CN101954418A - 薄壁筒形件缩口模具的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁筒形件缩口模具的制造方法，步骤是：1、精确计算确定合理的缩口系数及缩口道次，其关键是分配好各道次的缩口系数。作为缩口模具制备的理论依据。2、科学合理的设计多道次缩口模具结构、保证易于选材与加工制造。3、制定可行的加工制造工艺，保证缩口模具的制造精度。4、设计模具在“自动缩口压力机”上的安装结构，保证模具的定位精度。本发明的模具制备方法简单、设计科学合理、安装使用方便、经久耐用，能够有效地保证薄壁异型筒形件在进行多道次缩口质量，是一种新型的多道次缩口模具制备方法；特别适用于各种薄壁筒形件进行缩口加工时使用。

Description

薄壁筒形件缩口模具的制造方法

所属领域

本发明属于模具制造领域，涉及薄壁筒形件的模具制造，尤其是一种薄壁筒形件缩口模具的制造方法。

背景技术

薄壁筒形件为铝材质，因为其质量轻、相对强度较低，在多道次缩口压力加工时，若模具制备不良，极易造成工件失稳变形，使薄壁筒形件底部产生变形，甚至报废；且薄壁异型筒形件的高度尺寸一致性要求较高，因此，模具设计制造至关重要。

鉴于当前薄壁筒形件进行多道次缩口时普遍采用热旋压缩口，导致工件容易出现失稳现象，因此，提供一种可提高薄壁筒形件多道次缩口后的工件质量，保证薄壁筒形件底部的平整、无变形，高度尺寸一致的模具是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种薄壁筒形件模具的制造方法，通过本方法所制的缩口模具设计科学合理、结构制作简单、安装使用方便、工作寿命较长、能够有效提高薄壁异型筒形件在进行多道次缩口加工时的工件质量与稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种薄壁筒形件模具的制造方法，制造方法的步骤是：

(1)精确计算确定合理的缩口系数及缩口道次；

A、缩口工艺主要参数的确定：

总缩口系数m_总的确定：m_总＝d/D

式中：d-缩口终了口部直径(mm)；D-未缩口前筒形件直径(mm)；

平均缩口系数m_平的确定：

m_平＝0.945～0.965

总缩口道次n的确定：

首次缩口系数m₁的确定：

m₁＝0.925～0.945

修正系数K的确定：

各道次缩口系数mi的确定：

m_i＝K^(i-1)·m₁    i＝1，2，3…………n；

各道次缩口后直径di的确定：

$d_i=m_1^i\·K^{\left[\frac{i}{2}(i-1)\right]}\·D$ i＝1，2，3…………n；

采用上述各公式及数据，将计算确定的m1，m2，m3……mn及d1，d2，d3，……dn对应列表备用，即得缩口工艺主要参数；

B、口部壁厚t_n的精确计算：

$t_n=t_{n-1}\sqrt{d_{n-1}/d_n}$ n-第n道缩口工序

式中：t_n：缩口后口部壁厚(mm)；t_n-1：缩口前口部壁厚(mm)；

      D_n：缩口后口部直径(mm)；d_n-1：缩口前口部直径(mm)；

根据此公式得到各道缩口工序后的口部直径壁厚；

(2)模具工作腔内各参数的确定：

第i次缩口后口部直壁与R曲线相交处的弦长L_i的确定：

L_i＝d_i-M

式中：d_i-i次缩口后口部直径；

M-两侧R弧圆心间的距离；当M＝0时，L_i＝d_i

第i次缩口后弦长L_i至基准线AA的距离H_i的确定：

$H_i=\frac{1}{2}\sqrt{({4R}^2-L_i^2)}$

R-工件肩部圆弧半径；

第i次缩口的单侧缩口量Δ_i的确定：

Δ_i＝(d_i-1-d_i)/2；

缩口半锥角α的确定：α≤30°

缩口工件导入角β的确定：β＝30°

第i次缩口后B’点至基准AA线距离H_B′i的确定：

$H_{B^{\′}i}=\frac{1}{2}\sqrt{({4R}^2-L_{B^{\′}i}^2)}$

L_B′i＝L_i+4Δ_i    B’点在R曲线上的弦长；

第i次缩口后A’点至基准AA线距离H_A’i的确定：

H_A′i＝H_B′i+A′C′_i

A′C′_i＝2Δ_i/tgα    A’B’间的垂直距离；

缩口半锥角α的设计：

做壶体中心线MM，交基准线AA于0点，以0点为圆心，R为半径作肩部圆弧曲线，以下简称R曲线；

距MM线d_i/2处作II线，使II平行于MM，II线为第i道次缩口半径垂线，交R曲线于Q点；

做(d_i-1/2)垂线KK，交R曲线于B点，过B点作II线的垂线，交II于C点，则BC＝Δ_i；

作B’C’线，使B’C’平行于BC，并令B’C’＝2Δ_i；

连接A’B’两点，形成半锥角轮廓线A’B’；

分别采用过渡圆弧半径r₁、r₂使A’B’与II线和R曲线过渡连接，形成完整的缩口半锥角形状；

经计算给出HB′_i及HA′_i尺寸并标注；

(3)绘制模具图样：根据上述设计计算，绘制模具图样，便于进行模具加工制造；

(4)模具工作表面粗糙度的确定：人工抛光加工，保证表面粗糙度Ra值≤0.4μm；

(5)模具工作表面的硬度：模具工作表面的硬度HRC62以上。

本发明的优点和有益效果为：

1、本制造方法所制造的模具采用普通钢(45^#或40Cr)材料制造，经机加工制造及热处理后，装配安装在“自动缩口压力机”的上滑台上。工作时，模具上/下往复循环自动完成工件的缩口，生产效率高、质量好、操作简单。

2、本制造方法充分考虑了薄壁筒形件进行多道次压力缩口时的工件失稳现象，并将缩口力降到最小，有利于提高了薄壁筒形件多道次缩口后工件的合格率，保证薄壁筒形件底部的平整、无变形，高度尺寸的一致性。

3、本制造方法在“自动缩口机”与“专用夹具”的配合下，自动完成缩口操作。该模具制备方法特别适用于各种薄壁筒形件自动化生产中，模具设计制造中使用

4、本制造方法在薄壁异型筒形件缩口(外径φ100mm，高度180mm)加工工艺中是一种划时代的变革，它彻底结束了传统工艺(热旋压缩口)延续了几十年的种种弊端，无论在产品质量上，生产环境条件上，还是在行业中提高国际性竞争能力上，都带来了根本的改变。

5、采用本制造方法制造的模具，其加工产品的表面光滑，口部尺寸精度高(±0.10mm)，肩部形状丰满，一致性好，生产效率高，操作简单，生产环境好；采用该发明设计的多道次缩口模具，理论依据充分、计算结果精确，模具加工精确、成功率高。

6、本发明的模具制备方法简单，设计科学合理，安装使用方便，经久耐用，能够有效地保证薄壁异型筒形件在进行多道次缩口质量，是一种新型的多道次缩口模具制备方法，特别适用于各种薄壁筒形件进行缩口加工时使用。

附图说明

图1是本发明薄壁异型筒形件缩口前后的示意图；

图2是本发明模具工作内腔结构及主要参数图，其中D：未缩口前工件口部直径

R：肩部弧形曲线半径(设定值)

M：肩部两圆弧圆心间距离

Di：第i次缩口后口部直径

α：缩口半锥角

β：缩口工件倒入角

Li：第i次缩口后，口部直壁与R弧相交处的弦长

Δi：第i次缩口的单侧缩口量

AA线：基准线

Hi：第i次缩口后，弦长至基准线AA的距离

HB’i：第i次缩口后，B’点至基准线AA的距离

HA’i：第i次缩口后，A’点至基准线AA的距离。

图3是本发明半锥角设计原理示图。

图4是本发明各道次模具实际形腔设计图，以九道次缩口为例。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施举例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明的设计思路：用模具在薄壁筒体横断面360°周圈上均匀施压，被加工表面在合理的半锥角下紧贴模具工作腔表面，沿模具中轴线向口部延展，从而达到缩口的目的。

一种薄壁筒形件缩口模具的制造方法，制造方法的步骤是：

一、计算确定合理的缩口系数及缩口道次(薄壁异型筒形件缩口的前、后的示意图见图1。)

(一)缩口工艺主要参数的确定

1、总缩口系数m_总的确定：m_总＝d/D。

式中：d-缩口终了口部直径(mm)；D-未缩口前筒形件直径(mm)。

小数圆整原则：保留小数点后三位有效数字，四舍五入的取舍原则。

说明：对于异型薄壁筒形件而言，m_总≈0.4～0.5，缩口后整体较美观。

2、平均缩口系数m_平的确定：m_平＝0.945～0.965

说明：此数值为经验数据，其选择原则为：料厚取小值；料薄取大值(工件用料一般在t＝1～2mm)。

3、总缩口道次n的确定：

圆整原则：保留整数位，二舍三入取舍原则。

4、首次缩口系数m₁的确定：m₁＝0.925～0.945。

说明：此数据为经验数据，其选择原则为：

(1)料厚在2mm左右取小值；料厚在1mm左右取大值。

(2)D在130mm左右取较大值，D在80mm左右取较小值。

5、修正系数K的确定：

圆整原则：保留小数点后五位有效数字，四舍五入取舍原则。

6、各道次缩口系数m_i的确定：

m_i＝K^(i-1)·m₁    i＝1，2，3…………n。

圆整原则：保留小数点后四位有效数字，四舍五入取舍原则。

7、各道次缩口后直径di的确定：

$d_i=m_1^i\·K^{\left[\frac{i}{2}(i-1)\right]}\·D$ i＝1，2，3…………n。

圆整原则：保留小数点后二位有效数字，四舍五入取舍原则。

8、采用上述各公式及数据，将计算确定的m₁，m₂，m₃……mn及d₁，d₂，d₃，……dn对应列表备用。

具体实例，以九道次缩口参数进行计算缩口系数及缩口道次。

有一壁厚为2mm，直径为Φ80mm(M＝0)的筒形铝质工件，要求缩口至Φ50mm，计算确定需用缩口道次n及各道次的缩口系数mi和各道次缩口后的直径di。

计算步骤：

一、求总缩口系数：已知：D＝Φ80；d＝Φ50；

根据公式：

二、求平均缩口系数：

根据经验数据m平＝0.945～0.960；根据m平的选取原则，a.材料较厚；b.筒径较小。故选m_平＝0.945。

三、求缩口总道次n：

根据公式：

其中：m_总＝0.625；m_平＝0.945。

根据原整原则取n＝9(次)

四、求首次缩口系数m₁：

根据经验数据：m₁＝0.925～0.940。又根据选取原则选m₁＝0.925。

五、求修正系数K：已知：m_总＝0.625；m₁＝0.925；n＝9；则：

根据公式：

六、求各道次缩口系数m_i：

根据公式：m_i＝K^(i-1)·m₁

其中K＝1.00646，m_i＝0.925，i＝1，2，3，-------------9。

则：m₁＝0.925，m₂＝0.932，m₃＝0.937，m₄＝0.943    m₅＝0.949，

M₆＝0.955，m₇＝0.961    m₈＝0.968    m₉＝0.974.

七、求各道次缩口后口部直径di：

a.用系数法计算：

根据公式：d_i＝d_i-1·m_i

则：d1＝74.00，d2＝68.89，d3＝64.55，d4＝60.87，

d5＝57.77，d6＝55.17，d7＝53.02，d8＝51.32。

b.用公式法计算：

根据公式 $d_i=m_1^i\·K^{\left[\frac{i}{2}(i-1)\right]}\·D$

求d5值＝？在d5中：∵D＝80，m1＝0.925，K＝1.00646，i＝5。

∴d5＝57.78.

公式法与系数法比较，两种算法相差在0.01数量级。

八、求2Δi：根据公式：2Δ_i＝d_i-1-d_i

则：2Δ1＝6，2Δ2＝5.11，2Δ3＝4.34，2Δ4＝3.68，2Δ5＝3.10，

2Δ6＝2.60，2Δ7＝2.15，2Δ8＝1.70，2Δ9＝1.32。

九、求Li：

根据公式L_i＝d_i-M    当M＝0时，Li＝di

则：L1＝74，L2＝68.89，L3＝64.55，L4＝60.87，L5＝57.77，

L6＝55.17，L7＝53.02，L8＝51.32，L9＝50.00。

十、列表

九道次缩口参数表

(二)口部壁厚tn的精确计算

$t_n=t_{n-1}\sqrt{d_{n-1}/d_n}$ n-第n道缩口工序

式中：tn：缩口后口部壁厚(mm)；tn-1：缩口前口部壁厚(mm)；

      Dn：缩口后口部直径(mm)；dn-1：缩口前口部直径(mm)。

根据此公式可以精确计算各道缩口工序后的口部直径壁厚，便于模具设计。

二、设计计算确定模具结构参数及技术参数

(一)设计思路

这里需要强调的是：在这种模具结构下，各道次模具表面高度一致，其球冠圆弧逐次向上延展，最终在工件上得到一个光滑、园整的球冠表面。这就是它与传统缩口工艺的不同之处。

(二)各参数的确定

1、模具工作腔内各参数的确定

(1)第i次缩口后口部直壁与R曲线相交处的弦长L_i的确定

L_i＝d_i-M

式中：d_i-i次缩口后口部直径。

M-两侧R弧圆心间的距离。

M为考虑壶体形状及容积的给定值。

当M＝0时，L_i＝d_i。

(2)第i次缩口后弦长L_i至基准线AA的距离H_i的确定

$H_i=\frac{1}{2}\sqrt{({4R}^2-L_i^2)}$

R-工件肩部圆弧半径(设定值)。根据美观及工艺性设定。

(3)第i次缩口的单侧缩口量Δ_i的确定

Δ_i＝(d_i-1-d_i)/2

(4)缩口半锥角α的确定

α≤30°

(5)缩口工件导入角β的确定

β＝30°

(6)第i次缩口后B’点至基准AA线距离H_B′i的确定

$H_{B^{\′}i}=\frac{1}{2}\sqrt{({4R}^2-L_{B^{\′}i}^2)}$

L_B′i＝L_i+4Δ_i    (B’点在R曲线上的弦长)

(7)第i次缩口后A’点至基准AA线距离H_A’i的确定

H_A′i＝H_B′i+A′C′_i

A′C′_i＝2Δ_i/tgα(A’B’间的垂直距离)

上述各参数的圆整原则均为保留小数点后两位有效数字，四舍五入取舍原则。

2、缩口半锥角α的设计

为在缩口时有利于材料的流动，减小成形阻力，防止失稳现象发生，颈部缩口模具形状采用如下方式设计决定。

设计步骤如下：(见图3)

(1)做壶体中心线MM，交基准线AA于O点，以O点为圆心，R为半径作肩部圆弧曲线(以下简称R曲线)。

(2)距MM线d_i/2处作II线，使II平行于MM，II线为第i道次缩口半径垂线，交R曲线于Q点。

(3)做(d_i-1/2)垂线KK，交R曲线于B点，过B点作II线的垂线，交II于C点，则BC＝Δ_i。

(4)作B’C’线，使B’C’平行于BC，并令B’C’＝2Δ_i。

(5)根据附图3可知：B’C’_i＝2Δ_i，设半锥角α＝30°，则：

B’C’_i＝2Δ_i/tgα。求得B’C’_i线段长度，并在II线上找到A’点的位置。

(6)连接A’B’两点，形成半锥角轮廓线A’B’。

(7)分别采用r1、r2(过渡圆弧半径)使A’B’与II线和R曲线过渡连接，形成完整的缩口半锥角形状。

(8)为方便数控机床加工，经计算给出HB′_i及HA′_i尺寸并标注。

设计说明：

1、设定2Δi是考虑上道次之工件与本道次缩口模具接触后，能有充分的空间使其口部完全进入模具半锥角内，形成理想的缩口条件。

2、附图3中P点位置为上道次与本道次模具缩口前的接触点。可见缩口处于理想状态。

3、如附图3所示：当A’C’≤Q C’时，为R弧形成的半锥角小于设定的α值。故不必再行设置α结构。

4、r1、r2为A’B’两端的过渡连接圆弧，可于CAD作图时求得，也可于数控加工后经人工打磨而成。

具体实例：确定九道次缩口模具工作腔结构设计及尺寸。

上接具体实例1，根据给定条件M＝0，并设R＝40、α＝30°，根据图2模具结构作图(详见作图实例)。图中各主要结构参数的取得，采用下列方法进行。

1.求H_i：

$H_i=\frac{1}{2}\sqrt{({4R}^2-L_i^2)}$

2.求4Δ_i：

4Δ_i＝2·2Δ_i

3.求L_B’i：

L_B′i＝L_i+4Δ_i

4.求H_B’i：

$H_{B^{\′}i}=\frac{1}{2}\sqrt{({4R}^2-L_{B^{\′}i}^2)}$

5.求A’C’_i：

A′C′_i＝2Δ_i/tgα

6.求H_A’i：

H_A′i＝H_B′i+A′C′_i

7.列表并标注：

说明：前3道次R曲线形成的半锥角小于α，故省去(4Δ_i、L_B’1-3)L_B’1-3，A’C’_1-3，H_A’1-3，的求取。

三、绘制模具图样

根据上述设计计算，绘制模具图样，便于进行模具加工制造。

四、模具工作表面粗糙度的确定

模具光滑的工作表面，会使工件在成形过程中顺利很多，因此，模具工作腔除经数控车床加工成形外，还需人工抛光加工，其表面粗糙度Ra值≤0.4μm为好。

五、模具工作表面的硬度

模具加工制成并经试模成功之后，还要经渗氮处理，这不仅使模具工作表面的硬度提高(HRC62以上)，延长使用寿命。另外，渗氮表面不易粘料。我们知道，铝质是最容易粘料的(注：模具材料为45#钢)。

本实施例主要工艺参数计算公式的数学推导：

1、修正系数K的推导

∵M_总＝m₁·m₂·m₃………m_n

又∵m₂＝m₁K，m₃＝m₂K＝m₁K²，m₄＝m₃K＝m₁K³，

∴

即：

等式两边取对数，则：

∵1+2+3+--------+(n-1)＝1/2·n(n-1)

∴

∴

…………………………………………①

2、缩口系数通项公式推导

∵m₂＝Km₁

m₃＝Km₂＝K²m₁

m₄＝Km₃＝K³m₁

m₅＝Km₄＝K⁴m₁

………………

∴m_i＝K^(i-1)m₁…………………………………………②

3、各道次缩口后直径通项公式推导

∵m₁＝d₁/D，d₁＝m₁·D；

m₂＝d₂/d₁，d₂＝m₂·d₁＝m₂·m₁·D

m₃＝d₃/d₂，d₃＝m₃d₂＝m₃·m₂·m₁·D

………………

又∵m₂＝Km₁，m₃＝K²m₁，m₄＝K³m₁………………

∴ $d_i=m_1^i[K^{(i-1)}\·K^{(i-2)}\·K^{(i-3)}\·\·\·\·\·\·\·K]\·D=m_1^i\·K^{[(i-1)+(i-2)+\·\·\·\·\·+1]}\·D$

∵ $(i-1)+(i-2)+(i-3)+\·\·\·\·\·\·+1=\frac{i}{2}(i-1)$

∴ $d_i=m_1^i\·K^{\frac{i}{2}(i-1)}\·D$ …………………………………………③

4、缩口道次n公式推导

∵

两边取对数，则：logm_总＝nlogm_平

∴…………………………………………④

Claims (1)

1.一种薄壁筒形件缩口模具的制造方法，其特征在于：制造方法的步骤是：

(1)精确计算确定合理的缩口系数及缩口道次；

A、缩口工艺主要参数的确定：

总缩口系数m_总的确定：m_总＝d/D

式中：d-缩口终了口部直径(mm)；D-未缩口前筒形件直径(mm)；

平均缩口系数m_平的确定：

m_平＝0.945～0.965

总缩口道次n的确定：

首次缩口系数m₁的确定：

m₁＝0.925～0.945

修正系数K的确定：

各道次缩口系数mi的确定：

m_i＝K^(i-1)·m₁    i＝1，2，3…………n；

各道次缩口后直径di的确定：

$d_i=m_1^i\·K^{\left[\frac{i}{2}(i-1)\right]}\·D$ i＝1，2，3…………n；

采用上述各公式及数据，将计算确定的m1，m2，m3……mn及d1，d2，d3，……dn对应列表备用，即得缩口工艺主要参数；

B、口部壁厚t_n的精确计算：

$t_n=t_{n-1}\sqrt{d_{n-1}/d_n}$ n-第n道缩口工序

式中：t_n：缩口后口部壁厚(mm)；t_n-1：缩口前口部壁厚(mm)；

      D_n：缩口后口部直径(mm)；d_n-1：缩口前口部直径(mm)；

根据此公式得到各道缩口工序后的口部直径壁厚；

(2)模具工作腔内各参数的确定：

第i次缩口后口部直壁与R曲线相交处的弦长L_i的确定：

L_i＝d_i-M

式中：d_i-i次缩口后口部直径；

M-两侧R弧圆心间的距离；当M＝0时，L_i＝d_i

第i次缩口后弦长L_i至基准线AA的距离H_i的确定：

$H_i=\frac{1}{2}\sqrt{({4R}^2-L_i^2)}$

R-工件肩部圆弧半径；

第i次缩口的单侧缩口量Δ_i的确定：

Δ_i＝(d_i-1-d_i)/2；

缩口半锥角α的确定：α≤30°

缩口工件导入角β的确定：β＝30°

第i次缩口后B’点至基准AA线距离H_B′i的确定：

$H_{B^{\′}i}=\frac{1}{2}\sqrt{({4R}^2-L_{B^{\′}i}^2)}$

L_B′i＝L_i+4Δ_i    B’点在R曲线上的弦长；

第i次缩口后A’点至基准AA线距离H_A’i的确定：

H_A′i＝H_B′i+A′C′_i

A′C′_i＝2Δ_i/tgα  A’B’间的垂直距离；

缩口半锥角α的设计：

做壶体中心线MM，交基准线AA于O点，以O点为圆心，R为半径作肩部圆弧曲线，以下简称R曲线；

距MM线d_i/2处作II线，使II平行于MM，II线为第i道次缩口半径垂线，交R曲线于Q点；

做(d_i-1/2)垂线KK，交R曲线于B点，过B点作II线的垂线，交II于C点，则BC＝Δ_i；

作B’C’线，使B’C’平行于BC，并令B’C’＝2Δ_i；

连接A’B’两点，形成半锥角轮廓线A’B’；

分别采用过渡圆弧半径r₁、r₂使A’B’与II线和R曲线过渡连接，形成完整的缩口半锥角形状；

经计算给出HB′_i及HA′_i尺寸并标注；

(3)绘制模具图样：根据上述设计计算，绘制模具图样，便于进行模具加工制造；

(4)模具工作表面粗糙度的确定：人工抛光加工，保证表面粗糙度Ra值≤0.4μm；

(5)模具工作表面的硬度：模具工作表面的硬度HRC62以上。

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