电饭煲传感器外壳冲压工艺与模具设计-学士毕业论文

南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 1 引言引言 1.11.1 背景背景 目前，我国经济仍处于高速发展阶段，国际上经济全球化发展趋势日趋明显，这 为我国模具工业高速发展提供了良好的条件和机遇。一方面，国内模具市场将继续高 速发展， 另一方面，模具制造也逐渐向我国转移以及跨国集团到我国进行模具采购的 趋向也十分明显。因此，放眼未来，国际、国内的模具市场总体发展趋势前景看好， 预计中国模具将在良好的市场环境下得到高速发展，我国不但会成为模具大国，而且 一定逐步向模具制造强国的行列迈进。“十一五”期间，中国模具工业水平不仅在质和 量的方面有很大提高，而且在行业结构、产品水平、开发创新能力、企业的体制与机 制以及技术进步的方面也会取得较大发展。随着我国工业的迅速发展，工业产品的外 形在满足性能要求的同时，变的越来越复杂，而产品的制造离不开模具，利用计算机 辅助软件进行模具设计不但提高模具的制造精度而且还缩短了设计及加工的时间。 冷冲压成形是一种历史悠久的金属加工工艺，随着工业水平的不断进步，冷冲压 技术和设备日益完善，在汽车、机械制造、电子电器等行业中，冲压加工得到了广泛 的应用。大到汽车的覆盖件，小到钟表以及仪器仪表元件，大多是由冷冲压方法制成 的。学习、研究和发展冷冲压技术，对发展我国国民经济和加速现代化工业建设具有 重要意义。 传统的冲压工艺及模具设计只能在众多简化和假设的基础上进行初步的设 计计算，然后依靠大量的经验，反复试模、修模来保证冲压件的成形品质。从而拖延 新产品的开发，造成研发成本过高，在市场竞争中处于被动的地位。70 年代起，有 限元法开始应用于板料成形过程的模拟，各种成熟的 CAE 仿真软件应用于模具工业 中，有效地用来解决模具制造中的难题如拉裂、起皱、回弹的预测。伴随冲压成形的 计算机仿真技术日渐成熟， 并在冲压工艺与模具设计中发挥出越来越大的作用，成熟 的仿真技术可以减少试模次数， 在一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格从而避 免修模。这就可以大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞 争力。 1.21.2 冷冲模成形特点冷冲模成形特点 冷冲模是在温室下把金属或非金属板料放在模具内，通过压力机和模具对板 料施加压力，使板料发生分离或变形制成所需零件的模具。各类冷冲压模成形特 点如下： 1.2.11.2.1 冲裁模冲裁模 冲裁模的成形特点是：将一部分材料与另一部分材料分离。如图 1.1 所示的 冲裁模成形过程，冲裁模分为落料模和冲孔模。落料模的成形特点是将材料封闭 的轮廓分开，而最终得到的是一个平整的零件；冲孔模是将零件的材料与封闭的 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 轮廓分离，使零件得到孔。 图 1-1 冲裁模成形过程 1.2.21.2.2 弯曲模弯曲模 弯曲模的成形特点是：将板料或冲裁后的坯料通过压力在模具内弯曲成一定 的角度和形状。如图 1.2 所示弯曲模成形过程，是将平直的板料压成带有一定角 度的弯曲形状。 图 1-2 弯曲模成形过程 1.2.31.2.3 拉深模拉深模 拉深模的成形特点是： 将经过冲裁得到的平板坯料， 压制成开口的空心零件。 如图 1.3 所示拉深模成形过程，是将平板的坯料拉深成筒形零件。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 图 1-3 拉深模成形过程 1.2.41.2.4 多工位级进模多工位级进模 多工位级进模的成形特点是：可以完成多道冲压工序，局部分离与连续成形 结合；配备有自动送料、自动出件、安全检测等装置；模具结构复杂，镶块较多， 模具制造精度要求很高，制造和装调难度大。 1.31.3 冷冲模具的发展趋势冷冲模具的发展趋势 随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越意 识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。近年来许多模具企业因此加 大了用于技术进步的投资力度， 一些国内模具企业已普及了二维 CAD， 并开始使 用 UG、Pro/Engineer、 I-DEAS 等国际通用软件，个别厂家还引进了 DYNAFORM 等 CAE 软件，并成功应用于冲压模的设计中。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 目前， 以汽车覆盖件模具为代表的大型冲压模具的制造技术已取得很大进步， 东风汽车公司模具厂、一汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。 许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发，在模具 CAD/CAE/CAM 技术方面取得了显著进步。例如，吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽 车覆盖件冲压成型分析 KMAS 软件，华中理工大学模具技术国家重点实验室开 发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模 CAD/CAE/CAM 软件，上海交通大学模 具 CAD 国家工程研究中心开发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模 CAD 软件等。 而模具技术的发展应该为适应模具产品“交货期短”、 “精度高”、 “质 量好”、“价格低”的要求服务。 1.1.3 3. .1 1 有限元分析商业软件简介有限元分析商业软件简介 有限元法作为一个具有牢固理论基础和广泛应用价值的数值分析工具，在工 程应用中起着越来越重要的作用。 一些发达国家投入了大量的人力， 物力和财力， 开发了一系列的商业化软件， 如早期出现的 SAP，ANSYS，MARC，NASTRAN，ADFNA 等和近年来开发的专用于薄板金属冲压成形过程模拟的 SHEET， LS-DYNA， LS-NIKE3D， AUTOFORM，OPTRIS， PAM-STAMP， ROBUST 不 Il ITAS-3D 等软件。 许多文献及NUMISHEET99国际会议标准考题(Benchmark)的研究者采用上述程序 对薄板金属成形过程进行了模拟。 MARC 分析公司(MARC Analysis Corporation)于 1971 年推出 MARC 的第一个 版本后，成为世界上第一家非线性有限元公司。MARC 软件中采用了 TL、 U.L 表 述、欧拉描述和更新欧拉表述。瞬态问题可用包括牛顿法、拟牛顿法、直线搜索、 弧长搜索、隐式动力学和显式动力学在内的不同时间积分求解器求解。MARC 软 件中包含丰富的材料库， 可对金属塑性加 1 过程进行数值模拟。MARC 软件考虑了 汽车部件加工分析中的以下问题:模具和工件的接触和摩擦、厚度的变化、回弹、 拉伸破坏、 残余应力等。 该软件已成功应用于汽车前挡泥板冲压成形过程的模拟。 PAM-STAMP 足一个采用显式时间积分有限元技术的用于薄板金属冲压成形过 程仿真的专业软件包，由法国 ESI (Engineering System Internal)开发研制。 该软件着重考虑了拉延筋的作用，建立了一个与拉延筋作用等价的分析模型。软 件中包括了多种材料模型，分别考虑了非应变率敏感和应变率敏感的不同情况， 还考虑了曲面压料面的压边圈在压边过程中与毛坏初接触及毛坯弯曲等顶成形 过程，并且采川了简便的有限元网格生成技术.此外还采用了加速的接触判断算 法，提高了处理接触问题的效率。德国慕尼黑技术大学的 M.Kohnhiiuser 和北京 航空航天大学的张晓京等人利用 PAM-STAMP 模拟了 NUMISHEET99 会议给出的奥 迪轿车前门内板多步冲压成形的标准考题。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 在 PAM-STAMP 的基础上，1990 年又出现了一个新的薄板金属成形分析软件 OPTRIS.OPTRIS 采用显式时间积分，可允许网格细化，计算精度高，除继承了 PAM-STAMP 的特点外，OPTRIS 最大的特点是允许有限单元个数超过 100000 个。 OPTRIS 采用等效拉延筋模型可以模拟多工步薄板成形问题。 LS-DYNA3D 是美国 LawrenceL ivemore 国家实验室的 J.O.Hallquist 教授主 持开发的几何大变形、非线性材料和接触摩擦滑动边界二重非线性动力分析程 序。LS-DYNA3D 是由 DYNA3D 发展而来的，DYNA3D 出现于 1976 年，早期主要应用 于重型固体的低速碰撞问题，从 DYNA3D 的 1987 年版本开始已经可以进行薄板成 形模拟了，在这个版本中包含了单元厚度变化、Belytschko-Tsay 板壳单元，近 年来 LS-DYNA3D 己成功而广泛地应用于薄板成形的分析中，它具有弹塑性本构材 料模型和各向异性材料模型，可考虑薄板的各向异性性质。所用的库仑摩擦算法 和丰富的接触算法可用来处理任意复杂的三维接触问题。为了分析薄板成形问 题，LS-DYNA3D 包含了多种函数和特性来满足数值分析的需要，如网格自适应、 多种 CAD 模型接口、 大规模并行机(MPP)算法等。LS-DYNA3D 最大特点是版本更新 速度快，它将计算机技术和有限元方法的最新进展迅速地应用于程序中，目前最 新的版本是 950. LS-DYNA3D 是一个开放式的软件系统，它具有五个用户开发接 口，为用户进行二次开发提供了极为便利的条件。当今许多软件，如 DYTRAN， PAM-STAMP， OPTRRIS 都是在 LS-DYNA3D 的早期版本 DYNA3D 的基础上发展起来的。 LS-DYNA3D940 版本具有 12 种单元、90 种材料模型(其中包括 5 种用户可开发材 料接口)、10 种状态方程、28 种接触-碰撞算法，在美国的兵器、宇肮、汽车、 和工业部门得到了广泛的应用。 LS-NIKE3D也是美国 Lawrence Livermore国家实验室开发的大型非线性有限 元程序。它利用隐式算法来解决需要进行面与面接触算法的静态、准静态载荷条 件的结构分析问题。它具有平面和轴对称元素，用线接触来解决二维或薄板成形 截面分析。这一点对于弯曲过程、法兰边成形过程以及冲压成形过程中工件局部 区域的计算十分有效。现在，LS-NIKE3D 己被应用于冲压成形过程的回弹问题。 由于隐式算法的限制，LS-NIKE3D 版本更新的速度比 LS-DYNA3D 要慢得多。 1.1.3 3. .2 2 DYNAFORMDYNAFORM 软件简介软件简介 本文的仿真工作是通过 eta/DYNAFORM 软件完成的。 LS-DYNA 软件是用来计算 模拟的软件，而 eta/DYNAFORM 软件则是用来建立零件有限元模烈，设置各种材 料参数和边界条件，生成 LS-DYNA3D 的计算文件，并读入 LS-DYNA3D 的计算结果 文件 d3plot 来察看计算结果的一个软件包。 eta/DYNAFORM 软件是由美国工程技术联合公司(ETA)研制的基于 LS-DYNA 的 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 薄板金属冲压仿真计算软件包，目前的最新版本是 5.2 版。这个专业计算机辅助 工程(CAE)软件把 LS-DYNA，及 LS-NIKE3D 963 版的强大分析能力，与 eta/FEMB 的流程化前处理和后处理功能结合起来了。这些分析程序和交互功能被合成来在 薄板金属冲压工业中服务于模具设计和研制。此软件也最大利用了传统的 CAE 技 术来减少建立原型所需的昂贵费用和漫长的产品研制周期时间。 eta/DYNAFORM 分析引擎的主要部件是 LS-DYNA3D 和 LS-NIKE3D，这两个软件 都是由加利福尼亚州利弗莫尔市的利弗莫尔软件技术公司(LSTC)研制的，这两个 程序也都是通用的非线性动态有限元分析程序，LS-DYNA 和 LS-NIKE3D 分别利用 显示和隐式计算方法来解决流体和固体结构问题。这些程序己被成功地研制应用 于汽车防撞性、乘员安全性、水下爆破、薄板金属冲压等方面。 薄板金属冲压研究周期的瓶颈是模具设计先导时间。eta/DYNAFORM 软件模 拟了这个建模过程，从而缩短建模试验时间、降低制造高品质嵌镶板和模具部件 所需的费用。尤其是 eta/DYNAFORM 简单有效地研究了建模过程中的四个重要设 计关系:压边、拉伸、回弹和多步模具。这些模拟使得工程师可在设计周期的早 期进行产品设计的可行性研究。 用户也可利用定义好的模具曲面数据来预测覆盖件在成形过程中的冲压性 能:开裂、起皱和变薄，还可预测滑痕和回弹效果。 1 1. .4 4 复合模复合模 1 1. .4 4. .1 1 概述概述 在实际生产中常常将几个单工序冲压过程集中与一套模具来完成，这种在一 副模具上、在冲床的一次行程中，在同一工位上完成两种或两种以上冲压工序的 模具称为复合模。 复合模的特点有： 生产效率成倍提高。例如原来由两副模具分别完成的落料，冲孔工序，若使 用落料、冲孔复合模时，则可以由一副模具在一次冲压行程中完成，生产效率提 高了一倍。若原来由四副单工序模完成的落了、冲孔、拉深、切边的冲压工序， 在采用了四合一复合模后，生产效率可提高四倍。而且还节省了人力、电力和工 序间的搬运工作。 提高冲压件的质量。在复合模具中几道冲压工序是在同一工位上完成的，无 需重新定位，因此在完成几道冲压工序过程中冲压件的定位基准不动，从而使冲 压工件的位置精度得到提高。例如当冲压件的外缘与内孔的同心度要求较高时， 采用复合模就较容易满足要求。另外，对于那些尺寸较小的冲压工件或形状比较 南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 复杂而重新定位又比较困难的冲压工件，采用复合模就可以避免重新定位的困难 及在重新定位时产生的误差。复合模的同心度误差在0.020.04mm以内。 对模具制造精度要求比较高。由于复合模要在一副模具中完成几道冲压工 序，因此模具结构一般要比单工序模具复杂，而且个零部件在动作时要求相互不 干涉、准确可靠。这就要求模具的制造应有比较高的精度。因此模具的制造成本 也就提高了，制造周期相对延长，维修也不如单工序模简单。 1 1. .4 4. .2 2 复合模的种类复合模的种类 按复合工序的性质分类，复合模可分为以下几种： 冲裁类复合模。 如落料、冲孔复合模，切断、冲孔复合模等。 成形类复合模。如弯曲复合模，挤压复合模等。 冲裁与成形复合模。如落料、拉深复合模，冲孔、翻边复合模，拉深切边复 合模，落料、拉深、冲孔、翻边复合模等。 1 1. .4 4. .3 3 选择复合模的原则选择复合模的原则 确定是否采用复合模要考虑以下几个方面： 生产批量。 复合模可以成倍地提高生产效率，生产批量越大，提高生产效 率就越显得重要。因此，在大批量生产时更适合使用复合模。在单间小批量生产 中应采用单工序模，这样由于模具结喉简单，几个单工序模可能比一套复合模的 成本还低。 冲压工件的精度。 当冲压工件的尺寸精度或同轴度、对称度等位置精度要 求比较高时，应考虑采用复合模具，对于形状比较复杂，重新定位可能产生比较 大加工误差的冲压工件，也可采用复合模。 复合工序的数量。 一般复合模的复合工序数量在四工序以下，更多的工序 将导致模具结构过于复杂，同时模具的强度、刚度、可靠性、也将随之下降，制 造及维修更加困难。 在分析冲压工件的特点，确定是否采用复合模时，可参照以上原则及表 1-1、 表 1-2 综合进行考虑。 表 1-1冲压生产批量与合理模具形式 批量 项目 单件小批中批大批大量 大件300 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 中件1000 小件5000 模具形式简单模单工序模单工序模级进模， 复合模， 单工序 模 级进模， 复合模级进模， 复合模 设备形式通用压机通用压机高速压机， 自动和半 自动通用压机 机械化高速 压机， 自动机 专用压机与自 动机 表 1-2单工序模、级进模和复合模的比较 比较项目单工序级进模复合模 工件尺寸精度比较低一般，IT11 级以下比较高，IT9 以下 工件形位公差工件不平整，同轴度、对 称度及位置度误差大 不 太 平 整 ， 有 时 要 校 平 ， 同 轴 度 、 对 称 度 及 位 置 度 误 差 比 较 大 工件平整，同轴度、对称度 及位置度误差小 冲压生产率低，冲床一次行程内只能 完成一个工序 高，冲床一次行程 内能完成多个工序 比较高，冲床一次行程 内可完成两个以上工序 实现错做机械 化、自动化的可 能性 比较容易，尤其适合多工位 冲床上实现自动化 容易，尤其适合与单机上 实现自动化 难， 工件与废料排除比较 复杂， 只能在单机上实现 部分机械化操作 对材料的要求对条料宽度要求不严， 可用边角料 对条料或带料宽度要求严格对条料要求不严，可用边 角料 生产安全性安全性比较差比较安全安全性比较差 模具制造的难 易程度 比较易，结构简单， 制造周期段，价格低 形状简单件，比用复合模制 造难度低 形状复杂件，比用级 进模的制造难度低 应用通用性好，适于中、小批量 生产和大型件的大量生产 通用性差，适与形状简 单，尺寸不大，精度要求 不高的大批量生产 通用性差，适与形状复 杂、尺寸不大、精度要 求比较高的大批量生产 1 1. .4 4. .4 4 复合模的设计要点复合模的设计要点 复合模的设计从本质上讲，与单工序模没有什么区别，但根据实际经验，在设计 复合模时需要注意以下几个方面的问题 南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 曲柄压力机的许用压力曲线与复合模压力曲线的关系。 对于单工序加工来 说，冲压力曲线不能超过曲柄压力机许用压力曲线每否则设备将因超载而损坏。 对复合模冲压加工也应满足这一要求。但对于复合模冲压时所用压力机的行程中 有各个大比例的工作行程，这样就容易造成超载。尤其是对落料、拉深复合模， 落料在先，拉深在后，落料力一般比较大，拉深力比较小，而设备压力曲线的变 化趋势则相反，所用极易产生超载，因此在选择设备时要特别注意。 复合模中凹凸模的设计。在复合模中最具有特点的模具零件就是凹凸模。由 于凹凸模的壁厚从强度上要求不能过薄，否则模具寿命太短。因此凹凸模的壁厚 在设计时必须进行校核，使之大于最小壁厚值。而最小壁厚值现在一般是根据经 验数据而定。并且，当凹凸模装与上模时（该结构称为正装复合模），内孔不积 存废料，凹凸模受到的胀力小，此时最小壁厚可小些。当凹凸模装与下模时（该 结构称为倒装复合模），凹凸模孔口中积存有废料，孔口受胀力大，此时最小壁 厚要大些。其值见表 1-3。 表 1-3凹凸模最小壁厚(mm) 料厚0405060708091012151 75 最小壁厚14161820232527323640 最小直径151821 复合模中的卸料、推件装置。 在复合模中由于有较多的动作要在冲床的一 次形成中完成，为简化模具结构，通常将一些辅助动作，如卸料及推件动作，采 用弹性装置来完成。同时弹性装置也可使冲压工件在整个冲压加工过程中始终受 到压力，而使冲压工件的平整度更好。 复合模选用的模架。 由于复合模的精度比较高，因此复合模的模架也应选 用精度比较高的模架。滚珠式模架相对于滑动式模架具有导向精度高，寿命长的 优点，因此长选用滚珠式模架。模架中的模座也常选用钢板模座，一代替普通的 铸铁模座， 因为钢质模座强度更高， 加工工艺性好。 对要求精度比较高的符合模， 可采用球面浮动模柄，以减小冲压设备或模具安装时的误差对模具的不利影响。 应当注意的是，当采用浮动式模柄时，导柱不能离开导套，否则可能产生严重的 机床和人身事故。 复合模工作部分零件的材料选用。 复合模的工作部分零件应选用加工性比 较好的材质。耐磨性好、淬透性高、热处理变形小的材料，是复合模工作部分零 南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 件的理想材料。 1.1.5 5 冲压加工的经济性冲压加工的经济性 所谓经济性，就是以最小的耗费取得最大的经济效果。也就是生产中的“最 小最大”原则。在冲压生产中，保证产品质量，完成产品数量、品种计划的前提 下，产品成本越低，说明企业经济效果越大。 1.5.1.5.1 1 冲压件的制造成本冲压件的制造成本 冲压件的制造成本为：C 总=C 材+C 工+C 模 式中 C 总制造成本； C 材材料费，包括原材料、外购件费； C 工加工费，包括工人工资、设备折旧费、车间经费； C 模模具费。 产品成本受产量的影响较大，特别是冲压生产尤为突出。产品成本分为固定 费用和变动费用两部分。固定费用是指在一定时期和一定产量范围内，它的总额 不随产量的变动而变化，它是维持生产能力而基本不变的费用。变动费用是指它 的总额随产量的增减而成比例的增减。 1.5.21.5.2 降低成本的措施降低成本的措施 降低产品成本，包括增产、节约两方面。增产可减低产品成本中的固定费用，相 对地减少消耗，节约便能，直接降低消耗，它们都是降低成本的重要途径。冲压件的 成本包括材料费用、加工费、模具费等。因此，降低成本就是要降低以上各项费用。 降低成本的措施有： 1）试制和小批量冲压生产中，降低成本中的固定费能取得较好的经济效果， 其中降低模具费上降低成本的有措施。 2）冲压生产中，工艺合理化是降低成本的有力手段，一般在制定新产品工 艺时进行。由于工艺的合理化能降低模具费、节约加工工时、降低材料 费等，所以必然降低零件总成本。 3）产量较大时，采用多件同时冲压，可使模具费、材料费、和加工费降低， 同时有利于成形表面拉力均匀化。 4）自动化生产，从安全和降低成本两个方面来看，将成为冲压加工的发展 方向。 5）提高材料利用率是降低冲压件制造成本的重要措施之一。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 11 2 冲压件工艺性分析冲压件工艺性分析 2.12.1 制件的工艺分析制件的工艺分析 本制件为圆柱形零件， 工程图如图 2.1 所示，由圆角及直边和底面型孔三部分组 成。从技术要求和使用条件来看， 零件具的精度要求不是很高。 在拉深加工成形时， 其圆角部分相当于圆筒型件得拉深，而直边部分相当于简单 得弯曲变形。但是这两者之间是相互关联而不是相互分开的。因此，在拉深这类零件 时，它们之间是相互影响的，这给拉深工艺带来复杂性。 根据冲压件的成形特点，该外壳零件的冲压生产要用到的冲压加工基本工序有： 落料，拉深（可能多次），冲孔，切边等。 0.6 图2-1 零件图 2.22.2 拉拉深次数深次数 圆形零件的拉深次数主要与它的相对高度 H/d 和相对厚度 t/D 有关。 其相对高度 计算值小于或等于许用数值时，可一次拉深成形，否则须采用多次拉深成形，其拉深 次数可根据 对于本制件，其相对高度 H/d23/40=0.575 南昌航空大学科技学院学士学位论文 12 相对厚度： (t/D)100(0.6/82.1)1000.731 相对直径: /dd 凸 =1.2 由以上数据查表 421 【1】可得该制件的拉深次数 n1，本制件属于浅圆柱形零 件。 对于一次拉深即能成形的圆柱形件，其凸模工作部分的形状尺寸应该取未等 于圆柱形件的形状和尺寸。而凹模工作部分的尺寸和形状，基本上与圆筒形件选 择原则相似，即 R凹（410）t 式中R凹凹模圆角半径（mm） t板料厚度（mm） 本设计中 R凹8.810t，满足工艺性要求。R凹=4(mm) 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 13 3 3 模具设计模具设计 3.13.1 毛坯尺寸的确定毛坯尺寸的确定 计算带凸缘筒形拉深件的工序尺寸有两个原则： 1）对于窄凸缘拉身件，可在前几次拉深中不留凸缘，先拉成圆桶件，而 在以后的拉深中形成锥形的凸缘（由于爱锥形的压边圈下拉进的结 果） ，最后将起校成平面。 2）对于宽凸缘拉深件，则应在第一次拉深时，就拉成零件所需要的凸缘 直径，而在以后各次拉深中，凸缘直径保持不变。 本工件毛坯材料选择是不锈钢，形状是形状简单的带凸缘的圆桶形拉深件， 查表 4-7 1公式得零件尺寸 2 422 43.44dddhrd =77.1(mm) 在拉深过程中，常因材料机械性能的方向性，模具间隙不均匀，板厚变化，摩 擦阻力不等及定位不准等影响，而使拉深件口部或凸缘周边不齐，必须进行修 边，故在计算毛坯尺寸时应按加上修边余量后的零件尺寸进行展开计算。因为 此零件是带凸缘圆桶形拉深件， /dd 凸 =1.2所以查表4-5 1得修边余量 =2.5 所以毛坯尺寸为 2Dd dt =82.1(mm) 3.23.2 工艺方案的选择工艺方案的选择 3.2.13.2.1 模具的结构形式模具的结构形式 冷冲模的结构形式多种多样，如果按工序的组合分类，可分为单工序模、级 进模、复合模等。各种冲模的构成大体相同，主要由工作零件、定位零件、卸料 与推料零件、导向零件、联接与固定零件等组成。 由于本制件结构简单，精度要求不高，经分析由落料、拉深、冲孔三道工序 组成。 如果使用单工序模则会使制造周期增长， 不利于提高生产率； 经分析可知： 材料：该冲裁件的材料 A3 钢是普通碳素钢，具有较好的可冲压性能。 零件结构：该冲裁件结构简单，比较适合冲裁。 零件精度：该零件精度要求不高 IT13 即可以了。 结论：适合冲裁。 该零件包括落料、冲孔和拉深三个基本工序，可以才用以下几种工艺方案： 1）先落料，然后拉深再冲孔，最后切边。采用单工序模生产。 2）落料拉深复合冲压模具，再冲孔，最后切边。采用复合模与单工序模相 结合生产。 3）落料冲孔复合冲压模具，再拉深，最后切边。采用复合模与单工序模相 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 14 结合生产。 4）先落料，然后冲孔，再拉深最后切变，采用单工序模生产。 分析和比较上述四种工艺方案可以看出：方案 1）模具结构简单，但需要三 道工序，三套模具才能完成连件的加工，生产效率较低难以满足零件批量生产的 需求；方案 3）模具虽然结构合理，采用了复合模具，但先冲孔在拉深就没办法 保证底面型孔的精度要求，有可能会在拉深时造成孔的变形。方案 4）和方案 1） 一样也是模具结构简单，但需要的工序太多生产效率太低。由于零件结构简单， 为提高生产效率，该制件也不适合级进模。故采用在压力机一次行程内，完成落 料、拉深两道工序的复合模。 因此，本制件在技术和经济上都较为合理的工艺方案为复合模冲压。由于零 件底面有 4 个孔，要保证孔的加工精度和公差要求，最后选定用方案（2）进行 生产。 3.2.23.2.2 冲裁力冲裁力 理论冲裁力（N）可按下式计算： F0=Lt 式中L冲裁件周长（mm） ； t材料厚度； 材料抗剪强度（Mpa） 。 选择设备吨位时，考虑刃口磨损和材料厚度及力学性能波动等因素，实际冲 裁力可能增大，所以应取 F=1.3F0=1.3LtLtb 式中F最大可能冲裁力（称冲裁力） ； b材料抗拉强度（Mpa） 。 本制件中，FLtb=3.14 82.1 0.6 44068057.616(N) 3.2.33.2.3 卸料力、推件力和顶件力卸料力、推件力和顶件力 1)卸料力： F卸K卸F 式中F卸卸料力（N） ； K卸卸料系数； F冲裁力（N） 。 查表 2-20 16 得 K卸0.45 所以 F卸=0.4568057.616=30625.927 (N) 2）顶件力： F顶K顶F 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 15 式中F顶顶件力（N） ； K顶顶件系数（N） ； F冲裁力（N） 。 查表 2-20 16 得 K顶0.050 所以 F顶=0.05068057.616=3402.881（N） 3）推件力： F推K推F 式中F推推件力（N） ； K推推件系数（N） ； F冲裁力（N） 。 查表 2-21 16得 K 推0.06 所以 F推0.0668057.6164083.457（N） 3.33.3 排样排样 排样是指工件在条料、带料后板料上布置的方法。工件的合理布置（即材料 的经济利用）与零件的形状有密切关系。本零件排样方式采用单排即可。查表 2-18 1，确实搭边值： 两工件间的搭边：a=1(mm) 工件边缘的搭边： 1 a=1.2(mm) 步距为：83.1(mm) 条料宽度是：B=凹2Da =84.1(mm) 确定后排样图如图所示。 图 3-1排样图 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 16 3.43.4 压边力与拉深力压边力与拉深力 为防止在拉深过冲中，工件的边壁后凸缘起皱，应使毛坯（或半成品）被拉 入凸模周角以前，保持稳定状态，起稳定程度主要取决与毛坯的相对厚度 ( /) 100t D 或以后个次拉深半成品的相对厚度 1 ( /) 100 n t d 。所以查表 4-80 1需 采用压边圈。 3.4.13.4.1 压边力压边力 压边力公式： FY=Ap 式中FY压边力（N） ； A压边圈面积（mm 2） ； p单位压边力（Mp） 。 查表得 p2.5p/Mp；A3406.437 mm 2 所以 FY=3406.4372.7=8516.092(N) 3.4.23.4.2 拉深力拉深力 在确定拉深件所需压力机吨位时，必须先求得拉深力。由拉深力公式得： FL 13b dtk 3.14 41 0.6 1 440 33987.36(N) 3.53.5 模具压力中心和闭合高度的确定模具压力中心和闭合高度的确定 由于本件是对称件，所以模具压力中心在制件的几何中心。如图 4.1 所示。 3.63.6 压力机的选择压力机的选择 压力机的吨位应当等于或大于 冲压时的总力。 F压F总 式中F压所选压力机的吨位； F总冲压时的总力。 图 3-2 压力中心 F总33987.3668057.616 104044.976（N） 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 17 由于本模具中有打料杆，故选择带有打料杆的压力机。根据以上数据，查 冷冲模具设计手册选定压力机为： 压力机型号:J11-16 公称压力/KN:160 滑块行程/mm70 滑块行程次数/ -1 min：120 最大闭合高度/mm：225 闭合高度调节量/mm：45 滑块中心线到床身距离/mm:160 垫板尺寸/mm50 3.73.7 模具主要零部件的设计模具主要零部件的设计 凸凹模刃口尺寸计算原则: (1)落料时，落料件的外径尺寸等于凹模的内径尺寸;冲孔时，冲孔件的内径 等于凸模的外径尺寸。所以落料时应以凹模为设计尺寸，然后按间隙值确定凸模 尺寸;冲孔模应以凸模为设计基准，然后按间隙值确定尺寸。 (2)凸、凹模应考虑磨损规律。凸模刃口尺寸磨损使冲孔尺寸减小，凹模刃 口尺寸磨损使落料尺寸增大，故设计落料模时，制造模具时凹模刃口尺寸应趋向 于工件的最小极限尺寸;设计冲孔模时，其刃口基本尺寸应趋向于工件的最大极 限尺寸。 (3)凸、凹模之间应保证合理的间隙值.由于间隙在模具磨损后增大，所以在 设计凸、凹模时均取最小合理间隙 Zmin。一般冲模精度较工件精度高 23 级。 若零件没有标准公差，则对于非园件按 GB 非配合尺寸的 IT14 级处理，圆形件一 般按 IT10 级处理。 3.7.13.7.1 落料凹模的结构设计落料凹模的结构设计 1)落料间隙的确定 普通落料其经济精度为 IT12IT14，取 IT14。确定冲裁间隙主要有理论法 和经验公式法。经验公式: C=mt 式中C合理冲裁间隙(mm); m系数，与板厚及材料有关; t板料厚度. 查表得: m=25% 所以： C=mt=25%0.6=0.15(mm) 冲孔凹模应以凸模为设计基准，然后按间隙值确定其尺寸. 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 18 2)落料凸模刃口尺寸计算 模具刃口尺寸及其公差的计算与加工方法有关，基本上可以分为两类： 一种是分开加工，一种是配合加工。 本模具零件采用配合加工的方法。 配合加工就是用凸模与凹模相互单配的方 法来保证合理间隙。 加工后， 凸模与凹模必须对号入座， 不能互换。 一般情况下， 落料件以凹模为基准，冲孔件以凸模为基准。作为基准的模具零件图纸上标注尺 寸及公差，在相配合的非基准的模具零件图纸上标注相同的基本尺寸，但不标注 公差， 在技术要求中要说明非基准的模具零件要按作为基准的模具零件的实际尺 寸配做，保证间隙在 ZminZmax范围内。 落料凹模刃口尺寸计算公式： D凹=（D-x）0 凹 查表 2-34 1得凸凹模的制造偏差 0.115（mm） 查表 2-29 1 得凸凹模的极限偏差凹=0.008 查表 2-30 1得：x=0.5 B凸=（82.1-0.50.39） 0.008 0 =81.92 0.008 0 凸模刃口尺寸按凹模实际尺寸配做，保证双面间隙值在 0.360.48 之间。 3)承压应力校核 冲裁时，凸模承受的压应力p，必须小于凸模材料强度允许的压应力p: p= F A p 对于圆形凸模，由上式可得 d4 t p 即dmin 4 t p 式中p 凸模承受的压应力（Mp） ； F 冲裁力； A 凸模最小截面积； p 凸模材料的许用压应力（Mp） ； d 凸模最小直径（mm） ； 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 19 t 毛坯厚度（mm） ； 毛坯材料的抗剪强度（Mp） 。 对于本凸模带入数值得： dmin 4 t p 3.2mm d82.13.2 本制件满足应力校核的条件。 3 3.7.2.7.2 冲冲孔凸模的结构设计孔凸模的结构设计 如图 4.2 所示冲底面中心孔凸模的结构（材料为 T10A）： 图 3-2 冲孔凸模 1)冲裁间隙的确定 普通冲裁件，其经济精度为 IT12IT14，取 IT13.冲孔比落料高一个等级。 确定冲裁间隙主要有理论法和经验公式法。查表 2-24 1 得 min z=0.36(mm) max z=0.48(mm) 冲孔凹模应以凸模为设计基准，然后按间隙值确定其尺寸. 2)冲孔凸模刃口尺寸计算 此零件底面有两种孔要冲出来，一个是底面中心处的中心圆孔，另外就是排 在中心孔周围的三个非规则的孔。对于底面的中心圆孔，本模具零件采用配合加 工的方法。冲孔凸模刃口尺寸计算公式： d凸=（d+x）- 0 凸 查表 46 16得凸凹模的制造偏差 0.021; 查表 2-29 得圆形凹凸模具的极限偏差凸=0.005; 查表 416 16得： x=0.5 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 20 d凸=（22-0.50.13） 0 -0.005 =21.35 0 -0.003 凹模刃口尺寸按凸模实际尺寸配做，保证双面间隙值在 0.360.48 之间。 对于那三个非规则的型孔，本模具也采用配合加工的方法。凹凸模的尺寸计 算，冲孔见按凸模磨损都尺寸变小（A 类尺寸） ，变大（B 类尺寸） ，不变（C 类 尺寸）的规律分为三种，计算公式查表 2-32 得冲孔凸模刃口尺寸计算公式： A=（A+X） 凸 B=（B-X） 凸 A1=（9+0.50.13） 0.008 =9.065 0.008 A2=（4.7+0.50.13） 0.008 =5.036 0.008 B=(7.5-0.50.13) 0.008 =7.435 0.008 3)承压应力校核 冲裁时，凸模承受的压应力p，必须小于凸模材料强度允许的压应力p: p= F A p 对于圆形凸模，由上式可得 d4 t p 即dmin 4 t p 式中p 凸模承受的压应力（Mp） ； F 冲裁力； A 凸模最小截面积； p 凸模材料的许用压应力（Mp） ； d 凸模最小直径（mm） ； t 毛坯厚度（mm） ； 毛坯材料的抗剪强度（Mp） 。 对于本凸模带入数值得： dmin 4 t p 3.2mm d223.2 本制件满足应力校核的条件。 3.7.33.7.3 凸凹凸凹模的结构设计模的结构设计 凹凸模厚度:从强度考虑，壁厚受最小值限制。凸凹模的最小壁厚受模具结 构的影响。 由于本模具结构采用倒装式， 内孔会积存废料， 所以最小壁厚要大些。 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 21 倒装式复合模的凸凹模最小壁厚:对于黑金属和硬材料约为壁厚的 1.5 倍，但不 小于 0.7mm。 查表 2-39 得 c=32(mm);h=22(mm) 由以上数据可知:本凸凹模符合要求。 由以上数据可知:本凸凹模符合要求。 图 3-3 凸凹模 3.83.8 模模具标准件的选择具标准件的选择 3.8.13.8.1 模架的模架的选择选择 根据合模具闭合高度 H=262mm。选定模架为中间导柱模架，查模具标准手册 得: 上模架如图 4.4 所示。 下模架如图 4.5 所示。 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 22 图 3-4 上模架 图 3-5 下模架 3.8.23.8.2 挡挡料销料销 挡料销用于限定条料送进距离、挡住条料的搭边或工件轮廓，起定位作用。 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 23 挡料销有固定挡料销和活动挡料销两类。 固定挡料销分圆形与钩形两种，一般装在凹模上。圆形挡料销结构简单，制 造容易， 但销孔离凹模刃口较近， 会削弱凹模的强度。 钩形挡料销远离凹模刃口， 不会削弱凹模强度。为防止形状不对称的钩头转动，需要加定向销，因此增加了 制造的工作量。综合以上两种挡料销选用固定挡料销。 查表 10-60，选用如下图所示的 A 型固定挡料销 图 3-6 挡料销 3.8.33.8.3 卸料装置卸料装置 卸料装置的型式较多，它包括固定卸料板、活动卸料板、弹压卸料板和废料 切刀等几种。卸料板除把材料从凸模上卸下外，有时也起压料或为凸模导向的作 用。因此，在大批量生产用的模具上，要用淬硬得的卸料板。固定卸料板适用于 冲制材料厚度大于和等于 0.8mm 的带料或条料。 弹压卸料板主要用于冲制薄件和 要求平整的冲件。此卸料板常用于复合冲裁模。其弹力来源于弹簧或橡皮。 本模具采用橡皮作为弹性装置，选用橡皮有以下几种原则 （1）为保证橡皮不至过早失去弹性而损坏，起允许最大压缩量不应超过起 自由高度 45%，一般取=（0.350.45）h 自由，橡皮的预压缩量一般取起自由高 低的 1015%。 (2)橡皮所产生的压力F=AP 式中 F-压力， A-橡皮横截面积， P-与橡皮压缩量有关的单位压力。 (3)对橡皮高度与知觉之比按下式进行核算:0.5/1.5h D 式中 D-橡皮直径。 如果/1.5h D 用适当将橡皮分成若干块，在其垫以钢垫圈。 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 24 3.8.43.8.4 推件装置推件装置 推件装置有刚性和弹性两种。 弹性推件器一般装于模座下面， 与下模板相连。 这种装置除有推出工件的作用外，还能压平工件，还可以用于卸料和缓冲。刚性 推件器一般置于上模，推件力大且可靠，其推件力通过打杆推板推杆推块 传至工件。 推杆常选用 34 个且分布均匀、长短一致。推杆装载上模板的孔内，为保 证凸模支承刚度和强度，放推杆的孔不能全挖空，推板的形状要按被拆下的工件 形状来设计。 3.8.53.8.5 导向零件导向零件设计与标准设计与标准 导向零件可保证模具冲压时，上、下模有一精确的位置关系。在中、小型模 具中广泛采用的导向零件是导柱和导套。 导柱（导套）常用两个。对中型冲模或冲制精度要求高的自动化冲模，则采 用四个导柱。在安装圆形冲件等一类无方向性的冲模时，为避免装错，将对角模 架和中间模架上的两个导柱，做成直径不等的型式；四导柱的模架，可做成前后 导柱的间距不同的模座。对可能产生侧向推力时，要设置止推块，使导柱不受弯 曲力。 一般导柱安装在下模座， 导套安装在上模座， 分别采用过盈配合。 高速冲裁、 精密冲裁或硬质合金冲裁模具，要求采用滚珠导向结构。 查表 10-39，本模具选用 A 型导柱 3.8.63.8.6 模模柄的选用柄的选用 中、小型冲模通过模柄将上模板固定在压力机的滑块上。常用的模柄形 式如下。 (1） 压入式模柄它与上模座孔采用 H7/s6 的过渡配合， 并加销钉防转。 如图 4.6 所示。 (2）旋入式模柄通过螺纹与模座联接，用螺钉防松，装卸方便，多用 于有导模的冲模。 (3）凸缘模柄用 34 个螺钉固定在上模座的窝孔内，多用于较大型 的模具上。 (4） 浮动模柄通过凹球面模柄与凸球面垫块联接， 装入压力机滑块后， 允许模柄与模柄轴心线之间的偏离，可减少滑块误差对模具导向精度的影 响。 查表 10-49，本模具采用比较常见的 B 型凸缘式模柄。 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 25 20 67 49 415 图 3-7 模柄 3.8.73.8.7 凸凸模固定板与垫板模固定板与垫板 凸模固定板将凸模固定在模座上，其平面轮廓尺寸除应保证凸模安装孔 外， 还要考虑螺钉与销钉孔的位置。其型式有圆形和矩形两种。厚度一般取凹模厚度 的 0.60.8 倍。 垫板的作用是直接承受和扩散凸模传递的压力，以降低模座所受的单位 压力，保证模座以免被凸模端面压陷。 3.8.83.8.8 压缩压缩橡皮的选用橡皮的选用 橡胶能承受的负荷比弹簧大，且安装调整方便，价格不贵，是模具中广 泛使用的弹性元件。橡胶所能产生的压力： F=AP 式中F橡胶所能产生的压力(N)； A橡胶的横截面积(mm 2)； P与橡胶压缩量有关的单位压力(MPa)，可由下表查出，这里 选取压缩量为 20%时的 p=0.7MPa。 南昌航空大学科技学院毕业设计论文 26 表 3-1橡胶压缩量与单位压力值 压缩量(%)101520253035 单位压力/MPa0.260.50.741.061.522.10 为了保证橡胶的正常使用，不至于过早损坏，应控制其最大的压缩量 S 总为自由高度 H自由的 35%45%。而橡胶的预压缩量 S预，一般取 H自由的 10% 15%。则橡胶的工作行程为： S工作=S总- S预=(0.250.3) H自由 所以橡胶的自由高度为： 式中S工作卸料板或推件块、压边圈等的工作行程与模具修磨量或 调整量(46mm)之和再加 1。 橡胶的高度 H 与直径 D 之比必须下式的范围内。 如果超过 1.5，应将橡胶分成若干段，在其间加钢垫圈，并使每段橡胶 的 H/D 值仍在上述范围内。 橡胶所能产生的工作压力， 由于缺乏橡胶的性能资料， 很少作详细计算。 所以橡胶断面面积的确定，一般是凭经验估计，并根据模具空间的大小进行 合理布置。同时，在橡胶装上模具后，周围要留有足够的空隙位置，以允许