毕业设计（论文）-小凸缘筒形件冲压工艺与模具设计.doc

毕业设计小凸缘筒形件冲压工艺与模具设计杨皓艺112011429机械工程系学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 佘银柱专 业： 指导教师： 二零一五年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 小凸缘筒形件冲压工艺与模具设计 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 1120111429 学生： 杨皓艺 指导教师（含职称）： 佘银柱（副教授） 1课题意义及目标 通过毕业设计，锻炼学生综合运用所学的基础与专业知识分析、解决工程实际问题的能力，初步掌握冲压模具设计的方法、流程，熟练掌握使用各种工具书籍，使学生初步达到工程师所具备的基本素质。2主要内容(1) 对给定工件进行工艺分析，确定出科学合理的工艺方案； (2) 进行冲压工艺计算； (3) 参考模具图册，查阅相关资料，设计出合理可行的模具结构； (4) 模具主要工作零部件的设计计算： (5) 编写设计说明书3主要参考资料1 马正元，等. 冲压工艺与模具设计 M. 机械工业出版社，1998.5 2 马朝兴. 冲压设计手册 M. 化学工业出版社电子工业出版社，2007.2 3 肖祥芷，王孝培. 冲压设计大典 M. 电子工业出版社，2007.3 4 吴宗泽，罗圣国. 机械设计课程设计手册 M. 高等教育出版社，2006.64进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅文献，完成开题报告2014.12.012014.12.312完成工艺计算、确定工艺方案2015.01.012015.03.203确定模具结构方案，中期检查2015.03.212015.04.304模具总体设计、结构设计2015.05.012015.05.155完善设计内容、完成设计说明书及答辩工作2015.05.162015.06.10审核人： 年 月 日小凸缘筒形件冲压工艺与模具设计摘 要：简单的叙述了冲压设计对目前工业生产的重要性，同时介绍了冲压设计的基本内容及一般的工作程序。通过对“小凸缘筒形件冲压工艺及模具设计”毕业设计，让我对冲压模具设计的步骤有了以定的了解。首先对产品零件做工艺性分析，确定工艺方案，进行工艺计算，确定切边余量、计算毛坯直径、判断能否一次成形、确定排样图、落料、拉深力的计算，确定冲压设备。其次对个工序模具进行设计，落料凹模、凸凹模（落料凸模，拉深凹模）、拉深凸模的设计（凸模圆角半径、凹模圆角半径、间隙、凸、凹模尺寸公差、压力中心对压力机进行选择）。最后选择模架，计算凸模长度、凹模高度和壁厚、凸模固定板尺寸、校核强度。根据模架选择其他零部件，确定模具闭合高度，对冲压模具进行安装调试。关键词：模具， 圆角半径，尺寸及公差，单边间隙，凸凹模The design of stamping process for the small flange cylinder paresAbstract：This paper simply describes the importance of stamping design to the current industrial production. It introduces the basic content and general working procedure of stamping design. Through the graduation design of the small flange cylinder stamping process and mold design , I have a set of steps to do the design of stamping mold. First this paper makes process analysis of the part and determines the process scheme. It makes process calculation and determines the cutting edge margin. It calculates the diameter of blank and determines whether a forming or not. It determines the layout map falls the material. It determines the stamping equipment through the drawing force calculation. Secondly this paper makes mold design of all process. It includes the design of blanking mold, punch (blanking punch, drawing mold) drawing punch (punch radius, mold fillet radius, clearance, convex and concave mold size tolerance, the pressure center of Press). Finally this paper chooses the mold. It makes the calculation of the length of the punch ,the height and thickness of the die and the plate size of the punch plate size,it check the strength. According to the selection of mold,it chooses other parts and determines the closed height of the mold .Then it makes installation and commissioning of stamping dies.Keywords: Mold, radius, dimensions and tolerances, unilateral gap,conve concave mold目 录1 前言1 1.1 冲压工艺及模具设计概论1 1.2 冲压工艺及模具设计的基本内容11.3 冲压工艺及模具设计的一般程序1 2 冲压件工艺分析3 2.1 产品零件材料分析3 2.1.1 产品零件的尺寸精度、断面质量分析3 2.1.2 产品零件的工艺性分析3 2.2 确定工艺方案和模具形式4 3 主要工艺参数的计算6 3.1 落料尺寸的计算6 3.1.1 切边余量h的确定6 3.1.2 计算毛坯直径D6 3.1.3 判断能否一次拉伸成形6 3.2 确定排样方案7 3.2.1 确定排样7 3.2.2 排样设计7 3.3 拉深冲压力的计算8 3.3.1 落料过程8 3.3.2 拉伸过程9 3.3.3 成形过程10 3.4 冲压设备的确定11 3.5 模具工作部分及公差计算123.5.1 落料凸凹模人口尺寸及公差计算.123.5.2 拉深凸凹模人口尺寸及公差计算.13 4 冲模零件的设计.154.1 落料凹模设计.154.1.1 凹模的尺寸计算.154.1.2 凹模的结构形式.164.2 拉深模的设计.164.2.1 凸模的结构设计.174.3 凹凸模的设计.184.4 压边圈的设计.184.5 模架的确定.194.6 弹顶器的弹性元件的选取.204.7 定位装置.21 4.8 条料的横向定位装置.21 4.9 卸料装置.22 4.9.1 固定卸料装置的形式.22 4.9.2 固定卸料的卸料方式.22 4.10 推件装置的设计.23 4.10.1 推件板的结构型形式.23 4.10.2 推件板的尺寸与公差.24 4.10.3 推件板的极点位置.24 4.10.4 打杆与打板的设计.24 5 其他冲模零件设计.26 5.1 模柄的类型选择.26 5.2 凸模固定板.26 5.3 垫板.26 5.4 紧固件.27 5.5 定位销.27 6 模具的装配.28 6.1 复合膜的装配.28 6.2 凸、凹模间隙的调整.28 6.3 模具总装配图.29 6.4 模具工作过程.29 7 结论.31 参考文献32 致 谢33III太原工业学院毕业设计1 前言1.1 冲压工艺及模具设计概论随着科学技术的不断进步，社会生产及生活的提高，因此为满足社会需求，对冲压工艺及模具设计的要求也就也来越高。冲压工艺设计是需要很强技术的工作，其工艺设计过程基本上是一个重新创造的过程。冲压工艺及模具设计质量的好坏，直接影响了产品零件的质量、生产成本及生产效率，并且也对冲压生产的组织和管理有一定的影响。因而，冲压工艺及模具设计不仅要求设计人员要有丰富的理论基础、较多的实践经验、熟练的设计技术和责任感，并且要求设计的人员你能够在不停积累总结工艺及模具设计的基础上，及时了解最新的模具设计技术知识，尽快掌握了解现代化的模具设计手段。只有这样，冲压工艺及模具设计才能适应社会工业生产迅猛发展的需要。1.2 冲压工艺及模具设计的基本内容冲压工艺及模具设计：工艺设计、模具设计。冲压工艺设计是指针对所给的产品零件样图，根据其生产批量的大小、冲压设备的类型规格、模具制造能力及工人技术水平等具体生产条件，从对产品零件图的冲压工艺分析入手，经过必要的工艺计算，制定出合理的工艺方案，最后确定各个工序的模具类型综合性的分析、计算、设计过程。冲压模具设计则是依据产品零件制定的冲压工艺规程，在认真考虑条料（毛坯）的定位、出件、废料排除诸问题以及模具的制造维修方便、操作安全可靠等因素后，试确定出与冲压设备相适应的模具总体结构，然后绘制出模具总体装配图和主要零部件（落料凹模、凸凹模、拉深模等）的整个绘图设计过程。1.3 冲压工艺及模具设计的一般程序在实际生产中，冲压件的形状、尺寸及其精度要求各异，且具体生产条件也不尽相同，这常给开始从事冲压设计的人员带来一定困难。另外，根据冲压变形（分离工序、成型工序）的基本规律，理解明白冲压基本工序的各自变形特点，尽管冲压件的形状、尺寸及精度、生产批量要求不同，冲压工艺及模具设计的基本原则与方法则还是殊途同归的。一般情况下按以下工作程序进行：（1） 搜集冲压设计必要的原始资料；（2） 分析产品零件图的冲压工艺性；（3） 确定冲压工艺方案；（4） 确定模具类型；（5） 选择冲压设备；（6） 重新审查产品零件图；（7） 进行模具的总体设计；（8） 进行模具的主要零部件设计；（9） 绘制模具总装配图和零件图；（10） 编写模具设计计算说明书。2 冲压件工艺分析 2.1 产品零件材料分析该产品零件的材料是10钢，属于有色金属软材料，该材料的力学性能强度、硬度低、塑性好，非常适合冲裁加工。（屈服点s=206Mpa、抗拉强度b=294432Mpa、抗剪强度b=255333Mpa、伸长率=29%）对产品零件材料10钢的力学性能分析，主要是为了方便模具设计中的参数计算，因此，模具设计计算时参考以上数据进行计算。2.1.1 产品零件的尺寸精度、断面质量分析1.尺寸精度 任务书对产品零件，没有做特殊要求，因此公差等级点为IT14级。2.冲裁件断面质量产品零件材料厚度为t=1mm，其断面粗糙度Ra可达0.40.8，毛刺允许高度为0.050.1mm；本产品零件在断面粗糙度上在任务书中没有具体要求，因此只要模具精度达到一定要求，冲裁件断面的质量就可以保证。2.1.2 产品零件的工艺性分析冲压件工艺性：冲压零件在冲压加工过程中加工的难易程度。该产品零件为“小凸缘筒形件”，属于回转体对称零件，其公差等级定为IT14级。在拉深过程中要注意控制拉深程度，加工时，根据零件的结构，形状等一些技术要求，应考虑以下几点：（1）拉深件圆角半径：拉深件的圆角半径要适合，应尽量大些，以便于成形和减少拉深次数，避免在拉深过程中出现失稳现象即拉裂。拉深件底与壁的圆角半径应满足r1t。而在任务书中设计圆角半径R（底与壁的圆角半径为R12，凸缘半径R3）t，故满足设计要求。（2）考虑拉深件厚度不均匀的现象：因产品零件的精度等级为IT14级，可以忽略不计，所以设计时不予考虑产品零件壁厚度的不均匀问题，便可加工出符合任务书中要求的产品零件。根据产品零件图，初步分析可以知道产品零件的冲压成形需要多道工序才能完成，首先要进行的是拉深，形成产品零件的外形尺寸形状，然后进行底部成型。综上所述，产品零件是由平板毛坯冲压成形。应包括的基本工序有：冲裁（落料）、拉深（成形）等，由于是多道工序，多套模具成形，还要特别留心注意各工序间的定位问题。2.2 确定工艺方案和模具形式确定工艺方案及模具形式：1、根据任务书中对冲压产品零件要求分析得知，确定冲压所需的基本的工序，该产品零件包括落料、拉深、整形三个基本工序。2、根据初步工艺计算，确定冲压次数及拉伸次数。3、根据每个工序完成后材料变形的特点、完成质量的要求等确定工序顺序。 4、根据生产批量和条件（冲压加工条件和模具制造条件）确定工序组合。任务书中要求为大批量生产，采用复合模。由于产品零件的冲压成形多道工序来完成，在制定选择合理的成形工艺方案时期非常重要，考虑到生产批量大，应在生产合格产品零件的基础上尽量提高生产效率，降低生产成本。若是想要提高生产成本，应该尽量选择合理的成形工艺方案，选择复合能复合的工序，但复合程度太高，模具的结构就会非常的复杂，安装调试也会非常的困难，这样模具的成本就会提高，同时可能降低模具的强度，缩短模具寿命。本产品零件包括落料、成型、拉深。工序的组合方案及比较方案一：1）落料； 2）拉深； 3）成型。方案二：1）落料与拉深复合； 2）成型。方案三：1）落料； 2）拉深与成型复合。方案四：1）落料、拉深与成型复合。方案一：复合程度较低，模具结构简单，安装、调试容易，但生产道次多，效率低，不适合大批量生产。故很少使用。方案二：将落料与拉深进行复合，工序少，生产效率较高，但模具结构较复杂，安装、调试难于控制，同时模具强度较低。方案三：将拉深与成型复合方案四：复合程度最高，模具结构复杂，生产效率最高。根据以上四个冲压工艺方案的比较，四种冲压工艺方案各有其优点和缺点，为了提高生产率，便于操作，在保证加工质量的前提下，选择经济合理的工艺方案。故在此设计中选择方案四。3 主要工艺参数的计算 3.1 落料尺寸的计算 3.1.1 切边余量h的确定根据产品零件的尺寸，经查表5-8取修边余量为h=4.3mm，df=d凸+2h=170+24.3=178.6mm。（冲压工艺及模具设计 主编 翁其金 徐新成 机械工业出版社 P146） 3.1.2 计算毛坯直径D设计过程工艺时，不用考虑毛坯厚度的变化。毛坯尺寸按公式查表4.2（冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P121） .(式3.1)3.1.3 判断能否一次拉伸成形 工件总拉伸相对高度： .(式3.2) 工件总拉深系数：.(式3.3) 毛坯相对厚度： .(式3.4) 查表4.11、表4.12（冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P132、P133）工件最小拉伸系数为0.540.52 因此，只需要一次拉伸成形。3.2 确定排样方案 3.2.1 确定排样 排样是模具设计的核心部分，同样也是进行设计符合模具重要的依据。工件排样图设计的好坏，是设计凸模的重要因素之一，尤其是在产品零件的大批量生产中，较好的确定冲件的形状尺寸和合理的排样也是提高生产效率、降低成本的有效措施之一。 产品零件的毛坯为简单的圆形件，并且尺寸适中，考虑到操作方便，适合采用单排的排样方式，毛坯材料厚度t=1.0mm。3.2.2 排样设计 查表3-10（冷冲模设计 主编 丁松聚 机械工业出版社P61） 搭边数值 a=0.8mm a1=1.0mm 进距 A=D+a=275+0.8mm=275.8mm.(式3.5) 条料宽度 B=D+2a1=275+21mm=277mm.（式3.6） 其排样图如图3.1所示：图3.1排样图3.3 拉深冲压力的计算 3.3.1 落料过程 （1）. 落料力 落料力的计算公式： .（式3.7）式中 F冲裁力（N） t板料厚度（mm） 材料的抗冲剪强度（MPa） K修正系数。一般k取为1.251.3，这里k=1.3。 抗冲剪强度的值一般取材料抗拉强度的0.70.85。这里取抗冲剪强度等于毛坯材料抗拉强度的80%。即（）。 F落=1.30.83.14257335N=300.84KN （2）. 卸料力 卸料力的经验计算公式：F卸=k1F落.（式3.8）式中 F冲裁力(N) 顶件力及卸料力系数，其值可查表4.18，取为0.04。 （冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P57） F卸=0.04300.84KN=12.03KN3.3.2 拉深过程 （1）. 拉深力 带凸缘圆筒形零件的拉深力近似计算公式为 .（式3.9） 式中 圆筒形零件的凸模直径（mm） 系数，查表4.18，取=1.0。（冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P146） 材料的抗拉强度（MPa） 因此 =13.141511335N =158.83KN （2）. 压边力 采用压边圈的目的：限制板料的变形区会在拉深时出现褶皱（导致零件不合格），合适压边力的取值范围的原则：冲件在拉深时不出现褶皱、冲件的侧壁和口部不出现明显变薄。压边力计算公式：.（式3.10）式中 D毛坯直径（mm） d冲件的外径（mm） 凹模圆角角半径（mm） p单位压边力（MPa）查表5-10，p=3MPa（冲压工艺及模具设计 主编 翁其金 徐新成 机械工业出版社 P146）=2752-(151+23)23N=120.05KN （3）. 顶件力 顶件力的计算公式可按下式： =.(式3.11)式中 顶件力（N）； 顶件力系数；查表3-8，取 = 0.08。（冷冲模设计 主编 丁松聚 机械工业出版社P57） = = 0.08158.83KN = 12.71K （4）. 拉深功的计算 拉深所需的功可按下式计算： .（式3.12）依据（冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P146）式中 最大拉深力（N） h 拉深深度（mm） W拉深功（Nm） C修正系数，一般取为C=0.60.8。 所以 =10038.5Nm3.3.3 成形过程 采用平头凸模对塑性较好的低碳钢板、行胀形所能达到的深度h见表5-1（冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P120）按毛坯在刚性凸模胀形时所需的胀形力F按下式估算胀形力 .（式3.13） =11261335N =42.21KN式中 L 胀形区周边长度 t 板料厚度 K 变形程度大小的系数，一般K=0.71，此处取K=1 板料抗拉强度 工序为先落料后拉深，所以最大冲压力是在冲裁阶段，选用落料拉深成型复合模结构，最大冲压力为： Fmax = F +F1 + F2.（式3.14） =F落 +F拉 + =300.84+158.83+12.71KN =472.38KN3.4 冲压设备的确定确保安全，防止设备的超载，对于冲裁工序，压力机的公称压力PFmax的1.11.3倍。即： P （1.11.3）Fmax.（式3.15） 取 P = 1.3 Fmax P = 1.3 Fmax = 614.094KN可以选择公称压力吨位在630KN以上的压力机，因为拉深成形的行程很大，选定压力机时需参考压力机最大封闭高度。查表13.9（冲压模具简明设计手册 主编 郝滨海 化学工业出版社P389）选取公称压力为800KN的开式压力机，表3.4为其技术参数表3.4名称量值公称压力（10KN）80发生公称压力时滑块离下极点距离/mm9滑块行程固定行程/mm130调节行程/mm13013标准行程次数（不小于）/（次/min）60最大闭合高度/mm固定台和可倾/mm380活动台位置最低/mm480最高/mm240闭合高度调节量/mm100滑块中心到机身距离（喉深）/mm290工作台尺寸/mm左右800前后540工作台孔尺寸/mm左右380前后210直径260立柱间距离（不小于）/mm380模柄孔尺寸（直径x深度）/mm60 x 75工作台板厚度/mm903.5 模具工作部分尺寸及公差计算3.5.1 落料凸、凹模刃口的尺寸及公差的计算： 对于落料： .（式3.16） .（式3.17） 式中 落料凸模直径（mm） 落料凹模直径（mm） D 工件外径的公称尺寸（mm） 冲裁工件要求的公差 X 系数，取X=0.5。 、凹、凸模制造偏差,查表2.14其值分别为+0.040、-0.030 （冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P25）实用间隙最小值，通过查表2.35，（冲压模具简明设计手册 主编 郝滨海 化学工业出版社P28）选取 拉深的坯料按公差等级IT14级选取极限偏差，落料件的尺寸取为，还必须满足下列公式： .（式3.18） 所以满足条件。 3.5.2 拉深凸、凹模刃口的尺寸及公差的计算 由式 .（式3.19） .（式3.20） 以上各式中，查表4.30，（冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P153）分别为+0.040、-0.020。间隙C查表4.53（冲压模具简明设计手册 主编 郝滨海 化学工业出版社P154）有 .（式3.21） 4 冲模零件的设计4.1 落料凹模的设计4.1.1 凹模的尺寸计算 凹模厚度H： H=KB.（式4.1） B凹模孔的最大宽度，mm。 K系数。查表2.41，（冲压模具简明设计手册 主编 郝滨海 化学工业出版社P34）取K=0.12。 H=0.12275mm=33mm凹模壁厚C： C=（1.52）H.（式4.2）因材料厚度为t=1mm，取C=1.5H=1.533mm=49.5mm凹模的外形的尺寸： 凹模长L=275+2 x 49.5 =374mm 凹模宽B=275+2 x 49.5 =374mm 凹模板外形尺寸：L x B x h=37437433 需要向国标靠拢，将上述凹模板外形尺寸改为: 400 x 400 x 40mm凹模外形尺寸形状如下图4.1所示: 图4.1 凹模外形 4.1.2 凹模的结构形式.凹模外缘到螺孔中心的尺寸。.（式4.3）根据凹模的壁厚C，可以初步选择M12的螺纹。（d=12mm，a1=20mm。）.螺孔与凹模孔、圆柱销钉之间的尺寸。螺孔与凹模孔、圆柱销钉之间的标注尺寸是F2d=24mm，最小允许尺寸是1.13d=13.5mm。.螺孔及销钉的数目。初定螺孔数目为4个，销钉数目为2个。 产品零件的落料凹模结构简单，因此采用整体式结构。其凹模结构图如下图4.2所示： 图4.2 落料凹模4.2 拉深模的设计 (1) 拉深模的凹模圆角半径: . .（式4.4）t为材料厚度1mm，取=12mm。 (2) 拉深模的凸模圆角半径: 一般与取相等，拉深成形时，应等于零件的内圆半径，取=12mm。 （3）拉深间隙: 有压边圈拉深时单边间隙值查表4.28（冷冲压模具设计与制造 主编 王秀凤 万良辉 北京航空航天大学出版社P152） .（式4.5） t为材料厚度1mm，取=1.1mm 4.2.1 凸模的结构设计（1）凸模的结构设计的三原则 精确定位 固定板上安装了凸模时，凸模在工作过程中其轴线（或母线）不允许发生任何方向的移位否则将造成冲裁间隙不均匀（是材料变形），降低模具寿命，严重时将造成啃模。 防止拔出 回程时，对凸模产生拉伸作用。凸模的结构应做到防止凸模从固定板中拔出来。 防止转动 工作段截面为圆形的凸模：不存在防止转动的问题。工作截面为较简单的凸模：长圆形、半圆形、矩形等，为了防止造成啃模，将凸模固定板简化为圆形来防止转动 在设计各种凸模结构的时，需注意全部都要满足这三条原则。 （2）拉深凸模结构通气孔直径一般可适当（在38mm之间）选取，取8mm。凸模结构如下图4.3 图4.3 拉深凸模4.3 凹凸模的设计 凹凸模结构如图4.4所示 图4.4 凹凸模（落料凸模与拉深凹模）4.4 压边圈的设计 经计算已知产品零件只需要一次拉伸就能成形，为防止出现起皱情形，确定使用压边圈进行防止起皱。 产品材料的相对厚度t/D=0.0036,工件的拉伸系数为确定为m=0.54，选取普通平端面凹模拉深,(0.090.17)(1-)=0.01650.0246，t/D0.01650.0246,所以需要使用压边圈。 分析可知，拉深时所需的，在拉深开始阶段要求是比较大的，然而随着拉深深度h的加大，压边力将会随之减小，这样才会有利于拉深的进行。因而选择气垫装置和平面形压料圈。 大吨位的压力机的压力是可以根据具体情况调节的，工作平稳，压缩空气的压力p一般为。=120.05kN，所以气缸面积=0