月牙形端盖工艺分析及模具设计

曹兴玉

（凯龙高科技股份有限公司，江苏 无锡 214000）

0 引 言

某催化消声器产品中的月牙形端盖如图1所示，中间鼓包形状类似月牙，制件材料为铁素体不锈钢441，料厚2 mm，φ281-0.5-1.0mm为装配尺寸，必须保证，其余未注尺寸公差按GB/T 13914—2002 FT7执行。

图1 月牙形端盖

1 制件成形工艺分析

1.1 拟定工艺方案

按常规工艺，剪板机下料350 mm×350 mm的方料，先拉深成形中间月牙形鼓包，再以中间月牙形鼓包定位，落料直径为φ313 mm的圆片，最后以中间月牙形鼓包定位成形外形直壁部位，按该工艺成形需要3副模具，模具制造周期长且制造成本高。落料模和成形模都以中间月牙形鼓包定位，相对位置不精确，成形时存在一定的偏差。

探讨能否激光落料圆形料片，中间月牙形鼓包和外形直壁部位在1副模具中成形，可以减少2副模具，月牙形鼓包和外形直壁部位相对位置更精确。但中间月牙形鼓包四周材料收缩不均匀会造成外形直壁部位不等高，外形直壁部位高度20 mm根据GB/T 13914—2002 FT7设计公差±0.6 mm，要求较高，考虑该情况，在1副模具中先成形外形直壁部位，再拉深中间月牙形鼓包；若外形直壁部位完全成形，限制了材料的流动，拉深中间月牙形鼓包时由于没有足够的材料补充，可能会产生拉深破裂。模具设计时应考虑外形直壁部位成形60%～80%时，再拉深成形月牙形鼓包，最后完全成形外形直壁部位。模具设计前用DeForm有限元分析软件进行了模拟仿真分析，确认新工艺方案的可行性。

1.2 制件展开及确定毛坯直径

先将中间月牙形鼓包作为一个平面，根据拉深成形前后表面积相等的原则，毛坯直径在Creo2.0三维软件中测量制件表面积为79 272.1 mm2，，考虑中间异形部分变薄和方便后续调整，并结合DeForm的模拟仿真分析结果，待成形制件月牙最高位置收缩量较大的情况，要保证成形制件外形直壁部位等高，实际下料外形是异形件，选取毛坯最大尺寸为315.5 mm，最小尺寸为315 mm下料。

1.3 计算工序压力及选择压力机

根据参考文献[2]查得铁素体不锈钢的抗拉强度为430～590 MPa，成形该制件抗拉强度取490 MPa。外形直壁部位成形力按无凸缘筒形制件拉深力计算，根据参考文献[2]查得：F=πdtσbK，式中d为中径直径，取φ279 mm和φ286 mm的平均值φ282.5 mm，t为材料厚度，根据制件的相对厚度t/D×100=2/315×100=0.63，制件的拉深系数 d/D=282.5/315=0.89，K值选取0.36，外形直壁部位成形力约312 951 N。

中间月牙形鼓包由于不规则，成形力按任意形状拉深件的拉深力计算，根据参考文献[2]查得：F=LtσbK，式中L为任意形状的周长，取月牙形鼓包最大截面周长L=852.4 mm，根据制件的复杂程度，K值取0.9，月牙形鼓包成形力约为751 817 N。

压力机公称压力应大于制件成形力和压边力之和，且压力机下顶缸公称压力应大于压边力。根据计算结果，并参照企业内现有压力机，YL3150压力机能提供1 000 kN左右的顶缸力，大于月牙形鼓包成形力751 817 N，也大于制件压边力77 715 N，最终确定选择YL3150压力机。

2 模具结构设计

设计的模具结构如图2所示，模具总高为482 mm。先调整压力机顶缸工作时的高度，要求其高于工作台上平面80 mm，然后顶缸复位，再将模具居中放置于压力机工作台上，确保顶缸中心和模具工作中心一致，将上底板17用压板固定在压力机上滑块上，下底板34用压板固定在压力机工作台上。模具工作过程：工作时，压力机上滑块升起，模具开启，上限位柱10先与活动限位销盖板9脱离接触，活动限位销7在下限位柱内置弹簧6弹力的作用下保持顶住上限位柱10，随着上滑块升起高度的增加，上限位柱10与活动限位销7也脱离接触，上卸料板24在弹簧18弹力的作用下复位，当上卸料板24与下凹模26距离约为200 mm时，上滑块停止升起；在下凹模26定位圈内放入料片，上滑块下行，上卸料板24压住料片后，上凸模11带动料片进入下凹模26，制件外形直壁部位开始成形，当上限位柱10与活动限位销7接触时，上滑块停止下行；压力机下顶缸升起，下顶缸空行程一段后推动下推板31上升，下推板31传力给下推杆30，下推杆30推动下凸模12上升，下凸模12带动料片接触到成形块14下平面后，中间月牙形鼓包成形，下顶缸停止上升；上滑块继续下行，上凸模11和成形块14共同推动下凸模12带动下顶缸一起向下运动，上限位柱10压住活动限位销7下行，上限位柱10接触活动限位销盖板9时，上滑块停止下行，此时制件外形直壁部位和中间月牙形鼓包已完全成形；上滑块上行，上模部分和下模部分完全脱开约200 mm后，上滑块停止上行；下顶缸上行，下凸模12将制件从下凹模26中顶出，取出制件后，下顶缸复位，下凸模12在下推板复位弹簧3的作用下复位，完成一个成形过程。

图2 模具结构

3 结束语

模具经过组装调试、毛坯尺寸微调整后，成形的制件符合图纸要求，既保证了制件的成形质量，又减少了2副模具，节约了制造成本，缩短了交付周期，提高了生产效率，为类似制件的研制和开发积累了经验。