罩圈落料、拉深、冲孔、翻边、复合模模具设计

大连交通大学 2017 届本科生毕业论文摘 要 冲压模具成型技术是属于少切削或无切削的加工方法，冲压成型的生产效率比较高，冲压件的质量好，其产品的一致性好、应用范围广泛等特点已经得到了越来越多的企业的认可。冲压工艺广泛应用于汽车、电器、仪器仪表、航天航空以及各种民用轻工业的行业，是如今工业上生产的重要工艺方法和研究方向。 本套模具设计的是我们日常生活中较为常见的罩圈，涉及的工艺方法都是冲压模具中应用比较广泛的工序，其包括落料、拉深、冲孔、翻边等工序。我所设计的模具是采用复合模在一次成型过程中完成落料、拉深、冲孔、翻边这四个过程，在设计的过程中我首选分析了冲压件的工艺性能，再选择工艺方案，接下来进行一系列的有关工艺参数计算，再选择合适的冲压设备，再对模具的总体结构进行设计，最后完成整套模具设计。 通过这一次的毕业设计，让我对所学的冲压模具课程有了进一步的了解，也掌握了很多的冲压模具设计上的技术，比如查阅资料设计和计算、采用辅助软件 三维建模和 图，很好的完成了一次理论结合实际的综合知识应用，对我以后的工作有了很大的提升。 关键字 ： 冲压模、模具设计、复合模、罩圈。 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文is a or no of is of of he is in a of is an of is in a of I is of in a to in to of by a of of of me a a of as to of E AD a of a of of my 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文目 录 第一章 引言 .冲 压术 的状况 . 压 模具技 术发 展 .二章 冲 压 件的工 艺 分析 . 压 件的 结 构工 艺 性 . 件的形状 . 冲 压 件的尺寸精度 .三章 制件冲 压 方案的确定 . 压 工序的 组 合 . 压 工序的安排 .四章 制件排 样图 的 设计 及材料利用率的 计 算 .开尺寸的 计 算 .件排 样图 的 设计 . 搭 边 与料 宽 . 送料步距和条料 宽 度的确定 .料利用率的 计 算 .五章 确定 总 冲 压 力和 选 用 压 力机及 计 算 压 力中心 .料，冲孔力 计 算 . 落料力 计 算 . 冲孔力 计 算 .深力 计 算 .孔力的 计 算 .料力、推件力及 顶 件力的 计 算 . 力中心的 计 算 . 力机的 选 用 .六章 凸、凹模刃口尺寸 计 算 .连交通大学 2017 料、冲孔凸、凹模刃口尺寸 . 设计 原 则 . 凸模和凹模具配合加工 .深模 .孔模尺寸 计 算方法 .七章 模具整体 结 构形式 设计 .模周界 .八章 模具的零件 结 构 设计 .料凹模的 设计 .孔凸模的 设计 .深凸模的 设计 .翻孔凸凹模的 设计 .凹模的 设计 . 料快的 设计 . 束 语 . 谢 .考文献 .连交通大学 2017 届本科生毕业论文1第一章 引言 况 总所周知，美国、德国和日本的汽车工业是世界上最发达的汽车工业，得益于其在冷冲压技术和设备方面的领先地位。其冷冲压设备基本上都是自动化的。 根据不同类型的加工环境和条件的逐步发展，现在国外已经基本形成了如下两种自动冲压生产线。 1）单机联线自动化 配置又 5， 6 台压力机，设备拆装、上下卸料机械手，穿梭的翻转装备和码垛装置等，全生产线总长约 60 米，安全性高，冲压产品质量好。由于工件传动距离较长，工件的上下料的换向和双动拉伸必须使用工件翻转装备。所以导致这种单机联线自动化冲压技术在生产节拍上最高为 6 /分，导致设备的维修工件量大。 2）大型多工位压力机 在八十年代中期，国外在冲压技术上开发了大型三坐标的多工位压力机自动连续冲压模，由大型压力机、三坐标工件传送系统、码垛工位和码垛机组成，其生产节拍可以达 16 /分。其主要特点是：冲压生产效率高，送料速度是手工流水线的 4约是单机联线自动化的 2；并且是自动化、智能化，整个多工位压力机系统只靠 2就可完成操控，当模具需要更换时，仅仅需要输入要换模具的对应编号，其余工作可以全自动完成，而且整个换模时间只需 5 分钟不到，换模的同时可对多工位压力机操作特征智能化的调整；特别是装配有电子三坐标的送料多工位的压力机，可以根据模具任意的调节其运动路径和时间，不仅冲压大型的覆盖件，而且还能够冲压小型零件。当冲压小型零件时，其送料距较短，节拍会比较高，再合理的模具布置，可以一次就冲压 2零件，具有充分的自由度，灵活性强。电子多工位送料压力机的另外一个优点是生产率高，工件加工精度高，工件转换快，维修保养性好，诊断性能好，成本较低，与现有的压力机相比适应性强，售后服务和远程通讯也比较好。美国的多工位压力机基本上都采用了电子伺服三坐标进给送料。 高速化复合化相结合，可以显著提高加工效率 ，提高生产率是工业届永恒追求目标，各各锻压厂家均致力于高速化的锻压机械研究，例如在数控回转头压力机上，大多采用伺服控制下的液压主驱动系统来提高压力机的行程次数。在追求高速化的加工时，还必须尽快缩短生产辅助时间，便于取得良好的经济效益。故在数控压力机上配备伺服电机驱动和三坐标的上下料装置，可以使冲压中心实现高效快速的加工。 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文2当前机床大幅的缩短生产辅助时间和提高生产率的重要技术手段是将机床上的几个工序复合再一起，复合加工在锻压机械上也取得了成功地应用，其效果十分显著。例如：在德国、美国、日本已经相继开发出了激光一步冲压复合机，可以将模具冲切和激光切割有机的结合在一起，工件只需要一次上料就可以完成冲孔、冲切、翻边、浅拉深、切割等多道冲压工序，最大限度上地节省了加工辅助时间，特别在对孔型较多而复杂的面板类工件进行加工或者多品种小批量板料加工时能有显著效果。 压模具技术发展 压成形过程的模拟 (用更加凸显、模具三维设计地位得以巩固、数字化模具技术已成主流方向、模具加工自动化迅猛发展、高强度钢板冲压技术是未来发展方向、新型模具产品适时推出、模具材料与表面处理技术将受到重用、管理的科学化与信息化是模具企业发展方向、模具的精细化制造是必然趋势。 近年来，随着计算机软件和硬件的快速发展，冲压成形过程的模拟技术 (挥着越来越重要的作用。在美国、日本、德国等发达国家， 术已成为 模具设计制造 过程的必要环节，广泛用于预测成形缺陷，优化冲压工艺与模具结构，提高了模具设计的可靠性，减少了试模时间。 国内许多汽车模具企业在 应用中也取得了显着进步，获得了良好的效果。术的应用可大大节省试模的成本，缩短 冲压模具 的开发周期，已成为保证模具质量的重要手段。 术正逐步使模具设计由经验设计转变为科学设计。 模具三维设计地位得以巩固 模具的三维设计是数字化模具技术的重要内容，是实现模具设计、制造和检验一体化的基础。日本丰田、美国通用等公司已实现了模具的三维设计，并取得了良好的应用效果。国外在模具三维设计中采取的一些做法值得我们借鉴。模具三维设计除了有利于实现集成化制造外，另一个优点就是便于干涉检查，可进行运动干涉分析，解决了二维设计中的一个难题。 数字化模具技术已成主流方向 近年来得到迅速发展的数字化模具技术，是解决汽车模具开发中所面临的许多问题的有效途径。所谓数字化模具技术，就是计算机技术或计算机辅助技术 (模具设计制造过程中的应用。 总结国内外汽车模具企业应用计算机辅助技术的成功经验，数字化汽车模具技术主要包括以下方面： 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文3可制造性设计 (即在设计时考虑和分析可制造性，保证工艺的成功。 模具型面设计的辅助技术，发展智能化的型面设计技术。 助分析和仿真冲压成形的工艺过程，预测和解决可能出现的缺陷和成形问题。 用三维的模具结构设计取代传统的二维设计。 模具的制造过程采用 术。 在数字化技术指导下处理解决试模过程中和冲压生产中出现的问题。 模具加工自动化迅猛发展 先进的加工技术与装备是提高生产率和保证产品质量的重要基础。在先进的汽车模具企业中，配有双工作台的数控机床、自动换刀装置 (自动加工的光电 控制系统 、工件在线测量系统等已不鲜见。数控加工已由单纯的型面加工发展到型面和结构面的全面加工，由中低速加工发展到高速加工，加工自动化技术发展十分迅速。 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文4第二章 冲压件的工艺分析 冲压成型根据其工艺分类，可分为分离过程和成型过程两种。分离工序也称为冲压，冲压是使冲压部件沿着一定轮廓线从板料上分离下来，同时确保分离部件的质量要求。成形工序的目的则是让板料在不被破坏的条件下发生塑性变形，以制成所需工件形状和尺寸。在实际生产过程中，往往将多种工序集成应用于一个工件上。冲裁、弯曲、拉深、翻边、胀形、旋压、是几种主要的冲压工艺。 【 3】 冲压所用板料的表面和其内在性能对冲压成品的质量有很大的影响，要求冲压板料的厚度精确、均匀；表面光滑，无斑点、无疤痕、无磨损、无表面裂纹等；屈服强度均匀，各方向性不明显；均匀延伸率高；低加工硬化等。 在实际的生产过程中，常用的冲压工艺类似于工艺试验，比如拉深性能试验与胀形性能试验等检验材料的冲压性能，确保成品质量和高合格率。 冲压件的成形和精度很大程度取决于模具的精度和结构。而模具制造成本和使用寿命则是冲压件成本和质量的决定因素。模具设计制造一般需要较多的时间，从而延长了生产新型冲压件的准备时间。 如今再模座、模架、导向件等工件的标准化下和发展简易的模具、复合模、多工位级进模，以及快速换模装置的研制，可大大减少在冲压生产准备时工作量并缩短准备时间 【 5】 。 冲压设备除了厚板与液压冲压成型外，一般采用机械压力机。以现代高速的多工位机械压力机为中心，配置有开卷、矫平、成品收集、输送等机械模具库和快速换模装置，并通过计算机程序控制，可形成生产率高的自动冲压生产线。 在每分钟生产数十或者数百件冲压件的情况下，并在短时间内要完成进料、冲压、出件、排废料等冲压工序，往往会发生人身、设备和质量安全事故。因此，在冲压的生产过程中安全保障是一个非常重要的问题。 冲压件的工艺性能的好坏是指冲压件在冲压工序中的加工难易程度。所说的冲压工艺性好一般是指再用普通的冲压方法的情况下、模具寿命和生产率较高、成本较低的条件下也能得到质量合格的冲压件。因此，冲压件本身的结构形状、尺寸大小、精度等级、材料和厚度等是否都符合冲压的加工要求，对最后冲压件质量、模具使用寿命和总的生产效率有很大的影响。 压件的结构工艺性 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文5此制件的形状为圆形，其中工序有落料、拉深，冲孔，翻边等，且结构对称，具有过渡圆角，易于模具的加工和避免在冲压时可能产生尖角处开裂的现象，也防止了尖角部位得刃口的过快磨损。 压件的尺寸精度 冲压件的精度主要由尺寸精度、冲压断面粗糙度和毛刺高度三个方面的综合指标来衡量。根据零件图纸上的尺寸标注和公差，可以判断该罩圈的尺寸精度为 经济级普通冲压。 板是普通碳素钢，其屈服极限是 240拉强度380切强度 310有良好的冲压性，工件结构形状比较简单，外形均无尖锐角，不影响模具寿命，孔与边缘间距大于 且工件的直径 dt 故满足冲孔模可以冲压的最小孔径。 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文6第三章 制件冲压方案的确定 压工序的组合 单工序冲压、复合工序冲压和连续冲压是常见的冲压工艺。 冲压方式根据下列因素确定： （ 1） 根据生产量来确定 一般年产量需求达到 100 万件的产品采用复合冲压或连续冲压较合适。 （ 2） 根据冲压件尺寸大小和精度等级来确定 复合冲压得到的冲压件一般尺寸精度等级高，而连续冲压的冲压件尺寸精度等级相对较低。 （ 3） 根据冲压件尺寸形状适应性来确定 若产品的尺寸较大，考虑到连续模在送料时不方便和生产效率较低，因此常常采用复合冲压。复合冲压可以冲压加工复杂的形状、宽度比较大的冲压件等。 （ 4） 根据模具制造使用的难易程度和成本高低来确定 , 对于形状较为复杂的冲压件来说，使用复合冲压比采用连续冲压更为适宜，因为复合模具的制造和安装调整较容易，且模具成本较低。 （ 5） 根据操作是否方便与使用安全来确定 复合冲压时其出件和清除废料较为困难，导致工作安全性较差，因此连续冲压较安全。 根据上述分析，在满足冲压件的质量和生产率的要求下，应该采用复合冲压的方式，因为复合模具的寿命较长，生产效率高，操作较为方便和工作安全性高。 压工序的安排 采用的复合模包括落料，拉深，冲孔，翻边等多道工序，考虑到模具加工成本，多次重新定位和尺寸不稳定等因素，这里考虑采用多次工序复合的方法来加工，根据实际情况，本套模具设计将落料，拉深，冲孔，翻边等复合，设计一套包含四工序的复合模具。本次模具结构的设计较为复杂，难度大，故借助于电脑软件设计较好。 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文7第四章 制件排样图的设计及材料利用率的计算 开尺寸的计算 拉深件毛坯料的展开尺寸，通常按毛坯面积等于冲压件面积的原则决定。 拉深件的毛坯尺寸难以预先地精确计算，这是因为拉深件的壁部在拉深过程中会变形，其变形程度与毛坯是否退火、压边力的大小和凸凹模的间隙等因素有关。因此难确保拉深件完全均匀一致的高度，故通常需要采用修边处理，将不平齐的部分切去。所以在计算毛坯尺寸之前，要在拉深件上增加切边余量。 展开尺寸的计算是将按加工工序反过来算，本工件根据工艺工程，最后一道工序是冲孔，翻边，也就是说翻边之前的工序是拉深，可以设计出冲孔翻边之前的加工工序图，根据工件的相对凸缘直径 H/d=16/99=以在切边之前的拉深高度应为 17下图 4 图 4圈工件 由于拉深件是带台阶的零件，其形状规则，材料均匀，查找相关资料可知，根据经验公式来计算该拉深件的展开尺寸，也可以采用数学计算法计算拉深件的展开尺寸。 数学计算法 【 7】 的概念是将零件分解成几个简单几何形状，然后叠加它们，可以求出零件的表面积，然后根据面积相等原理原，计算出毛坯直径。 根据以上零件形状，可以将整个产品零件分为 5 个形状，具体计算如下： 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文8第一部分： 图 4状 1 面积计算公式 R=535=第二部分： 图 4状 2 面积计算公式 （ 2 R） /4 =20+84=连交通大学 2017 届本科生毕业论文9第三部分： 图 4状 3 面积计算公式 （ R =46460)=四部分： 图 4状 4 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文10面积计算公式 （ 2 R） /4 =22+84=五部分： 图 4状 5 面积计算公式 =97=以五部分总面积为 =2+4+展开毛坯的面积为 么反过来计算毛坯直径 D/4 D=本次设计取整数 120，展开图纸如下图 4示： 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文11图 4料 拉深次数的确定： 判断能否一次拉深： H/d=9=t/D)100=m=99/120=据以上数据查相关资料可得首次最小拉深系数 5，由于 际的拉伸系数） ，故可以一次拉深成型，另外根据数据查相关资料，可知首次拉深的最大相对高度为 H1/于 相对高度下的比较值） ，也能说明该零件能一次拉深成型。 翻孔预孔尺寸的计算 【 6】 可根据公式 d=式中 d预孔直径（ ； D翻孔直径（ ； 61 H翻孔高度（ ； 8 t材料厚度 ( 1.0 r翻孔圆角 ( 计算 d=61 ） =整至 件排样图的设计 排样时需考虑如下原则： 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文121） 提高材料利用率（不影响冲件使用性能前提下，还可适当改变冲件的形状） 2） 合理的排样方法简化操作，降低劳动强度并且安全。 3） 模具结构设计更为简单、使用寿命长。 4） 保证冲压件的质量过关和冲压件对板料各方向性的要求。 边与料宽 搭边是值在排样中相邻的两个零件之间的余料或者是零件与条料边缘之间的余料。搭边的作用是用来补偿定位误差，保持条料具有一定的刚度，以保证零件的加工质量和便于进料。 搭边值的选择要合理，值若太大，会导致材料利用率低；而值过小，则会导致搭边的强度与刚度不能达到要求，从而在冲压时容易产生翘曲或被拉断的现象，固然会增大冲压件毛刺，有时候甚至会单边拉入模具间隙，会造成冲压力分配不均，损坏模具刃口。因此，搭边的最小宽度应该大于塑性变形区的宽度，搭边值一般可取等于材料的厚度。 材料的力学性能、零件的形状与尺寸、排样的形式、进料及卸料方式等因素往往也会影响搭边值的大小。搭边值的选择一般由经验确定，如该罩圈材料，根据所给材料厚度 =可以根据经验选择搭边值 a 为 料步距和条料宽度的确定 1）送料步距 条料在模具上每次送进的距离成为送料步距。每次只冲一个零件的步距 S 的计算公式为 S=D+ S=120+中 D与进料方向水平的的冲压宽度； 冲压之间的搭边值。 2）条料宽度 条料宽度的选取原则：最小条料宽度要保证零件在冲压时周边具有足够大的搭边值，最大条料宽度要能够在进行冲压工序时顺利地在导料板之间送入，并应该与导料板之间留有一定的间隙。 当用孔定距时，可按下式计算 条料宽度 a) =(120+21) 中 B条料的宽度（ ； 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文13冲压件于进料方向垂直的最大尺寸（ ； a侧搭边值； 条料宽度的单向公差； 剪切条料的宽度偏差 = 可知 B= 导料板间距离： +22+22.5 具体可见排样图 4 4样图 料利用率的计算 一个步距内的材料利用率 为 =s 100% =1 060/12200%=式中 F一个步距内的冲压件面积； n一个步距内的冲压件数目； B条料宽度（ ； s步距； 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文14第五章 确定总冲压力和选用压力机及计算压力中心 料，冲孔力计算 料力计算 F=【 1】 2080=中 F冲压力（ N） ； L冲压件周边长度（ ； 材料抗剪强度（ ； 是 310 材料厚度 ( 系数，通常 K= 孔力计算 冲孔力计算 F2= 80=深力计算 理论计算拉深力很复杂，一般来说用经验计算方法，经验公式建立的立足点是，拉深力的数值应略小于拉深件危险断面的断裂力；断裂与拉深力的比值可以用系数 K 值的大小取决于拉深件的形状和其变形方式。其数值由实验确定。 拉伸力可按下式计算 P= F=0070=中 F拉伸力（ N） ； 拉伸直径（ ； 100 材料抗拉强度（ ； 400t材料厚度 ( 1修正系数（查表可得） ， K= 大连交通大学 2017 孔力的计算 翻孔力一般不大，可按以下公式近似计算 P=其中 P翻孔力（ N） ； D翻孔后的孔径（ ； 61mm d翻孔预孔的孔径（ ； 49.8 t材料厚度（ ； 1 材料屈服极限； (计算 P= 470=料力、推件力及顶件力的计算 生产中常用下列公式计算 F 卸 =K 卸 F = = 式中 F冲压力； F 卸 卸料系数 F 顶 =K 顶 F = = 式中 F冲压力； F 顶 顶料系数 F 推 =K 推 F = = 式中 F冲压力； F 推 推料系数 综上所述，总的冲压力为 , F 总 =F+F 卸 +F 顶 +F 推 =46力中心的计算 采用解析法求压力中心， 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文16该副模具中，尺寸都是沿 X 轴 Y 轴对称，所以力到 X 轴和到 Y 轴的力臂都是 0 根据合力距定理 【 2】 ： 23（ 2+ 23（ 2+ 所以冲压力到 X 轴的力臂大小； ，到 Y 轴的力臂大小； ,故模具的压力中心为（ 0， 0） 。 力机的选用 初步确定压力机的型号： F 公称 F 总 因此选择压力机的型号为： 式双柱固定台压力机 压力机型号为 基本参数如下表 5 表 5力机的基本参数 公称压力 /000 孔直径 200 滑块行程 /20 垫板尺寸 /度 100 直径 60 滑块行程次数 /（次/ 75 模柄孔尺寸 /度 80 最大封闭高度 /00 封闭高度调节量 85 滑块底面积尺寸 /块中心线至床身距离/80 床身最大可倾角 前后 600 工作台尺寸 /右 1000 大连交通大学 2017 届本科生毕业论文17第六章 凸、凹模刃口尺寸计算 料、冲孔凸、凹模刃口尺寸 计原则 设计落料，修边模应首先确定其凹模刃口尺寸，再以凹模作为基准，间隙取在凸模之上；设计冲孔模则先确定凸模刃口尺寸，然后以凸模为基准，其间隙取在凹模上。 间隙是影响模具寿命的最主要因素。在冲压过程中，凸模与进行冲孔的孔之间，凹模和落料件之间的均存在磨檫，又因为间隙越小，产生磨檫越严重。考虑在实际的生产中受到其他因素如制造误差或者装配精度的影响，凸模垂直于凹模平面几乎不可能，而且其间隙的分布也不是绝对，故采用合理的间隙可以使凸模、凹模的侧面与材料间的磨檫大大减小，并缓减由于间隙不均产生的不利影响，这样就很大层度上提高了模具的使用寿命。 冲压间隙对冲压力的影响： 虽然冲压力随着冲压间隙的增大相应的有所减小，但是当单边间隙大小值介于材料厚度的 5%20%范围时，冲压力的减小会显的并不明显（仅降低约 5%10%左右） 。因此，在正常情况下，冲压间隙对冲压力的值的影响不是很明显。 冲压间隙对卸料力、顶件力的影响： 间隙对卸料力、顶件力的影响较为显著。随着间隙增大，从凸模上卸料、从凸模孔口中推出零件都将比较省力。一般当零件的单边间隙值增大到材料厚度的约 15%25%左右时卸料力几乎减到零。 冲压间隙对尺寸精度的影响： 在冲压过程中，冲压间隙对冲压件的尺寸精度的影响规律在对于冲孔和切边是不同的，并且与零件的材料有关。但总的趋向是尺寸精度会随着材料厚度增加而减少。 通过上述分析可以看出，冲压间隙对截面质量、模具使用寿命、冲压力、卸料力、顶件力以及冲压件尺寸精度的影响规律是不同的。因此，绝对合理的间隙数值是不存在的，不能能同时满足截面质量最佳，尺寸精度最高，冲压模具使用寿命最长，冲压力、卸料力