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浅谈球形件缩口工艺及模具设计
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1引言
由于空心球体具有美观耐用、不老化、重量轻等特点，在工艺品、家具等生活用品装饰中应用愈来愈多。空心球体是家具上的装饰件，如图1所示。
该零件材料为08F，厚度t=1.5mm。要求表面光滑，无明显的皱折和划伤，生产批量较大。
2工艺分析
对于空心球体的加工有以下几种方法：
(1)机械加工法。采用机械加工方法，加工出空心球体。该方法不仅质量不易保证，而且材料消耗多，加工费用高，尤其是表面不光滑，存在着加工刀痕。
(2)半球形冲压焊接法。先用冲压方法加工出两个半球形毛坯，然后采用焊接方法将两个半球形毛坯焊接在一起，使其成为一个空心球体。由于存在焊缝，需要进行打磨抛光处理。该方法加工的空心球体尽管进行过打磨抛光处理，但零件表面不光滑。
(3)缩口成形法。先将片状毛坯拉伸成底部为半球形的圆筒形件，然后进行切边，，采用缩口成形方法制得空心球体。
当采用缩口成形时，应校核材料成形的稳定性。缩口成形属于压缩类变形工艺，影响压缩类变形时极限变形程度是材料变形时的稳定性，决定变形稳定性的因素是材料相对厚度。当t/D×100<1时，不宜采用缩口成形法。
该方法成形的零件表面光滑，无皱折现象发生。
(4)胀形成形法。先将片状毛坯拉伸成圆筒形件，然后进行切边，，采用胀形成形方法制得空心球体、当采用胀形成形时，应校核材料的可变形性。
胀形成形属于拉伸类变形工艺，影响拉伸类变形时极限变形程度是材料的塑性，即可变形性，可用材料伸长率大小表示材料的塑性。
当t/D×100<1时，宜采用胀形成形法。该方法成形的零件表面光滑，无皱折现象发生。
对于该零件，t/D×100=1.5/55×100=2.73>1，且表面质量要求严格，故选用缩口成形法。
3工艺计算
3.1落料毛坯尺寸的确定
由于毛坯在拉伸过程中的变薄可忽略不计，按照面积相等的原则计算：
又因：
化简上式得：
则：
式中D——毛坯展开直径
h——球缺高度，按中性层计算
d——球的开口直径
对于该零件，h=48.24mm，d=25mm，将以上数值代人上式：
考虑到切边余量、缩球后口部有增厚等因素，实际毛坯直径应增加7.5%，故实际毛坯直径Do=D(1+7.5%)=99.67×(1+7.5%)=107.15mm。
3.2缩口次数及各次缩口直径的确定
(1)缩口次数的确定。
该零件总缩口系数m=d/D=25/55=0.454
缩口次数是直接影响缩球能否成功和达到产品图尺寸的关键。查资料，在无支承的情况下，一次缩口的极限缩口系数[m1]=0.70～0.75，显然，该零件总缩口系数m小于一次缩口的极限缩口系数[m1]即m<|m1|，所以不能采用一次缩口成形，而采用两次缩口成形。
(2)各次缩口直径的确定。
取次缩口的缩口系数m1=0.72，则第：次缩口的缩口系数m2=m/m1=0.454/0.72=0.63
次缩口后口部外径d1=m1D=0.72×55=39.6mm
第二次缩口后口部外径d2=m2d1=0.63×39.6=25mm
该零件成形工艺为：落料拉伸→切边→冲φ15mm孔→次缩口→第二次缩口。
3.3毛坯高度的计算
采用缩口工艺成形空心球体时，经拉伸切边后毛坯高度h。
式中D——球形直径
d——缩口后口部直径
对于该零件，D=55mm，d=25mm。
将以上数值代入上式：
缩口毛坯如图2所示。
4模具结构及工作过程
4.1模具结构
根据该零件图，设计空心球体缩口模，如图3所示。该模具除凹模、推件器外，其余均为通用件，更换模具时，只需更换凹模、退件器即可。这样不仅缩短了制模周期，而且降低了生产成本。
4.2模具工作过程
工作时，将工件开口朝上放置于下模6内，并用定位销5进行定位。上模部分下行，毛坯进入上模4的工作型腔，上模部分继续下行，上模4的圆弧面开始向毛坯壁部施加压力，毛坯壁部在上模4、下模6的共同作用下，完成对工件的缩口成形。上模部分回程，毛坯在下模6内，用工具将零件取出。
5模具设计
5.1次缩口凹模的设计
次缩口凹模如图4所示。
(1)型腔尺寸的确定。
在一般情况下，在下端已拉伸成半球后，次缩球时的球带面积约等于半球面积的10%～15%，即
式中H——球带高度
r——球外表面半径
对于本零件，H=(0.1～0.15)×27.5=2.75～4.13mm。
次缩口凹模型腔由两部分组成：即高度为H(2.75～4.13)mm的球带和与其圆滑连接的卵圆小头。
凹模截面尺寸由球的水平轴线向下移H(2.75～4.13)mm作该水平轴线的平行线交圆于b1、b2两点，分别以b1和b2为圆心，以R55mm为半径，所画的两弧形成的腔，即为次缩口凹模的轴截面形状。
(2)排气孔直径d。
排气孔直径d应小于次缩口后毛坯口部外径φ39.6mm，本例取排气孔直径d=φ32mm。
5.2第二次缩口凹模的设计
(1)型腔尺寸的确定。
第二次缩口凹模按照产品图成品尺寸设计。
(2)排气孔直径d。
第二次缩口凹模排气孔直径d=φ20mm。
6结束语
采用缩口工艺生产空心球体，保证了零件的尺寸精度和一致性，提高生产效率，降低生产成本，满足了大批量生产的要求。经过几年的大批量生产，该工艺较成熟。
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