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1 緒 論 1.1選題背景 在現代汽車工業(yè)中，微型汽車上發(fā)動機冷卻系統(tǒng)離心式水泵內葉輪由鑄鐵等金屬或工程塑料制成，采用向后彎曲的半圓弧、雙圓弧或多圓弧形葉片，其葉型與水流方向一致，泵水效率較高。塑料葉輪容易實現小型化和輕量化，且耐腐蝕性能好，有越來越多的汽車發(fā)動機水泵使用了塑料葉輪。但塑料葉輪容易開裂或葉輪磨損后從泵軸上松脫，使冷卻液循環(huán)速度變慢，容易引起發(fā)動機溫度過高的故障。損壞的葉輪在旋轉時還可能撞擊水泵殼體，造成殼體碎裂。鑄鐵制成的水泵葉輪機械強度較高，但其質量較大。因此一種能綜合現在采用材料優(yōu)點而又避其缺點的產品就應時而生了。 1.2 課題相關調研 水箱在汽車的冷卻、散熱中有著重要的作用。因為汽車的冷卻系統(tǒng)是用來為發(fā)動機散熱的，一般常見的發(fā)動機過熱問題。發(fā)動機是由冷卻液的循環(huán)來實現的，強制冷卻液循環(huán)的部件是水泵，它由曲軸皮帶帶動水泵葉輪推動冷卻液在整個系統(tǒng)內循環(huán)。 為了保證冷卻效果，汽車冷卻系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：散熱器、節(jié)溫器、水泵、缸體水道、缸蓋水道、風扇等組成。據資料顯示：導致汽車拋錨的故障中，冷卻系統(tǒng)故障位居第一。由此可見，汽車冷卻系統(tǒng)保養(yǎng)對汽車安全運行起著重要的作用。 葉輪用于微型汽車上發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的離心式水泵內，工件時以1500-3000r/min左右的速度旋轉，使冷卻水在冷卻系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動。為保證足夠的強度和剛度，葉輪采用厚度為2mm的Al脫氧鎮(zhèn)靜鋼冷軋板。 1.3沖壓的概念、特點及應用 沖壓是利用安裝在沖壓設備（主要是壓力機）上的模具對材料施加壓力，使其產生分離或塑性變形，從而獲得所需零件（俗稱沖壓或沖壓件）的一種壓力加工方法。沖壓通常是在常溫下對材料進行冷變形加工，且主要采用板料來加工成所需零件，所以也叫冷沖壓或板料沖壓。沖壓是材料壓力加工或塑性加工的主要方法之一，隸屬于材料成型工程術。 沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產就難以進行；沒有先進的沖模，先進的沖壓工藝就無法實現。沖壓工藝與模具、沖壓設備和沖壓材料構成沖壓加工的三要素，只有它們相互結合才能得出沖壓件。 與機械加工及塑性加工的其它方法相比，沖壓加工無論在技術方面還是經濟方面都具有許多獨特的優(yōu)點。主要表現如下。 (1) 沖壓加工的生產效率高，且操作方便，易于實現機械化與自動化。這是因為沖壓是依靠沖模和沖壓設備來完成加工，普通壓力機的行程次數為每分鐘可達幾十次，高速壓力要每分鐘可達數百次甚至千次以上，而且每次沖壓行程就可能得到一個沖件。 （2）沖壓時由于模具保證了沖壓件的尺寸與形狀精度，且一般不破壞沖壓件的表面質量,而模具的壽命一般較長,所以沖壓的質量穩(wěn)定,互換性好,具有“一模一樣”的特征。 （3）沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀較復雜的零件，如小到鐘表的秒表，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時材料的冷變形硬化效應，沖壓的強度和剛度均較高。 （4）沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需其它加熱設備，因而是一種省料，節(jié)能的加工方法，沖壓件的成本較低。 但是，沖壓加工所使用的模具一般具有專用性，有時一個復雜零件需要數套模具才能加工成形，且模具 制造的精度高，技術要求高，是技術密集形產品。所以，只有在沖壓件生產批量較大的情況下，沖壓加工的優(yōu)點才能充分體現，從而獲得較好的經濟效益。 沖壓加工在現代工業(yè)生產中，尤其是大批量生產中應用十分廣泛。相當多的工業(yè)部門越來越多地采用沖壓法加工產品零部件，如汽車、農機、儀器、儀表、電子、航空、航天、家電及輕工等行業(yè)。在這些工業(yè)部門中，沖壓件所占的比重都相當的大，少則60%以上，多則90%以上。不少過去用鍛造=鑄造和切削加工方法制造的零件，現在大多數也被質量輕、剛度好的沖壓件所代替。因此可以說，如果生產中不諒采用沖壓工藝，許多工業(yè)部門要提高生產效率和產品質量、降低生產成本、快速進行產品更新換代等都是難以實現的。 1.4 沖壓的基本工序及模具 由于沖壓加工的零件種類繁多，各類零件的形狀、尺寸和精度要求又各不相同，因而生產中采用的沖壓工藝方法也是多種多樣的。概括起來，可分為分離工序和成形工序兩大類；分離工序是指使坯料沿一定的輪廓線分離而獲得一定形狀、尺寸和斷面質量的沖壓（俗稱沖裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的條件下產生塑性變形而獲得一定形狀和尺寸的沖壓件的工序。 上述兩類工序，按基本變形方式不同又可分為沖裁、彎曲、拉深和成形四種基本工序，每種基本工序還包含有多種單一工序。 在實際生產中，當沖壓件的生產批量較大、尺寸較少而公差要求較小時，若用分散的單一工序來沖壓是不經濟甚至難于達到要求。這時在工藝上多采用集中的方案，即把兩種或兩種以上的單一工序集中在一副模具內完成，稱為組合的方法不同，又可將其分為復合-級進和復合-級進三種組合方式。 復合沖壓——在壓力機的一次工作行程中，在模具的同一工位上同時完成兩種或兩種以上不同單一工序的一種組合方法式。 級進沖壓——在壓力機上的一次工作行程中，按照一定的順序在同一模具的不同工位上完面兩種或兩種以上不同單一工序的一種組合方式。 復合-級進——在一副沖模上包含復合和級進兩種方式的組合工序。 沖模的結構類型也很多。通常按工序性質可分為沖裁模、彎曲模、拉深模和成形模等；按工序的組合方式可分為單工序模、復合模和級進模等。但不論何種類型的沖模，都可看成是由上模和下模兩部分組成，上模被固定在壓力機工作臺或墊板上，是沖模的固定部分。工作時，坯料在下模面上通過定位零件定位，壓力機滑塊帶動上模下壓，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便產生分離或塑性變形，從而獲得所需形狀與尺寸的沖件。上?；厣龝r，模具的卸料與出件裝置將沖件或廢料從凸、凹模上卸下或推、頂出來，以便進行下一次沖壓循環(huán)。 1.5 沖壓技術的現狀及發(fā)展方向 隨著科學技術的不斷進步和工業(yè)生產的迅速發(fā)展，許多新技術、新工藝、新設備、新材料不斷涌現，因而促進了沖壓技術的不斷革新和發(fā)展。其主要表現和發(fā)展方向如下 1.5.1 沖壓成形理論及沖壓工藝方面 沖壓成形理論的研究是提高沖壓技術的基礎。目前，國內外對沖壓成形理論的研究非常重視，在材料沖壓性能研究、沖壓成形過程應力應變分析、板料變形規(guī)律研究及坯料與模具之間的相互作用研究等方面均取得了較大的進展。特別是隨著計算機技術的飛躍發(fā)展和塑性變形理論的進一步完善，近年來國內外已開始應用塑性成形過程的計算機模擬技術，即利用有限元（FEM）等有值分析方法模擬金屬的塑性成形過程，根據分析結果，設計人員可預測某一工藝方案成形的可行性及可能出現的質量問題，并通過在計算機上選擇修改相關參數，可實現工藝及模具的優(yōu)化設計。這樣既節(jié)省了昂貴的試模費用，也縮短了制模具周期。 研究推廣能提高生產率及產品質量、降低成本和擴大沖壓工藝應用范圍的各種壓新工藝，也是沖壓技術的發(fā)展方向之一。目前，國內外相繼涌現出精密沖壓工藝、軟模成形工藝、高能高速成形工藝及無模多點成形工藝等精密、高效、經濟的沖壓新工藝。其中，精密沖裁是提高沖裁件質量的有效方法，它擴大了沖壓加工范圍，目前精密沖裁加工零件的厚度可達25mm，精度可達IT16~17級；用液體、橡膠、聚氨酯等作柔性凸?；虬寄５能浤３尚喂に嚕芗庸こ鲇闷胀庸し椒y以加工的材料和復雜形狀的零件，在特定生產條件下具有明顯的經濟效果；采用爆炸等高能效成形方法對于加工各種尺寸在、形狀復雜、批量小、強度高和精度要求較高的板料零件，具有很重要的實用意義；利用金屬材料的超塑性進行超塑成形，可以用一次成形代替多道普通的沖壓成形工序，這對于加工形狀復雜和大型板料零件具有突出的優(yōu)越性；無模多點成形工序是用高度可調的凸模群體代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具進行板料曲面成形的一種先進技術，我國已自主設計制造了具有國際領先水平的無模多點成形設備，解決了多點壓機成形法，從而可隨意改變變形路徑與受力狀態(tài)，提高了材料的成形極限，同時利用反復成形技術可消除材料內殘余應力，實現無回彈成形。無模多點成形系統(tǒng)以CAD/CAM/CAE技術為主要手段，能快速經濟地實現三維曲面的自動化成形。 1.5.2沖模是實現沖壓生產的基本條件 在沖模的設計制造上,目前正朝著以下兩方面發(fā)展:一方面,為了適應高速、自動、精密、安全等大批量現代生產的需要，沖模正向高效率、高精度、高壽命及多工位、多功能方向發(fā)展，與此相比適應的新型模具材料及其熱處理技術，各種高效、精密、數控自動化的模具加工機床和檢測設備以及模具CAD/CAM技術也在迅速發(fā)展；另一方面，為了適應產品更新換代和試制或小批量生產的需要，鋅基合金沖模、聚氨酯橡膠沖模、薄板沖模、鋼帶沖模、組合沖模等各種簡易沖模及其制造技術也得到了迅速發(fā)展。 精密、高效的多工位及多功能級進模和大型復雜的汽車覆蓋件沖模代表了現代沖模的技術水平。目前，50個工位以上的級進模進距精度可達到2微米，多功能級進模不僅可以完成沖壓全過程，還可完成焊接、裝配等工序。我國已能自行設計制造出達到國際水平的精度達2~5微米，進距精度2~3微米，總壽命達1億次。我國主要汽車模具企業(yè)，已能生產成套轎車覆蓋件模具，在設計制造方法、手段方面已基本達到了國際水平，但在制造方法手段方面已基本達到了國際水平，模具結構、功能方面也接近國際水平，但在制造質量、精度、制造周期和成本方面與國外相比還存在一定差距。 模具制造技術現代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎。計算機技術、信息技術、自動化技術等先進技術正在不斷向傳統(tǒng)制造技術滲透、交叉、融合形成了現代模具制造技術。其中高速銑削加工、電火花銑削加工、慢走絲切割加工、精密磨削及拋光技術、數控測量等代表了現代沖模制造的技術水平。高速銑削加工不但具有加工速度高以及良好的加工精度和表面質量（主軸轉速一般為15000~40000r/min），加工精度一般可達10微米，最好的表面粗糙度Ra≤1微米），而且與傳統(tǒng)切削加工相比具有溫升低（工件只升高3攝氏度）、切削力小，因而可加工熱敏材料和剛性差的零件，合理選擇刀具和切削用量還可實現硬材料（60HRC）加工；電火花銑削加工（又稱電火花創(chuàng)成加工）是以高速旋轉的簡單管狀電極作三維或二維輪廓加工（像數控銑一樣），因此不再需要制造昂貴的成形電極，如日本三菱公司生產的EDSCAN8E電火花銑削加工機床，配置有電極損耗自動補償系統(tǒng)、CAD/CAM集成系統(tǒng)、在線自動測量系統(tǒng)和動態(tài)仿真系統(tǒng)，體現了當今電火花加工機床的技術水平；慢走絲線切割技術的發(fā)展水平已相當高，功能也相當完善，自動化程度已達到無人看管運行的程度，目前切割速度已達到300mm/min，加工精度可達±1.5微米，表面粗糙度達Ra=01~0.2微米;精度磨削及拋光已開始使用數控成形磨床、數控光學曲線磨床、數控連續(xù)軌跡坐標磨床及自動拋光等先進設備和技術;模具加工過程中的檢測技術也取得了很大的發(fā)展,現在三坐標測量機除了能高精度地測量復雜曲面的數據外,其良好的溫度補償裝置、可靠的抗振保護能力、嚴密的除塵措施及簡單操作步驟，使得現場自動化檢測成為可能。此外，激光快速成形技術（RPM）與樹脂澆注技術在快速經濟制模技術中得到了成功的應用。利用RPM技術快速成形三維原型后，通過陶瓷精鑄、電弧涂噴、消失模、熔模等技術可快速制造各種成形模。如清華大學開發(fā)研制的“M-RPMS-Ⅱ型多功能快速原型制造系統(tǒng)”是我國自主知識產權的世界惟一擁有兩種快速成形工藝（分層實體制造SSM和熔融擠壓成形MEM）的系統(tǒng)，它基于“模塊化技術集成”之概念而設計和制造，具有較好的價格性能比。一汽模具制造公司在以CAD/CAM加工的主模型為基礎，采用瑞士汽巴精化的高強度樹脂澆注成形的樹脂沖模應用在國產轎車試制和小批量生產開辟了新的途徑。 1.5.3 沖壓設備和沖壓生產自動化方面 性能良好的沖壓設備是提高沖壓生產技術水平的基本條件，高精度、高壽命、高效率的沖模需要高精度、高自動化的沖壓設備相匹配。為了滿足大批量高速生產的需要，目前沖壓設備也由單工位、單功能、低速壓力機朝著多工位、多功能、高速和數控方向發(fā)展，加之機械乃至機器人的大量使用，使沖壓生產效率得到大幅度提高，各式各樣的沖壓自動線和高速自動壓力機紛紛投入使用。如在數控四邊折彎機中送入板料毛坯后，在計算機程序控制下便可依次完成四邊彎曲，從而大幅度提高精度和生產率；在高速自動壓力機上沖壓電機定轉子沖片時，一分鐘可沖幾百片，并能自動疊成定、轉子鐵芯，生產效率比普通壓力機提高幾十倍，材料利用率高達97%；公稱壓力為250KN的高速壓力機的滑塊行程次數已達2000次/min以上。在多功能壓力機方面，日本田公司生產的2000KN“沖壓中心”采用CNC控制，只需5min時間就可完成自動換模、換料和調整工藝參數等工作；美國惠特尼公司生產的CNC金屬板材加工中心，在相同的時間內，加工沖壓件的數量為普通壓力機的4~10倍，并能進行沖孔、分段沖裁、彎曲和拉深等多種作業(yè)。 近年來，為了適應市場的激烈競爭，對產品質量的要求越來越高，且其更新換代的周期大為縮短。沖壓生產為適應這一新的要求，開發(fā)了多種適合不同批量生產的工藝、設備和模具。其中，無需設計專用模具、性能先進的轉塔數控多工位壓力機、激光切割和成形機、CNC萬能折彎機等新設備已投入使用。特別是近幾年來在國外已經發(fā)展起來、國內亦開始使用的沖壓柔性制造單元（FMC）和沖壓柔性制造系統(tǒng)（FMS）代表了沖壓生產新的發(fā)展趨勢。FMS系統(tǒng)以數控沖壓設備為主體，包括板料、模具、沖壓件分類存放系統(tǒng)、自動上料與下料系統(tǒng)，生產過程完全由計算機控制，車間實現24小時無人控制生產。同時，根據不同使用要求，可以完成各種沖壓工序，甚至焊接、裝配等工序，更換新產品方便迅速，沖壓件精度也高。 2沖壓件工藝分析 零件簡圖：如圖2.１所示： 生產批量：大批量 零件材料：08Al-ZF 材料厚度：2mm 圖2.1 水泵葉輪零件圖 2.1 材料 葉輪用于微型汽車上發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的離心式水泵內，工作時以1500~3000r/min左右的速度旋轉，使冷卻水在冷卻系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動。為保證足夠的強度和剛度，葉輪采用厚度為2mm的鋼板。 沖壓工藝對材料的基本要求主要是： （1） 對沖壓成形性能的要求：為了有利于沖壓變形和制件質量的提高，材料應具有良好的沖壓成形性能。而沖壓成形性能與材料的機械性能密切相關，通常要求材料應具有：良好的塑性，屈強比小，彈性模量高，板厚方向性系數大，板平面方向性系數小。 （2） 對材料厚度公差的要求：材料的厚度公差應符合國家規(guī)定標準。因為一定的模具間隙適用于一定厚度的材料，材料厚度公差太大，不僅直接影響制件的質量，還可能導致模具和沖床的損壞。 （3） 對表面質量的要求：材料的表面應光潔平整，無分層和機械性質的損傷，無銹斑、氧化皮及其它附著物。表面質量好的材料，沖壓時不易破裂，不易擦傷模具，工件表面質量好。 由于08Al具有良好的塑性，屈服比小，彈性模量高，沖壓時不易破裂，表面質量好，基本符合該零件需要，所以選擇該材料為零件材料。08Al按拉深質量分為三級：ZF(用于拉深最復雜零件)，HF（用于拉深很復雜零件）F（用于拉深簡單的零件）。由于形狀比較復雜，特別是中間的拉深成型難度大，葉輪零件采用ZF級的材料，表面質量也為較高的Ⅱ級。表2.1列出了08Al-ZF的力學性能。 表2.1 08Al-ZF的力學性能 （GB5213-1985和GB710-1988） ?/(Mpa) ?/Mpa ?(%) ?/? 不 小 于 260～330 200 44 0.66 2.2尺寸精度 為減輕震動，減少噪音，葉輪零件的加工精度有一定的要求。除了7個葉片形狀和尺寸應一致外，葉輪中部與固定軸配合部位的要求也較高。由于靠沖壓加工難以達到直徑Φ23.8和Φ11.70-0.1的要求，實際生產中采用了沖壓成形后再切削加工的辦法。沖壓成形后要留有足夠的機加余量，因此孔Φ23.8和Φ11.70-0.1的沖壓尺寸取為Φ23.5和Φ11.5。拉深成形后的高度尺寸22.5±0.26精度高于表2.3中的尺寸偏差，需由整形保證。 表2.2 拉深件直徑的極限偏差 材料厚度 拉深件直徑的基本尺寸d ≤50 ＞50～100 ＞100～300 0.5 ±0.12 - - 0.6 ±0.15 ±0.20 - 0.8 ±0.20 ±0.25 ±0.30 1.0 ±0.25 ±0.30 ±0.40 1.2 ±0.30 ±0.35 ±0.50 1.5 ±0.35 ±0.40 ±0.60 2.0 ±0.40 ±0.50 ±0.70 2.5 ±0.45 ±0.60 ±0.80 3.0 ±0.50 ±0.70 ±0.90 4.0 ±0.60 ±0.80 ±1.00 表2.3 帶凸緣拉深件拉深高度的尺寸偏差 材料厚度 拉深件高度的基本尺寸h ≤18 ＞18～30 ＞30～50 ＞50～80 ＞80～120 ≤1 ±0.3 ±0.4 ±0.5 ±0.6 ±0.7 ＞1～2 ±0.4 ±0.5 ±0.6 ±0.7 ±0.8 ＞2～3 ±0.5 ±0.6 ±0.7 ±0.8 ±0.9 ＞3～4 ±0.6 ±0.7 ±0.8 ±0.9 ±1.0 ＞4～5 - - ±0.9 ±1.0 ±1.1 3 確定工藝方案 初步分析可以知道葉輪零件的沖壓成形需要多道工序。首先，零件中部是有凸緣的圓筒拉深件，有兩個階梯，筒底還要沖Φ6.5的孔；其次，零件外圈為翻邊后形成的7個“豎立”葉片，圍繞中心均勻分布。另外，葉片翻邊前還要修邊、切槽，由于拉深圓角半徑比較?。?.5~1），因此還需要整形。 對拉深工序，在葉片展開前，按料厚中心線計算有D外徑/d中經=61.2/13.5≈4.53＞1.4，并且葉片展開后凸緣將更寬，所以屬于寬凸緣拉深。另外，零件拉深深度大（如最小階梯直徑的相對高度h/d=20.5/13.5=1.52，遠大于一般帶凸緣筒形件第一次拉深許可的最大相對拉深高度），所以拉深成形比較困難，要多次拉深。 對于沖裁及翻邊工序，考慮到零件總體尺寸不大，而且葉片“豎立”后各葉片之間的空間狹小，結構緊湊，另外拉深后零件的底部還要沖Φ6.5的孔，所以模具結構設計與模具制造有一定難度，要特別注意模具的強度和剛度。 綜上所述，葉輪由平板毛坯沖壓成形應包括的基本工序有：沖裁（落料、沖孔、修邊與切槽）、拉深（多次拉深）、翻邊（將外圈葉片翻成豎直）等。 由于葉輪沖壓成形需多道次完成，因此制定合理的成形工藝方案十分重要?？紤]到生產批量大，應在生產合格零件的基礎上盡量提高生產效率，降低生產成本。要提高生產效率，應該盡量復合能復合的工序。但復合程度太高，模具結構復雜，安裝、調試困難，模具成本提高，同時可能降低模具強度，縮短模具壽命。根據葉輪零件的實際情況，可能復合的工序有：落料與第一次拉深；最后一次拉深和整形；修邊、切槽；切槽、沖孔；修邊、沖孔；修邊、切槽、沖孔。 根據葉輪零件形狀，可以確定成形順序是先拉深中間的階梯圓筒形，然后成形外圈葉片。這樣能保持已成形部位尺寸的穩(wěn)定，同時模具結構也相對簡單。 修邊、切槽、沖孔在中間階梯拉深成形后以及葉片翻邊前進行。為保證7個葉片分度均勻，修邊和切槽不要逐個葉片的沖裁。 因此葉輪的沖壓成形主要有以下幾種工藝方案： 方案一： （1）落料； （2）拉深（多次）； （3）整形； （4）修邊； （5）切槽； （6）沖孔； （7）翻邊。 方案二： （1）落料與第一次拉深復合； （2）后續(xù)拉深； （3）整形； （4）切槽、修邊、沖孔復合； （5）翻邊。 方案三： （1）落料與第一次拉深復合； （2）后續(xù)拉深； （3）整形； （4）切槽、沖孔復合； （5）修邊； （6）翻邊。 方案四： （1）落料與第一次拉深復合； （2）后續(xù)拉深； （3）整形； （4）修邊、沖孔復合； （5）切槽； （6）翻邊。 方案五： （1）落料與第一次拉深復合； （2）后續(xù)拉深； （3）整形； （4）切槽； （5）修邊、沖孔復合； （6）翻邊。 方案一復合程度低，模具結構簡單，安裝、調試容易，但生產道次多，效率低，不適合大批量生產。 方案二至五將落料、拉深復合，主要區(qū)別在于修邊、切槽、沖孔的組合方式以及順序不同。需要注意的是，只有當拉深件高度較高，才有可能采用落料、拉深復合模結構形式，因此淺拉深件若采用落料、拉深復合模結構，落料凸模（同時又是拉深凹模）的壁厚太薄，強度不夠。 方案二將修邊、切槽、沖孔復合，工序少，生產效率高，但模具結構復雜，安裝、調試困難，同時模具強度也較低。 方案三將切槽和沖孔組合，由于所切槽與中間孔的距離較近，因此在模具結構上不容易安排，模具強度差。所以較好的這組合方式應該是修邊和沖孔組合，而切槽單獨進行，如方案四、五。 方案四與方案五主要區(qū)別在于一個先修邊、沖孔后切槽，一個先切槽后修邊、沖孔。由于切槽與修邊有相對位置關系，而所切槽尺寸比較小，如果先切槽則修邊模具上不好安排定位，所以實際選擇了方案四，即先修邊、沖孔后切槽，然后翻邊成形豎立葉片。 4 主要工藝計算 本次計算主要編寫方案四中第一步和第二步的落料與第一次拉深復合及后續(xù)拉深的工藝計算。 4.1排樣設計與計算 沖裁所產生的廢料分為兩種，一是工件的各種內孔產生的廢料，它取決于工件的形狀，一般不能改變，稱為廢料；二是由于工件之間的搭邊和工件與條料側面的搭邊、板料的料頭、料尾而產生的廢料，它取決于沖壓方式和排樣方式，稱為工藝廢料， 提高材料利用率最主要的途徑是合理排樣使工藝廢料盡量小，另外在滿足工件使用要求的前提下，適當的改變工件的結構形狀也可以提高材料的利用率。 本工件的沖裁毛坯是簡單的圓形件，可直接排樣，常用的排樣方法有三種： （1）有廢料排樣：指沿工件全部外形沖裁，工件與工件、工件與條料邊緣都留有搭邊，此種排樣的缺點是材料利用率低，但有了搭邊就能保證沖裁件的質量，模具壽命也高； （2）少廢料排樣：指模具只沿著工件部分外形輪廓沖裁，只有局部搭邊的存在； （3）無廢料排樣：指工件與工件之間及工件與條料側邊之間均無搭邊的存在，模具刃口沿條料順序切下，直接獲得工件。 少廢料、無廢料排樣的缺點是工件質量差，模具壽命不高，但這兩種排樣可以節(jié)省材料，還具有簡化模具結構、降低沖裁力和提高生產率等優(yōu)點。 根據本零件的特點，適合采用有廢料直排的方式，如圖4.1。 圖4.1排樣圖 沖裁搭邊值可以按表4.1選取，取沿邊搭邊值а=1.5mm，工作間搭邊值а=1.2mm。 表4.1 最小搭邊值 材料厚度t 工作間а 側面а 工作間а 側面а 工作間а 側面а 0.25以下 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 0.25～0.5 1.2 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 0.5～0.8 1.0 1.2 1.5 1.8 1.8 2.0 0.8～1.2 0.8 1.0 1.2 1.5 1.5 1.8 1.2～1.6 1.0 1.2 1.5 1.8 1.8 2.0 1.6～2.0 1.2 1.5 1.8 2.5 2.0 2.2 2.0～2.5 1.5 1.8 2.0 2.2 2.2 2.5 2.5～3.0 1.8 2.2 2.2 2.5 2.5 2.8 本模具采用無側壓裝置，由表4.2可得條料與導料板間間隙最小值為0.5mm。 表4.2 導料板與條料之間的最小間隙Cmin 材料厚度 無側壓裝置 條料寬度B 100以下 100～200 200～300 ～0.5 0.5 0.5 1 0.5～1 0.5 0.5 1 1～2 0.5 1 1 2～3 0.5 1 1 4.2 落料尺寸 落料尺寸即零件的平面展開尺寸，葉輪零件基本形狀為圓形，因此落料形狀也應該為圓形，需確定的落料尺寸為圓的直徑。 根據葉輪零件圖，不能直接得到凸緣尺寸。在計算落料尺寸之前，要將豎立葉片“放平”，轉化為平凸緣筒形拉深成形件后再計算落料尺寸。 嚴格來講，葉輪成形“豎直”葉片的工序屬于平面外凸曲線翻邊。但根據零件圖，由于翻轉曲線的曲率半徑比較大，為簡化計算可以近似按彎曲變形來確定展開尺寸，如圖4.2所示。因為彎曲半徑r=0.5~1≤0.5t=1,所以可以按彎曲坯料展開的計算公式計算。經計算，葉片展開后，凸緣尺寸為Φ76（單位mm，下同）。 d凸/d=76/25.5 =2.9（mm） 查表4.3，可取修邊余量為2.2.因此凸緣直徑為： 76+2.2×2=80.4（mm） 表4.3 有凸緣圓筒形拉深件的修邊余量 凸緣直徑d 凸緣的相對直徑d凸/d 1.5以下 ＞1.5～2 ＞2～2.5 ＞2.5 ≤25 1.8 1.6 1.4 1.2 ＞25～50 2.5 2.0 4.8 1.6 ＞50～100 3.5 3.0 2.5 2.2 ＞100～150 4.3 3.6 3.0 2.5 ＞150～200 5.0 4.2 3.5 2.7 ＞200～250 5.5 4.6 3.8 2.8 ＞250 6 5 4 3 取凸緣尺寸為Φ80，于是得到葉輪拉深成形尺寸，如圖4.3所示。 根據葉輪拉深成形尺寸，可以算出零件總表面積A約為5890。按照一般拉深過程表面積不變的假設，可得到落料直徑 D= = =86.6（mm） 因圓角半徑較小，近似計算落料直徑 D= = =87.88（mm） 最后取落料直徑D=87（mm） 圖4.2 葉輪葉片的展開 圖4.3 葉輪拉深成形尺寸 （按料厚中心線標注） 4.3 計算條料寬度與送料步距 條料寬度B： 其中 垂直送料方向上零件尺寸 條料與導料板之間的間隙 條料寬度公差值，查表4.4 由公式得： mm =90.5mm 取條料寬度為90mm。 送料步距S： S=87+1.2 =88.2mm 材料利用率： 100% ≈74% 表4.4 條料寬度偏差 條料寬度B 材料厚度t ～1 1～2 2～3 3～5 ～50 0.4 0.5 0.7 0.9 50～100 0.5 0.6 0.8 1.0 100～150 0.6 0.7 0.9 1.1 150～220 0.7 0.8 1.0 1.2 4.4 壓力中心的確定 模具壓力中心是指沖壓合力的作用點位置，為了確保壓力機和模具正常工作，應使沖模的壓力中心和壓力機的壓力中心相重合。對于帶有模柄的沖壓模，壓力中心應通過模柄的軸心線，否則會使沖模和壓力機滑塊產生偏心載荷，使滑塊和導軌之間產生過大的磨損，模具導向零件加速磨損，降低模具和壓力機的使用壽命。 沖模的壓力中心，可按下述原則來確定： （1）對稱形狀的單個沖裁件，沖模的壓力中心就是沖裁件的幾何中心。 （2）工件形狀相同且分布位置對稱時，沖模的壓力中心與零件的對稱中心相重合。 （3）形狀復雜的零件、多凸模的壓力中心可用解析計算法求出。 因為該工件為圓形旋轉體工件，所以其壓力中心在其軸心線上。 4.5 拉深道次及各道次尺寸 葉輪拉深成形后為帶階梯的寬凸緣件，成形較為困難，需多次拉深。根據圖4.3所示葉輪拉深件形狀，成形過程可分為兩個步驟：首先，按寬凸緣件拉深成形方法，拉成所要求凸緣直徑的筒形件（內徑Φ23.5、凸緣直徑Φ80），然后，若將由內徑Φ23.5的筒形部分逐次拉成內徑Φ11.5的階梯，視為拉深成內徑為Φ11.5直筒件的中間過程，則可以近似用筒形件拉深計算方法計算階梯部分（內徑Φ11.5）的成形，但應保證首次拉深成形后的凸緣尺寸在后續(xù)拉深過程中保持不變。以下尺寸按料厚中心線計算。 4.5.1 由Φ87毛坯拉成內徑Φ23.5 （1）判斷能否一次拉成 帶凸緣筒形件第一次拉深的許可變形程度可用對應于d凸/d1和t/D×100不同比值的最大相對拉深高度h1/d1來表示。根據圖5.3，對葉輪零件，d凸/d1=80/25.5=3.14,t/D×100=2.29,由表4.5查得h1/d1=0.22～0.18. 內徑Φ23.5的圓筒件高度未確定。可以先確定拉深圓角半徑，然后求出由直徑Φ87的毛坯拉成內徑為Φ23.5的圓筒件高度，最后利用h1/d1判斷能否一次拉出。 取圓角半徑r=R=6mm。按公式可求出拉深高。 h=(D2-d)+0.43(r1+R1)+(r-R) =(872-802)+0.43(6+6)+ =16.6（mm） 因h/d=16.6/25.5=0.65＞0.22,所以一次拉不出來。 表4.5 有凸緣的筒形件首次拉深的極限相對高度h1/d1 凸緣的相對直徑 坯料的相對厚度（t/D）×100 2～1.5 1.5～1.0 1.0～0.6 0.6～0.3 0.3～0.10 1.5 0.70～0.58 0.63～0.50 0.53～0.45 0.48～0.40 0.42~0.35 1.8 0.58～0.48 0.53～0.42 0.44～0.37 0.39～0.34 0.35~0.29 2.0 0.51～0.42 0.46～0.36 0.38～0.32 0.34～0.29 0.30~0.25 2.2 0.45～0.35 0.40～0.31 0.33～0.27 0.29~0.25 0.26~0.22 2.5 0.35～0.28 0.32～0.25 0.27～0.22 0.23～0.20 0.21～0.17 2.8 0.27～0.22 0.24～0.19 0.21～0.17 0.18～0.15 0.16～0.13 3.0 0.22～0.18 0.20～0.16 0.17～0.14 0.15～0.12 0.13～0.10 在凸緣件的多次拉深中，為了保證以后拉深時凸緣不參加變形，首次拉深時，拉入凹模的材料應比零件最后拉深部分所需坯料面積加大3%～5%（有時可增大至10%），在以后各次拉深時，逐步減少這個額外多拉入凹模的面積，最后使他們轉移到零件口部附近的凸模上。用這樣來補償上述各種誤差，以免在以后各次拉深時凸緣受力變形。 （2）確定第一次拉深直徑 查表4.6得第一次拉深的極限拉深系數[m1]=0.46～0.50?？紤]到葉輪材料為08Al-ZF，塑性好，同時材料厚度較大，極限拉深系數可適當降低。取[m1]=0.41，實際拉深系數應該適當大于極限拉深系數，d1=m1D=0.42×87≈36.5mm因此可取第一次拉深直徑為36mm(按料厚中心計算)。 （3）計算第二次拉深直徑 查表4.6得第二次拉深的極限拉深系數[m2]=0.73～0.75。取[m2]=0.71,d=36×0.71=25.56mm。為了便于后續(xù)階梯拉深成形，第二次拉深直徑可取為25.5mm。 表4.6 圓筒形件用壓邊圈拉深時的拉深系數 拉深系數 毛坯相對厚度t/D×100 2.0～1.5 1.5～1.0 1.0～0.6 0.6～0.3 m 0.48～0.50 0.50～0.53 0.53～0.55 0.55～0.58 m 0.73～0.75 0.75～0.76 0.76～0.78 0.78～0.79 m 0.76～0.78 0.78～0.79 0.79～0.80 0.80～0.81 m 0.78～0.80 0.80～0.81 0.81～0.82 0.82～0.83 m 0.80～0.82 0.82～0.84 0.84～0.85 0.85～0.86 (4）按表4.7查一、二次拉深的圓角半徑 R凹1=9mm，R凹2=8mm，R凸可取與凹模圓角半徑相等或略小的值 R凸=（0.6～1）R凹 所以可以取R凸1=6mm，R凸2=4mm?？紤]到葉輪最終成形后圓角半徑較小，實際取R凹1= R凸1=6mm。 表4.7 拉深凹模的圓角半徑R凹 板料厚度 拉深直徑 ～1 ＞1～1.5 ＞1.5～2 ＞2～3 ＞3～4 ～10 2.5 3.5 4 4.5 5.5 ＞10～20 4 4.5 5.5 6.5 7.5 ＞20～30 4.5 5.5 6.5 8 9 ＞30～40 5.5 6.5 7.5 9 10.5 ＞40～50 6 7 8 10 11.5 （5）計算第一、二次拉深高度 根據公式，第一次拉深高度： h1=(D2-d)+0.43(r+R)+(r-R)(r-R) = =14.1（mm） 第二次拉深高度： h2=(D-d)+0.43(r2+R2)+(r2-R2)+(r-R) = =15.7（mm） （6） 校核第一次拉深相對高度零件 h1/d1=14.1/36=0.93，d凸/d1=80/36=2.2，t/D×100=2.29，[h1/d1]=0.35～0.45,考慮到材料塑性較好，故可以拉成。 4.5.2由內徑Φ23.5拉出內徑Φ11.5的階梯 階梯形件拉深與圓筒形件拉深基本相同，每一階梯相當于相應的圓筒形件拉深。 下面用筒形件拉深計算方法近似計算階梯部分（內徑Φ11.5）的成形。 由內徑Φ23.5拉出內徑Φ11.5的階梯，總拉深系數m=13.5/25.5=0.53。查表5.6，筒形件第三次拉深的極限拉深系數[m3]=0.76～0.78＞0.53，所以該階梯部分不能一次拉成，需多次拉深成形。 由表4.6，筒形件拉深的極限拉深系數[m4]=0.78～0.80，[m5]=0.80～0.82?？紤]到最后一次拉深時材料已多次變形，拉深系數應適當取大一些。于是階梯部分采用三次拉深，拉深系數分別為m3=0.76、m4=0.79、m5=0.87。各次拉深直徑分別為 第三次拉深 （第一次階梯拉深）： ≈19.5（內徑Φ17.5) 第四次拉深 （第二次階梯拉深）： ≈15.5(內徑Φ13.5) 第五次拉深 （第三次階梯拉深）： ≈13.5（內徑Φ11.5) 忽略材料壁厚的變化，按表面積不變的條件可以計算出各次拉深的高度： ｈ3=16.7 h４=19.4 h5=20.5 最后得到的拉深成形各工序尺寸如圖5.4所示。工序一、二由Φ87毛坯拉成內徑Φ23.5、凸緣直徑Φ80的圓筒件。第一道工序為落料、拉深，落料直徑D=87mm，然后拉深成凸緣直徑為80mm的筒形件，該凸緣直徑在后續(xù)成形過程中保持不變。落料、拉深由一套模具完成。工序二為寬凸緣形件的二次拉深。 a) 落料、拉深 b) 第二次拉深 c) 第三次拉深 d) 第四次拉深 e) 第五次拉深+變形 圖4.4 葉輪拉深工序圖 工序三、四、五為由內徑Φ23.5的筒形拉出內徑Φ11.5小臺階的階梯拉深過程。工序五在成形拉深結束后還帶有整形，主要目的是將凸緣整平，同時減少圓角半徑，以達到零件圖要求。 4.6 落料、拉深沖壓力 落料力的計算按下式 F落=1.3πDtτ =1.3×3.14×87×2×240 ≈170kN 一般可取τ=0.8σb（查表2.1σb=300Mpa） 拉深力計算由公式 F拉=πd1tσbK3（K3值查4.8表） =3.14×38×2×300×0.75 ≈53.7kN 式中： t ——板料厚度 D ——坯料直經 d1 ——拉深后工件直經 σb——拉深件材料的抗拉強度 K ——拉深系數 τ ——材料的抗剪程度 表4.8 寬凸緣筒形件第一次拉深時系數K3值 凸緣相對直徑d/d 第一次拉深系數m 0.35 0.38 0.40 0.42 0.45 0.50 0.55 0.60 3.0 1.0 0.9 0.83 0.75 0.68 0.56 0.45 0.37 2.8 1.1 1.0 0.9 0.83 0.75 0.62 0.50 0.42 2.5 - 1.1 1.0 0.9 0.82 0.70 0.56 0.46 2.2 - - 1.1 1.0 0.90 0.77 0.64 0.52 2.0 - - - 1.1 1.0 0.85 0.70 0.58 1.8 - - - - 1.1 0.95 0.80 0.65 1.5 - - - - - 1.1 0.90 0.75 以上兩項總和為： F=170+53.7=223.7KN 4.7 頂件力、推件力的計算 推件力和頂件力是有壓力機和模具卸料力裝置或頂件力裝置傳遞的。在選擇設備的公稱壓力時，應分別予以考慮。影響這些力的因素較多，主要有材料的力學性能、材料厚度、模具洞口的結構、搭邊大小、潤滑情況、制件的形狀和尺寸等。所以要準確的計算這些力是困難的，此模具根據生產中常用經驗公式計算如下： 推件力 =1×0.055×170 =9.35KN 頂件力 =0.06×170 =10.2KN 式中： ——落料力 、——推件力、頂件力，（其系數見下表4.9） ——同時卡在凹模內的沖件數（或廢料數） 表4.9 卸料力、推件力、頂件力系數表 料厚t／mm KX KT KD 鋼 ≤0.1 0.65～0.075 0.1 0.14 ＞0.1～0.5 0.045～0.055 0.063 0.08 ＞0.5～2.5 0.04～0.05 0.055 0.06 ＞2.5～6.5 0.03～0.04 0.040 0.05 ＞6.5 0.02～0.03 0.025 0.03 鋁 、鋁合金 0.025～0.08 0.03～0.07 純銅、黃銅 0.02～0.06 0.03～0.09 拉深力出現在落料力之后。因此最大沖壓力出現在沖裁階段。選用剛性卸料的落料、拉深復合模結構，可計算出最大沖壓力為 Fmax = F落+F頂+F推 =170+9.35+10.2 ≈190kN 所以可以選擇噸位為190kN以上的壓力機。選擇噸位為250kN的壓力機，即J23-25 5 模具的技術要求及材料選用 5.1模具的技術要求 利用模具生產制品零件，其模具質量的好壞，壽命的長短，直接關系到產品制造精度、性能和成本。是提高勞動生產率、降低消耗，盡快使產品占領市場的重要性條件。而模具的質量、使用壽命及制造精度很大程度上取決于設計時對模具材料的選用、熱處理工藝要求、模具零件配合精度及公差等級的選擇和表面質量要求。 5.2 模具材料的選用原則 （1）模具材料的選用，不僅關系到模具的使用壽命，而且也影響到模具的制造成本，在沖壓過程中，模具承受沖擊負荷且連續(xù)工作，使凸凹模受到強大壓力和劇烈摩擦，工作條件極其惡劣。 （2）根據模具種類及其工作條件，選用材料要滿足使用要求，應具有較高的強度、硬度、耐磨性、耐沖擊、耐疲勞性等。 （3）要根據制品批量大小，以最低的成本的選材原則選用: 對于需沖壓數量較多模具，一般采用優(yōu)質合金鋼，而數量少的則采用碳素鋼，以降低成本。 （4）要根據沖模零件的作用選擇： 凸、凹模具應選用優(yōu)質的鋼材制作，對于數量不多或厚度不大的可采用有色金屬或黑色金屬。而對于卸料零件應選用一般鋼材。 綜上所述，此模具采用合金工具鋼為模具材料。該合金鋼具有較好的耐磨性，較好的淬火不變形性，較好的紅硬性，較小的脫碳敏感性，較深的淬硬深度，但它的切削加工性較差，耐沖擊性也較差?；灸軡M足此模具的沖裁。此模具的彎曲部分也采用這種材料。查表5.1得凸凹模的熱處理硬度為60～62HRC，落料凹模的熱處理硬度為62～64HRC。 表5.1 模具工作零件的常用材料及熱處理要求 模 具 類 型 零件名稱及使用條件 材料牌號 熱處理硬化/ 凸模 凹模 沖 裁 模 1 沖裁厚度t≤3,形狀簡單的凸模、凹模和凸凹模 ，， 58～62 60～64 2 沖裁厚度t≤3,形狀復雜或沖裁厚t＞3的凸模、凹模和凸凹模 ，，,,， 58～62 62～64 3 要求高度耐磨的凸模、凹模和凸凹模，或生產量大、要求特長壽命的凸、凹模 ,， 60～62 61～63 56～58 58～60 ,， — 4 材料加熱沖裁時用凸、凹模 ,,， 48～52 51～53 拉 深 件 1 一般拉深用的凸模和凹模 ，，， 58～62 60～64 2 要求耐磨的凹模和凸凹模，或沖壓生產批量大、要求特長壽命的凸、凹模材料 ,， 60～62 62～64 , — 3 材料加熱拉深用的凸模和凹模 , 52～56 6 模具設計 模具設計包括模具結構形式的選擇與設計、模具結構參數的計算、模具圖繪制等內容。 6.1 落料、拉深復合模 6.1.1模具結構 模具結構如圖3-3所示。落料拉深復合模：該結構落料采用正裝式，拉深采用倒裝式。模座下的緩沖器兼作壓邊與頂件裝置。推件一般采用打桿的剛性推件裝置。該結構上模部分簡單，其缺點是拉深件留在剛性卸料板內，不易出件，帶來操作上的不便，并影響生產率。適用于拉深深度較大、材料較厚的情況?？紤]到葉輪零件相對厚度較厚，因此采用這種模具結構。條料送進時，沖首件時以目測定位，待沖第二個工件時，則用擋料銷定位。模具工作時，用模具下面的彈性裝置提供壓邊力，模具結構簡單。壓邊力是通過頂桿傳到壓邊圈上進行壓邊的。拉深行程最后，推件塊和凸?？繑n對工件施壓，使工件底部平整。工件制出后，上模上行，打桿和推件塊起作用，把工件從凸凹模中推出。 圖6.1所示的為落料、拉深復合模結構 1-內六角螺釘 2-頂桿 3-內六角螺釘 4-下模座 5-擋料銷 6-內六角螺釘 7-支架 8-壓邊圈 9-凹模 10-上模座 11-導套 12-凸模固定 13-圓柱銷 14-凸凹角 15-內六角螺釘 16-模柄 17-螺母 18-打桿 19-推件塊 20-凸模 21-內六角螺釘 22-圓柱銷 23-導柱 6.1.2 模具工件部分尺寸及公差計算 落料、拉深復合模的落料凸模和凹模為圓形，所以可以采用單獨加工。落料毛坯直徑可取未注公差尺寸的極限偏差，故取落料件的尺寸及公差為： 按公式 式中x=0.5，查文獻[10]得表6-1 表6.1 規(guī)則形狀沖裁凸模、凹模的極限偏差 基本尺寸 凸模偏差 凹模偏 ≤18 -0.020 +0.020 ＞18～30 +0.025 ＞30～80 +0.030 ＞80～120 -0.025 +0.035 ＞120～180 -0.030 +0.040 ＞180～260 +0.045 可知， 查文獻[10]可知公式 式中，查表6-1，同時有， ，由表6-1可知 凹模輪廓尺寸的確定： 凹模輪廓尺寸包括凹模板的平面尺寸B×L及厚度尺寸H. 據公式 L=l+2c B=b+2c 其中c=（35-45） 故 凹模結構如圖： 圖6.2 落料凹模 模架的選擇：（160×160） 上模座：160×160×45 下模座：160×160×55 導柱：28×200 導套：28×110×43 模柄：ф40х60 模具閉合高度為： 查所選設備J23-25的參數，最大閉合高度為250mm，最小閉合高度為180mm。 封閉高度應該滿足 所以該封閉高度是適合的。 拉深模設計： 首次拉深件按未注公差尺寸的極限偏差考慮，并標注內形尺寸。故拉深件的尺寸公差為 由公式： 式中 c取為； 取為； 取為。 6.2修邊沖孔模 模具結構如圖3-3所示。修邊由件修邊凹模完成，而沖孔由沖孔凸模和沖孔凹模完成。沖裁完成后，工件卡在沖孔凹模內，由模柄內的打桿、推件板、推桿以及推件塊共同退出工件。 6.2.1模具結構 圖6.3 修邊沖孔模 1-下模座 2-沖孔凹模 3-修邊凹模 4-凸模固定板 5-墊板 6-上模座 7-圓柱銷 8-模柄 9-六角螺母 10-打桿 11-打件板 12-內六角螺釘 13-推桿 14-導套 15-沖孔凸模 16-推件塊 17-導柱 18-修邊凸模 19-圓柱銷 20-內六角螺釘 如果將工件顛倒放置，沖孔凸模從筒形件外進入，由沖孔凹模的壁厚將很薄，強度不夠，因此沖孔凸模只能從筒形內部進入。但這樣凸模長度增加，因此應注意凸模剛性。 6.2.2 模具工件部分尺寸及公差計算 該步工序的毛坯為上一工序的零件， 間隙 x=0.5 制造公差 沖孔凸模 沖孔凹模： 凹模輪廓尺寸的確定： 凹模輪廓尺寸包括凹模板的平面尺寸B×L及厚度尺寸H. 據公式 L=l+2c B=b+2c 其中c=（4.27-5.70） 故 式中 C=(1.5-2)= （4.27-5.70） 沖裁力： 修邊凹模輪廓尺寸的確定： 據公式 L=l+2c B=b+2c 其中c=（38-48） 故 修邊凹模如圖 圖6.4 修邊凹模 模架的選擇：（160×160） 上模座：160×160×45 下模座：160×160×55 導柱：28×200 導套：28×110×43 沖裁力： 故 壓力機選用 J23-40 模柄：ф50х70 模具閉合高度為 =45+8+20+55+18+40+55=241 mm。 查所選設備的參數，最大閉合高度