.0
＞4～5
-
-
±0.9
±1.0
±1.1
3 確定工藝方案
初步分析可以知道葉輪零件的沖壓成形需要多道工序。首先，零件中部是有凸緣的圓筒拉深件，有兩個階梯，筒底還要沖Φ6.5的孔；其次，零件外圈為翻邊后形成的7個“豎立”葉片，圍繞中心均勻分布。另外，葉片翻邊前還要修邊、切槽，由于拉深圓角半徑比較?。?.5~1），因此還需要整形。
對拉深工序，在葉片展開前，按料厚中心線計算有D外徑/d中經(jīng)=61.2/13.5≈4.53＞1.4，并且葉片展開后凸緣將更寬，所以屬于寬凸緣拉深。另外，零件拉深深度大（如最小階梯直徑的相對高度h/d=20.5/13.5=1.52，遠大于一般帶凸緣筒形件第一次拉深許可的最大相對拉深高度），所以拉深成形比較困難，要多次拉深。
對于沖裁及翻邊工序，考慮到零件總體尺寸不大，而且葉片“豎立”后各葉片之間的空間狹小，結構緊湊，另外拉深后零件的底部還要沖Φ6.5的孔，所以模具結構設計與模具制造有一定難度，要特別注意模具的強度和剛度。
綜上所述，葉輪由平板毛坯沖壓成形應包括的基本工序有：沖裁（落料、沖孔、修邊與切槽）、拉深（多次拉深）、翻邊（將外圈葉片翻成豎直）等。
由于葉輪沖壓成形需多道次完成，因此制定合理的成形工藝方案十分重要?？紤]到生產(chǎn)批量大，應在生產(chǎn)合格零件的基礎上盡量提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。要提高生產(chǎn)效率，應該盡量復合能復合的工序。但復合程度太高，模具結構復雜，安裝、調(diào)試困難，模具成本提高，同時可能降低模具強度，縮短模具壽命。根據(jù)葉輪零件的實際情況，可能復合的工序有：落料與第一次拉深；最后一次拉深和整形；修邊、切槽；切槽、沖孔；修邊、沖孔；修邊、切槽、沖孔。
根據(jù)葉輪零件形狀，可以確定成形順序是先拉深中間的階梯圓筒形，然后成形外圈葉片。這樣能保持已成形部位尺寸的穩(wěn)定，同時模具結構也相對簡單。
修邊、切槽、沖孔在中間階梯拉深成形后以及葉片翻邊前進行。為保證7個葉片分度均勻，修邊和切槽不要逐個葉片的沖裁。
因此葉輪的沖壓成形主要有以下幾種工藝方案：
方案一：
（1）落料；
（2）拉深（多次）；
（3）整形；
（4）修邊；
（5）切槽；
（6）沖孔；
（7）翻邊。
方案二：
（1）落料與第一次拉深復合；
（2）后續(xù)拉深；
（3）整形；
（4）切槽、修邊、沖孔復合；
（5）翻邊。
方案三：
（1）落料與第一次拉深復合；
（2）后續(xù)拉深；
（3）整形；
（4）切槽、沖孔復合；
（5）修邊；
（6）翻邊。
方案四：
（1）落料與第一次拉深復合；
（2）后續(xù)拉深；
（3）整形；
（4）修邊、沖孔復合；
（5）切槽；
（6）翻邊。
方案五：
（1）落料與第一次拉深復合；
（2）后續(xù)拉深；
（3）整形；
（4）切槽；
（5）修邊、沖孔復合；
（6）翻邊。
方案一復合程度低，模具結構簡單，安裝、調(diào)試容易，但生產(chǎn)道次多，效率低，不適合大批量生產(chǎn)。
方案二至五將落料、拉深復合，主要區(qū)別在于修邊、切槽、沖孔的組合方式以及順序不同。需要注意的是，只有當拉深件高度較高，才有可能采用落料、拉深復合模結構形式，因此淺拉深件若采用落料、拉深復合模結構，落料凸模（同時又是拉深凹模）的壁厚太薄，強度不夠。
方案二將修邊、切槽、沖孔復合，工序少，生產(chǎn)效率高，但模具結構復雜，安裝、調(diào)試困難，同時模具強度也較低。
方案三將切槽和沖孔組合，由于所切槽與中間孔的距離較近，因此在模具結構上不容易安排，模具強度差。所以較好的這組合方式應該是修邊和沖孔組合，而切槽單獨進行，如方案四、五。
方案四與方案五主要區(qū)別在于一個先修邊、沖孔后切槽，一個先切槽后修邊、沖孔。由于切槽與修邊有相對位置關系，而所切槽尺寸比較小，如果先切槽則修邊模具上不好安排定位，所以實際選擇了方案四，即先修邊、沖孔后切槽，然后翻邊成形豎立葉片。
4 主要工藝計算
本次計算主要編寫方案四中第一步和第二步的落料與第一次拉深復合及后續(xù)拉深的工藝計算。
4.1排樣設計與計算
沖裁所產(chǎn)生的廢料分為兩種，一是工件的各種內(nèi)孔產(chǎn)生的廢料，它取決于工件的形狀，一般不能改變，稱為廢料；二是由于工件之間的搭邊和工件與條料側(cè)面的搭邊、板料的料頭、料尾而產(chǎn)生的廢料，它取決于沖壓方式和排樣方式，稱為工藝廢料，
提高材料利用率最主要的途徑是合理排樣使工藝廢料盡量小，另外在滿足工件使用要求的前提下，適當?shù)母淖児ぜ慕Y構形狀也可以提高材料的利用率。
本工件的沖裁毛坯是簡單的圓形件，可直接排樣，常用的排樣方法有三種：
（1）有廢料排樣：指沿工件全部外形沖裁，工件與工件、工件與條料邊緣都留有搭邊，此種排樣的缺點是材料利用率低，但有了搭邊就能保證沖裁件的質(zhì)量，模具壽命也高；
（2）少廢料排樣：指模具只沿著工件部分外形輪廓沖裁，只有局部搭邊的存在；
（3）無廢料排樣：指工件與工件之間及工件與條料側(cè)邊之間均無搭邊的存在，模具刃口沿條料順序切下，直接獲得工件。
少廢料、無廢料排樣的缺點是工件質(zhì)量差，模具壽命不高，但這兩種排樣可以節(jié)省材料，還具有簡化模具結構、降低沖裁力和提高生產(chǎn)率等優(yōu)點。
根據(jù)本零件的特點，適合采用有廢料直排的方式，如圖4.1。
圖4.1排樣圖
沖裁搭邊值可以按表4.1選取，取沿邊搭邊值а=1.5mm，工作間搭邊值а=1.2mm。
表4.1 最小搭邊值
材料厚度t
工作間а
側(cè)面а
工作間а
側(cè)面а
工作間а
側(cè)面а
0.25以下
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.0
0.25～0.5
1.2
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
0.5～0.8
1.0
1.2
1.5
1.8
1.8
2.0
0.8～1.2
0.8
1.0
1.2
1.5
1.5
1.8
1.2～1.6
1.0
1.2
1.5
1.8
1.8
2.0
1.6～2.0
1.2
1.5
1.8
2.5
2.0
2.2
2.0～2.5
1.5
1.8
2.0
2.2
2.2
2.5
2.5～3.0
1.8
2.2
2.2
2.5
2.5
2.8
本模具采用無側(cè)壓裝置，由表4.2可得條料與導料板間間隙最小值為0.5mm。
表4.2 導料板與條料之間的最小間隙Cmin
材料厚度
無側(cè)壓裝置
條料寬度B
100以下
100～200
200～300
～0.5
0.5
0.5
1
0.5～1
0.5
0.5
1
1～2
0.5
1
1
2～3
0.5
1
1
4.2 落料尺寸
落料尺寸即零件的平面展開尺寸，葉輪零件基本形狀為圓形，因此落料形狀也應該為圓形，需確定的落料尺寸為圓的直徑。
根據(jù)葉輪零件圖，不能直接得到凸緣尺寸。在計算落料尺寸之前，要將豎立葉片“放平”，轉(zhuǎn)化為平凸緣筒形拉深成形件后再計算落料尺寸。
嚴格來講，葉輪成形“豎直”葉片的工序?qū)儆谄矫嫱馔骨€翻邊。但根據(jù)零件圖，由于翻轉(zhuǎn)曲線的曲率半徑比較大，為簡化計算可以近似按彎曲變形來確定展開尺寸，如圖4.2所示。因為彎曲半徑r=0.5~1≤0.5t=1,所以可以按彎曲坯料展開的計算公式計算。經(jīng)計算，葉片展開后，凸緣尺寸為Φ76（單位mm，下同）。
d凸/d=76/25.5
=2.9（mm）
查表4.3，可取修邊余量為2.2.因此凸緣直徑為：
76+2.2×2=80.4（mm）
表4.3 有凸緣圓筒形拉深件的修邊余量
凸緣直徑d
凸緣的相對直徑d凸/d
1.5以下
＞1.5～2
＞2～2.5
＞2.5
≤25
1.8
1.6
1.4
1.2
＞25～50
2.5
2.0
4.8
1.6
＞50～100
3.5
3.0
2.5
2.2
＞100～150
4.3
3.6
3.0
2.5
＞150～200
5.0
4.2
3.5
2.7
＞200～250
5.5
4.6
3.8
2.8
＞250
6
5
4
3
取凸緣尺寸為Φ80，于是得到葉輪拉深成形尺寸，如圖4.3所示。
根據(jù)葉輪拉深成形尺寸，可以算出零件總表面積A約為5890。按照一般拉深過程表面積不變的假設，可得到落料直徑
D=
=
=86.6（mm）
因圓角半徑較小，近似計算落料直徑
D=
=
=87.88（mm）
最后取落料直徑D=87（mm）
圖4.2 葉輪葉片的展開
圖4.3 葉輪拉深成形尺寸
（按料厚中心線標注）
4.3 計算條料寬度與送料步距
條料寬度B：
其中 垂直送料方向上零件尺寸
條料與導料板之間的間隙
條料寬度公差值，查表4.4
由公式得：
mm
=90.5mm
取條料寬度為90mm。
送料步距S：
S=87+1.2
=88.2mm
材料利用率：
100%
≈74%
表4.4 條料寬度偏差
條料寬度B
材料厚度t
～1
1～2
2～3
3～5
～50
0.4
0.5
0.7
0.9
50～100
0.5
0.6
0.8
1.0
100～150
0.6
0.7
0.9
1.1
150～220
0.7
0.8
1.0
1.2
4.4 壓力中心的確定
模具壓力中心是指沖壓合力的作用點位置，為了確保壓力機和模具正常工作，應使沖模的壓力中心和壓力機的壓力中心相重合。對于帶有模柄的沖壓模，壓力中心應通過模柄的軸心線，否則會使沖模和壓力機滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導軌之間產(chǎn)生過大的磨損，模具導向零件加速磨損，降低模具和壓力機的使用壽命。
沖模的壓力中心，可按下述原則來確定：
（1）對稱形狀的單個沖裁件，沖模的壓力中心就是沖裁件的