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淺談球形件縮口工藝及模具設計
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1引言
由于空心球體具有美觀耐用、不老化、重量輕等特點，在工藝品、家具等生活用品裝飾中應用愈來愈多?？招那蝮w是家具上的裝飾件，如圖1所示。
該零件材料為08F，厚度t=1.5mm。要求表面光滑，無明顯的皺折和劃傷，生產(chǎn)批量較大。
2工藝分析
對于空心球體的加工有以下幾種方法：
(1)機械加工法。采用機械加工方法，加工出空心球體。該方法不僅質(zhì)量不易保證，而且材料消耗多，加工費用高，尤其是表面不光滑，存在著加工刀痕。
(2)半球形沖壓焊接法。先用沖壓方法加工出兩個半球形毛坯，然后采用焊接方法將兩個半球形毛坯焊接在一起，使其成為一個空心球體。由于存在焊縫，需要進行打磨拋光處理。該方法加工的空心球體盡管進行過打磨拋光處理，但零件表面不光滑。
(3)縮口成形法。先將片狀毛坯拉伸成底部為半球形的圓筒形件，然后進行切邊，，采用縮口成形方法制得空心球體。
當采用縮口成形時，應校核材料成形的穩(wěn)定性。縮口成形屬于壓縮類變形工藝，影響壓縮類變形時極限變形程度是材料變形時的穩(wěn)定性，決定變形穩(wěn)定性的因素是材料相對厚度。當t/D×100<1時，不宜采用縮口成形法。
該方法成形的零件表面光滑，無皺折現(xiàn)象發(fā)生。
(4)脹形成形法。先將片狀毛坯拉伸成圓筒形件，然后進行切邊，，采用脹形成形方法制得空心球體、當采用脹形成形時，應校核材料的可變形性。
脹形成形屬于拉伸類變形工藝，影響拉伸類變形時極限變形程度是材料的塑性，即可變形性，可用材料伸長率大小表示材料的塑性。
當t/D×100<1時，宜采用脹形成形法。該方法成形的零件表面光滑，無皺折現(xiàn)象發(fā)生。
對于該零件，t/D×100=1.5/55×100=2.73>1，且表面質(zhì)量要求嚴格，故選用縮口成形法。
3工藝計算
3.1落料毛坯尺寸的確定
由于毛坯在拉伸過程中的變薄可忽略不計，按照面積相等的原則計算：
又因：
化簡上式得：
則：
式中D——毛坯展開直徑
h——球缺高度，按中性層計算
d——球的開口直徑
對于該零件，h=48.24mm，d=25mm，將以上數(shù)值代人上式：
考慮到切邊余量、縮球后口部有增厚等因素，實際毛坯直徑應增加7.5%，故實際毛坯直徑Do=D(1+7.5%)=99.67×(1+7.5%)=107.15mm。
3.2縮口次數(shù)及各次縮口直徑的確定
(1)縮口次數(shù)的確定。
該零件總縮口系數(shù)m=d/D=25/55=0.454
縮口次數(shù)是直接影響縮球能否成功和達到產(chǎn)品圖尺寸的關鍵。查資料，在無支承的情況下，一次縮口的極限縮口系數(shù)[m1]=0.70～0.75，顯然，該零件總縮口系數(shù)m小于一次縮口的極限縮口系數(shù)[m1]即m<|m1|，所以不能采用一次縮口成形，而采用兩次縮口成形。
(2)各次縮口直徑的確定。
取次縮口的縮口系數(shù)m1=0.72，則第：次縮口的縮口系數(shù)m2=m/m1=0.454/0.72=0.63
次縮口后口部外徑d1=m1D=0.72×55=39.6mm
第二次縮口后口部外徑d2=m2d1=0.63×39.6=25mm
該零件成形工藝為：落料拉伸→切邊→沖φ15mm孔→次縮口→第二次縮口。
3.3毛坯高度的計算
采用縮口工藝成形空心球體時，經(jīng)拉伸切邊后毛坯高度h。
式中D——球形直徑
d——縮口后口部直徑
對于該零件，D=55mm，d=25mm。
將以上數(shù)值代入上式：
縮口毛坯如圖2所示。
4模具結(jié)構(gòu)及工作過程
4.1模具結(jié)構(gòu)
根據(jù)該零件圖，設計空心球體縮口模，如圖3所示。該模具除凹模、推件器外，其余均為通用件，更換模具時，只需更換凹模、退件器即可。這樣不僅縮短了制模周期，而且降低了生產(chǎn)成本。
4.2模具工作過程
工作時，將工件開口朝上放置于下模6內(nèi)，并用定位銷5進行定位。上模部分下行，毛坯進入上模4的工作型腔，上模部分繼續(xù)下行，上模4的圓弧面開始向毛坯壁部施加壓力，毛坯壁部在上模4、下模6的共同作用下，完成對工件的縮口成形。上模部分回程，毛坯在下模6內(nèi)，用工具將零件取出。
5模具設計
5.1次縮口凹模的設計
次縮口凹模如圖4所示。
(1)型腔尺寸的確定。
在一般情況下，在下端已拉伸成半球后，次縮球時的球帶面積約等于半球面積的10%～15%，即
式中H——球帶高度
r——球外表面半徑
對于本零件，H=(0.1～0.15)×27.5=2.75～4.13mm。
次縮口凹模型腔由兩部分組成：即高度為H(2.75～4.13)mm的球帶和與其圓滑連接的卵圓小頭。
凹模截面尺寸由球的水平軸線向下移H(2.75～4.13)mm作該水平軸線的平行線交圓于b1、b2兩點，分別以b1和b2為圓心，以R55mm為半徑，所畫的兩弧形成的腔，即為次縮口凹模的軸截面形狀。
(2)排氣孔直徑d。
排氣孔直徑d應小于次縮口后毛坯口部外徑φ39.6mm，本例取排氣孔直徑d=φ32mm。
5.2第二次縮口凹模的設計
(1)型腔尺寸的確定。
第二次縮口凹模按照產(chǎn)品圖成品尺寸設計。
(2)排氣孔直徑d。
第二次縮口凹模排氣孔直徑d=φ20mm。
6結(jié)束語
采用縮口工藝生產(chǎn)空心球體，保證了零件的尺寸精度和一致性，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，滿足了大批量生產(chǎn)的要求。經(jīng)過幾年的大批量生產(chǎn)，該工藝較成熟。
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