1、1 引 言胀形工艺常采用分瓣刚模胀形、液压胀形、橡胶胀形等。对尺寸较大，形状为凸肚形的空心胀形件，若采用刚模胀形会使凸模的分瓣数增多，制件外观质量难以保证，并且模具结构复杂，给使用和维修带来不便。而采用橡胶胀形工艺既能保证制件的形状和表面质量要求，又使模具结构简单，制造容易，同时也给使用和维修带来方便。本文以小煮锅聚氨酯橡胶胀形模设计为例，介绍橡胶胀形模的设计方法。2 工艺分析小煮锅制件材料为不锈钢(1Cr18Ni9)，厚度 1.5mm，图 1 为小煮锅立体示意图，图 2为锅盖零件图，图 3 为锅体零件图。锅体的直立部分为球体的一部分，下部与锅底通过圆弧光滑过渡。制件尺寸精度要求不高，但要求外
2、观形状美观漂亮(锅体与同样需胀形的锅盖组合在一起，酷似一个苹果的形状)。锅体与锅盖均需经落料、拉伸、胀形、切边、局部成形、冲孔(或钻孔)等多道工序才能完成。锅盖上 2 孔用于排气，方孔用于安装手提。锅体上 2 孔用于安装手柄，局部成形部分(图 3 及其 B 向视图所示)用于锅内液体的倒出。本文仅讨论锅体多道工序中的胀形工序。图 1 小煮锅立体示意图图 2 锅盖零件图图 3 锅体零件图锅体中部凸出，口部尺寸较小，如果采用刚模胀形，凸模需要分块制造，若分块数较少，制件轮廓会出现直面，胀形精度较差，得不到精度较高的旋转体制件。若凸模分块数增加，虽可提高胀形精度，但模具制造困难，使用维修不便。如果采用
3、弹性凸模、刚性凹模胀形，压力机对凸模施加压力后，凸模变形压迫毛坯，则使毛坯产生变形并紧贴在刚性凹模上，从而得到所需的制件形状。弹性凸模变形均匀，传力可靠，故易保证制件的几何形状，所以小煮锅胀形模采用橡胶凸模、刚性凹模。凸模材料选用聚氨酯橡胶，凹模材料选用球墨铸铁。3 工艺参数的确定3.1 胀形前毛坯直径及高度计算根据图 3 所给尺寸，对落料、拉伸工序的工艺参数进行分析和计算，确定胀形前毛坯形状为桶形，外径为 mm，高度为 110mm。计算毛坯高度的公式为：L0=L(0.30.4)B式中 L0毛坯高度，mmL工件高度或母线长度，mm材料圆周方向的最大延伸率B切边余量，一般取 515mm3.2 胀
4、形变形程度的计算胀形变形的特点是材料受切向拉伸，其变形程度受材料的极限延伸率限制，常以胀形系数 K 表示胀形变形程度：K=dmax/d0式中 d max胀形后最大直径，mmd 0胀形前毛坯的直径，mmK胀形系数经计算 K1.2K=1.28(极限胀形系数)。计算结果表明，材料性能满足工艺过程变形程度的要求。3.3 胀形所需压力计算聚氨酯橡胶弹性胀形所需单位压力 q 的计算公式为q=1.152t b/dmax式中 t毛坯厚度，mm b毛坯材料强度极限，MPad max制件最大直径，mm经计算，胀形所需单位压力 q 约为 12.5MPa。单位压力确定后，根据公式 P=KqF 确定设备压力，其中 P
5、为设备压力，q 为胀形所需单位压力，F 为聚氨酯橡胶模最大水平投影面积，K 为安全系数，通常 K1.2。经计算，所需设备压力 P 约为 410kN，考虑毛坯高度、送件和取件的方便性等因素，选取公称压力为 630kN、滑块行程为 270mm 的双盘摩擦压力机。3.4 聚氨酯橡胶凸模压缩量及硬度的选择橡胶胀形模的压缩量和硬度对零件的胀形精度影响很大，最小压缩量一般在 10以上才能确保零件在开始胀形时具有所需的预压力，但是压缩量最大不能超过 35，否则橡胶模很快就会损坏。橡胶凸模的硬度可以根据其尺寸、压缩量以及所承受的载荷选择，在生产实践中，常根据经验选定。表 1 给出了橡胶模成形不锈钢、耐热合金和
6、钛合金零件的硬度选择。表 1 橡胶模硬度选择工艺方法 胀形件 复杂胀形件 波纹套 波纹垫 冲裁件硬度（邵氏 A）7075 7075 9095 8090 85954 模具设计模具设计包括模具结构设计和模具零件设计，模具零件设计主要包括凸模、凹模、模套、橡胶凸模等零件的设计，这里主要介绍聚氨酯橡胶凸模和分瓣刚性凹模的设计。弹性凸模设计主要有形状、尺寸的确定及聚氨酯橡胶硬度的选择等。分瓣刚性凹模设计包括结构形式、形状、尺寸、精度确定及材料选择等。4.1 模具结构及工作过程模具结构如图 4 所示。当压力机处于提升状态时，将毛坯放置在分瓣镶拼式刚性凹模中定位。滑块下行，带动上模运动，橡胶凸模进入毛坯中。
7、滑块继续下行，橡胶凸模承受压力机垂直压力的作用，开始变形，逐渐贴紧毛坯，产生垂直于毛坯的初始压力。当压力继续增加超过毛坯材料的变形抗力时，毛坯就与橡胶凸模一起改变形状向凹模型腔贴靠完成胀形。胀形结束后，压力机回程，顶件器(顶杆 17、19)将分瓣凹模 15 沿模套 24 向上顶出，在分模装置 11 的作用下凹模被分开，取出工件。拼合凹模并放入模套，即可开始下一工件的加工。4.2 凸模设计聚氨酯橡胶凸模的形状与尺寸取决于制件的形状、尺寸和模具的结构，不仅要保证凸模在成形过程中能顺利进入毛坯，还要有利于压力的合理分布，使制件各个部位均能贴紧凹模型腔，在解除压力后还应与制件有一定的间隙，以保证制件顺
8、利脱模。根据胀形件形状的不同，橡胶凸模的形状常取为柱形、锥形和圆环形等简单的几何形状，也可以由几个简单形状组合成所需形状。本模具凸模形状为空心圆柱体(空心形状为圆柱形，用于凸模的固定)，内外径尺寸分别为 17mm、141mm。形状和径向尺寸确定以后，就可以确定高度尺寸。高度尺寸 h 由 3 部分组成，这3 部分的确定原则是：1 根据弹性凸模压缩后体积不变，并且与制件体积相同的假设，确定橡胶模块(相当于制件体积大小)的基本高度 h1；2 根据弹性体压缩后不仅改变形状，还发生体积变形这一事实，确定补偿体积减小所需的弹性模块高度 h2；3 因为在胀形过程中，沿凸模高度方向上产生的胀形压力不同，为了提
9、高制件精度，使橡胶凸模在胀形过程中产生的最大变形力得到充分利用，需要增加弹性模块高度 h3。后两者之和的经验值为 3050mm，经计算确定凸模高度为 165mm。橡胶凸模的硬度对胀形工艺影响很大，可以根据零件的形状、尺寸以及材料状态合理选取。本模具选择的聚氨酯橡胶硬度为邵氏 70A。聚氨酯橡胶凸模的制造可用浇注型胎的方法，也可用现有的聚氨酯橡胶板材加工。如果选用浇注型胎的方法制造凸模，要考虑聚氨酯橡胶在注塑过程中的收缩量，收缩量的大小与橡胶材料的性能、浇注型胎结构及注塑形式有关。橡胶凸模 21 与凸模 8 的连接方法有 2 种，一种是用机械方法固紧，另一种是直接将模块和有关零件浇注成一个整体。
10、图 4 模具结构1、7、14.螺钉 2.拉杆 3.模柄 4.螺母 5、23.销钉 6.垫板 8.凸模 9.上模座 10.导柱 11、25.自动分模装置 12.定位销 13.下模座 15.分瓣凹模 16.顶板 17、19.顶杆 18.螺栓 20.压板 21.橡胶凸模 22.制件 24.模套 26.导套4.3 凹模设计凹模的结构形式分整体式和分瓣式两大类，结构形式的选择由零件形状确定。分瓣式凹模分模面必须根据零件的形状合理选择，在确保能顺利取出零件的前提下，分瓣块数应尽量少，凹模瓣在闭合状态下，分模面应紧密贴合，内腔圆滑连接成一个完整的封闭型腔。本制件为凸肚形回转体，故确定凹模为分瓣式结构，凹模分
11、为 2 块，分模面取在轴截面上。分瓣凹模块 15 用模套 24 固紧，分瓣模块与模套之间选用圆锥面配合，锥角为 6。为了防止分瓣模块上下错位，模块之间设计了定位销 12，定位销一端与一个模块紧配合，另一端头部呈圆锥形或抛物线形，在分瓣凹模闭合或开模时确保定位销能顺利进入或退出另一模块。为了便于取出制件，在凹模分型面上设计了分模槽口，在模套上安装了自动分模装置，其结构如图 4 中件 11 所示。凹模型腔的尺寸和形状应根据制件尺寸和形状确定，对弹性很大的金属板材(如钛合金)，应考虑回弹量。凹模高度应高于凸模在预紧状态下的高度，保证橡胶凸模始终在闭合的型腔内工作，否则不仅影响胀形压力，而且还会损坏凸
12、模。胀形制件的表面质量与凹模型腔的表面质量有直接关系，因此凹模型腔连接必须圆滑，材料选用球墨铸铁，表面粗糙度值 Ra 应在 0.8m 以下。模套材料选 45 钢，模套与凹模的配合表面均应具有一定的耐磨性。5 模具结构特点聚氨酯橡胶凸模形状简单，制造方便，材料来源充足，用浇注型胎的方法或用现有聚氨酯橡胶板材加工即可。凸模形状为空心圆柱体，通过拉杆 2 和压板 20 固定在凸模 8 上(拉杆 2 和压板 20 之间用螺纹连接)。压板的形状和尺寸设计合理，还起着将压力机的主压力转化为施向毛坯的垂直压力，以促使毛坯变形的作用。分瓣式凹模的分模面选择在轴截面上，当毛坯放置在凹模中时，其悬空部分很小，使毛
13、坯获得可靠的定位，进而保证胀形质量。分瓣凹模块 15 与模套 24 之间的配合表面选用圆锥面配合，保证模块在工作状态能越压越紧，在卸料时顶出方便。为了防止凹模块上下错位，模块之间带有定位销。为了便于取出零件，模块之间还设计了分模槽口，并在模套上安装了自动分模装置。凹模结构上所采用的一系列措施，保证了工件的质量，使胀形模工作连续，运作可靠，降低了操作工人的劳动强度。李彦蓉（山东工程学院 山东淄博 255012）袁光明（山东工程学院 山东淄博 255012）王好臣（山东工程学院 山东淄博 255012）参考文献1，梁炳文.实用板金冲压工艺图集(第一集).机械工业出版社，1991.2，吴诗 .冲压工艺.西北工业大学出版社，1987.3，粟 祜.软阳模成形.国防工业出版社，1984.4，第四机械工业部标准化研究所.冷压冲模设计.第四机械工业部标准化研究所出版，1981.5，孟少农.机械加工工艺手册.机械工业出版社，1991.6，胡建国.橡胶在冲压模具设计中的应用.模具技术，1998，(6)
