发动机油箱底壳零件冲压工艺分析与模具设计毕业论文.doc

发动机油箱底壳零件冲压工艺分析与模具设计毕业论文目录摘要IAbstractII第一章 序言11.1 概述11.2 冲压技术的发展11.3 模具的发展与现状21.4 模具CAD/CAE/CAM技术21.5设计的主要特点及意义41.6 汽车油底壳的相关知识补充41.6.1 前言41.6.2 汽车发动机油底壳材料的发展历史5第二章 发动机油底壳成型工艺的总体分析62.1油底壳结构及工艺难点分析62.2油底壳冲压工艺分析及方案确定72.2.1工艺流程初定72.2.2 拉深次数的确定72.2.2.1 常规计算模式：72.2.2.2 有限元模拟分析102.2.2.3工艺流程的最终确定112.2.2.4 落料毛坯尺寸确定11第三章 拉深及法兰面冲孔的工艺分析和模具设计143.1落料143.1.1工艺分析173.1.2 工艺方案的确定183.1.3冲裁间隙的确定183.1.4凸模与凹模刃口尺寸的确定183.1.4.1凸、凹模具刃口尺寸计算原则183.1.4.2凸、凹模刃口尺寸计算方法203.1.5 冲裁工艺力的计算203.2 拉深233.2.1油底壳的拉深工艺分析243.2.1.1对拉深件形状的要求243.2.1.2对拉深件的圆角半径和拉深件精度的要求253.2.2拉深工艺力的计算253.2.2油底壳拉深模具设计及其结构设计要点273.2.2.1结构设计要点273.2.2.2模具工作过程283.2.2.3模具的导向283.2.2.4凹模圆角半径及凸凹模间隙参数的确定283.2.2.5成型凹模及顶件块的设计293.2.2.6模具材料及热处理要求293.3整形323.4切边323.5翻边、校平323.6冲法兰面孔333.6.1冲压模具的基本结构组成333.6.2 模具结构特点333.6.3 模具工作过程333.6.4 模具零部件的结构设计与相关冲裁力及部件尺寸的计算343.6.4.1凸、凹模刃口尺寸的计算343.6.4.2凸、凹模的设计353.6.4.3模板的设计373.6.4.4卸料弹簧的选用373.6.4.5冲压设备的选用383.6.4.6 压力中心的计算413.7冲放油塞孔42第四章 总结43第五章 结束语43参考文献44附录45附录一：外文文献45附录二：外文翻译5258油箱底壳零件冲压工艺分析及模具设计材料学院 成型061404 陈翔宇 指导教师：曹建新摘要本设计应用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了冷冲压模具设计等课程所学的内容，掌握冷冲压模具设计的方法和步骤，掌握冷冲压模具设计的基本的模具技能懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了模具的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。本设计是冲孔和拉深的模具。本设计的内容是确定拉延模内型和结构形式以及工艺性，考虑了成型镶块和拉伸筋的设计，绘制模具总图和非标准件零件图。关键词：拉深，冲孔，成型镶块，拉伸筋。Stamping process analysis and mold design of Tank bottom shell parts Department of Mechanical.Cailiao Material Forming 061404 ChenXiangYu Director： CaoJianXinAbstractThus the present paper applies this specialty to study the curriculum the theory and the production know-how carries on a time cold stamping mold design work the actual training to raise and to sharpen the student independent working ability, consolidated and expanded the content which curricula and so on cold stamping mold design studied, the method and the step which the grasping cold stamping mold designed, the basic mold skill which the grasping cold stamping mold designed had understood how analyzed the components the technology capability, how definite craft plan, had understood the mold basic structure, sharpened the computation ability, cartography ability, has been familiar with the standard and the standard, simultaneously various branches correlation curriculum all had the comprehensive review,independent thinking ability also had the enhancement. This design is punching and deep drawing dies. This design is to determine the contents of the drawing-mold type and structure and process, consider the molding inserts and tensile reinforcement design, draw up the mold assembly drawing and the non-standard letter detail drawing.Key Words：deep drawing, punching, molding inserts, stretching tendons.太原科技大学毕业设计说明书第一章 序言1.1 概述冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，用以生产各种板料零件,具有很多独特的优势，其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机械自动化及生产效率高等优点，是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技术，在制造业中具有很强的竞争力，被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活的生产之中。在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后，已经形成了冲压学科的成形基本理论。以冲压产品为龙头，以模具为中心，结合现代先进技术的应用，在产品的巨大市场需求刺激和推动下，冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用。1.2 冲压技术的发展近几十年来，冲压技术有了飞速的发展，它不仅表现在许多新工艺与新技术在生产的广泛应用上，如：旋压成形、软模具成形、高能率成形等，更重要的是人们对冲压技术的认识与掌握的程度有了质的飞跃。现代冲压生产是一种大规模继续作业的制造方式，由于高新技术的参与和介入，冲压生产方式由初期的手工操作逐步进化为集成制造（图1-1）。生产过程逐步实现机械化、自动化、并且正在向智能化、集成化的方向发展。实现自动化冲压作业，体现安全、高效、节材等优点，已经是冲压生产的发展方向。 图1-1 冲压作业方式的进化冲压自动化生产的实现使冲压制造的概念有了本质的飞跃。结合现代技术信息系统和现代化管理信息系统的成果，由这三方面组合又形成现代冲压新的生产模式计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）。把产品概念形成、设计、开发、生产、销售、售后服务全过程通过计算机等技术融为一体，将会给冲压制造业带来更好的经济效益，使现代冲压技术水平提高到一个新的高度。1.3 模具的发展与现状模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高技术密集型产品，也是高新技术产业的重要领域，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造水平的重要标志。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。目前我国模具工业的发展步伐日益加快，“十一五期间”产品发展重点主要应表现在：（1）汽车覆盖件模；（2）精密冲模；（3）大型及精密塑料模；（4）主要模具标准件；（5）其它高技术含量的模具。目前我国模具年生产总量虽然已位居世界第三，其中，冲压模占模具总量的40%以上，但在整个模具设计制造水平和标准化程度上，与德国、美国、日本等发达国家相比还存在相当大的差距。以大型覆盖件冲模为代表，我国已能生产部分轿车覆盖件模具。轿车覆盖件模具设计和制造难度大，质量和精度要求高，代表覆盖件模具的水平。在设计制造方法、手段上已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面，以国外相比还存在一定的差距。标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，与国外多工位级进模和多功能模具相比，存在一定差距。1.4 模具CAD/CAE/CAM技术冲压技术的进步首先通过模具技术的进步来体现出来。对冲模技术性能的研究已经成为发展冲压成形技术的中心和关键。20世纪60年代初期，国外飞机、汽车制造公司开始研究计算机在模具设计与制造中的应用。通过以计算机为主要技术手段，以数学模型为中心，采用人机互相结合、各尽所长的方式，把模具的设计、分析、计算、制造、检验、生产过程连成一个有机整体，使模具技术进入到综合应用计算机进行设计、制造的新阶段。模具的高精度、高寿命、高效率成为模具技术进步的特征。模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。模具CAD/CAE/CAM在近20年中经历了从简单到复杂，从试点到普及的过程。进入本世纪以来，模具CAD/CAE/CAM技术发展速度更快，应用范围更广。在级进模CAD/CAE/CAM发展应用方面，本世纪初，美国UGS公司与我国华中科技大学合作在UG-II（现为NX）软件平台上开发出基于三维几何模型的级进模CAD/CAM软件NX-PDW。该软件包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、条料排样、压力计算和模具结构设计等模块。具有特征识别与重构、全三维结构关联等显著特色，已在2003年作为商品化产品投入市场。与此同时，新加波、马来西亚、印度及我国台湾、香港有关机构和公司也在开发和试用新一代级进模CAD/CAM系统。我国从上世纪90年代开始，华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。如华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，包括板金零件特征造型、基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程5个模块。上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAC/CAM系统。西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等。近年来，国内一些软件公司也竞相加入了级进模CAD/CAM系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统CmCAD、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-CAD等。展望国内外模具CAD/CAE/CAM技术的发展，本世纪的科学技术正处于日新月异的变革之中，通过与计算机技术的紧密结合，人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快，学科领域交叉之广前所未见。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物，其特点将反映在专业化、网络化、集成化、智能化四个方面。主要表现在：（1）模具CAD/CAM的专业化程度不断提高；（2）基于网络的CAD/CAE/CAM一体化系统结构初见端倪；（3）模具CAD/CAE/CAM的智能化引人注目；（4）与先进制造技术的结合日益紧密。1.5设计的主要特点及意义该设计主要针对汽车发动机油底壳零件的冲压模具设计，难点在于它属于汽车覆盖件冲压成型中典型的深拉延模具。本设计涉及的知识面广，综合性较强，在巩固大学所学知识的同时，对于提高设计者的创新能力、协调能力，开阔设计思路等方面为作者提供了一个良好的平台。1.6 汽车油底壳的相关知识补充1.6.1 前言油底壳是现代汽车发动机润滑系统中不可缺少的组成部分。油底壳的储油量是润滑系统的主要设计参数之一，油底壳的储油容积对“湿式”润滑系统中机油完成润滑、冷却、清洗、密封、防锈等功能具有重要的保证作用。合理的油底壳可促进汽车发动机结构简化，体积缩小，质量减轻。汽车发动机油底壳的材料沿着环保、节能、节材、安全和低成本的方向发展，取得了以轻量化为代表的显著进步，呈现着多样化、多元化的趋势。汽车发动机的材料是其设计水平高低、品质优劣、质量大小和竞争力强弱的基础之一。汽车发动机的轻量化程度在很大程度上取决于轻量化材料的发展。近年来，聚酰胺玻璃纤维增强尼龙工程材料（6.6型超级尼龙）如PA66+GF35%、PA6+GF35%等已成为汽车发动机油底壳的轻量化的新材料之一。塑料材料由于造型容易、质量轻、成本低，受到汽车发动机设计部门及油底壳制造业的青睐和关注。尤其是塑料材料的形状变化自由度大，塑料材料制成的油底壳具有能够集成油道、吸油管、机油过滤器、单独的备用油口和防溅板等优点，使其成为兼顾耐热性和高刚度的一体化的功能零部件材料。2003年，世界塑料工程学会SPE（Society of Plastic Engineers），为研发成功世界首例载货汽车发动机热塑性塑料油底壳的德国萨克森技术公司（KTSN）颁发了“格兰特创新特别奖”。这种塑料油底壳已成功应用在戴姆勒克莱斯勒汽车公司的奔驰牌新型ACTROS载货V6发动机上。这种轻量化新材料油底壳的机油容量较传统材料油底壳增加了30%，达到39L；新材料油底壳部件总质量较传统材料油底壳减轻40%，达到7.4kg；它的生产成本较传统材料降低了20%30%。据悉，制造这种热塑性材料油底壳的原材料是德国巴斯夫（BASF）公司提供的。这种塑料材料油底壳的材料被命名为“6.6型超级尼龙”，其中35%为增强玻璃纤维。1.6.2 汽车发动机油底壳材料的发展历史 汽车发动机油底壳材料和相应的工艺的发展历程是：铸铁或铸铝件单层薄钢板冲压件压铸铝合金件（金属/塑料/金属）夹层复合件SMC热固性塑料模塑件（尼龙）热塑性塑料注塑件。综上所述，为了更好的适应现实市场竞争的需求，经过对该零件结构及使用性能的要求分析，以不降低使用性能为前提，将其从铸铝件改为冲压件！用冲压的方式完成零件的加工。第二章 发动机油底壳成型工艺的总体分析2.1油底壳结构及工艺难点分析图2-1 零件图如图2-1所示为改进后的油底壳零件，材料为宝钢产深拉深冷轧钢板st15， 料厚2mm，属于汽车覆盖件冲压成型中典型的深拉延件。 图2-1所示油底壳冲压件外形不规则，由复杂空间曲面构成，断面平面度及孔位位置度要求相对较高，属于典型的复杂深拉深件。其工艺难点主要在于油底壳成型，因成形高度相对较大，凹模半径较小，外形不规则，拉深过程中各处应力应变情况比较复杂，差别较大，在拉深过程中易出现拉裂及局部起皱现象，实践证明，拉深工序及整形工序的合理确定，将直接关系到制件质量和制件成本。2.2油底壳冲压工艺分析及方案确定2.2.1工艺流程初定通过对零件结构及使用要求的综合分析，初步制定此零件的工艺流程如下：落料-拉深（次数为定）-切边 冲法兰面孔-翻边-校平-冲放油塞孔此工艺流程的优势在于：拉深工序后，切边 冲法兰面孔将通过复合模在一道工序中完成，生产效率将得以有效提高。其缺陷在于：翻边工序安排在切边 冲孔复合工序之后，如此，在冲孔工序产生的安装孔将在后续翻边工序产生一定程度的孔变形及空位变移。2.2.2 拉深次数的确定 上述初定的工艺流程，未确定拉深次数，而拉深件的拉深次数的合理确定对制件成型尤为重要。如何充分利用材料的塑性，有效避免拉深应力超过材料的强度极限，这直接关系到制件的质量和成本。2.2.2.1 常规计算模式：(a)通过对零件的分析，得知该零件形状接近于盒形件，所以参考盒形件的工艺计算方法估算其拉深次数。由参考文献1可知：式中：为左侧面角部圆角半径 为右侧面角部圆角半径 为左侧工件高度 为右侧工件高度 b为盒形件短边宽度通过查文献1中的4-72图可知，此零件左侧成型接近区域II b的盒形件成型，右侧接近区域II c 的盒形件成型，阶梯部位过渡区域成型条件尚可，根据以往的经验推断，若适当加大凹模圆角半径，此零件可一次拉深成型，若分两次拉深，成型难度加大模具易失败，制件质量将难以保证。（b）运用盒形件拉深的变形程度来确定拉深次数 由于盒形件初次拉深时圆角部分的受力和变形比直边大，起皱和拉破易在圆角部发生，故盒形件初次拉深时的极限变形量由圆角部传力的强度确定。 拉深时圆角部分的变形程度仍用拉深系数表示： 式中 为与圆角部相应的圆筒体直径； D 为与圆角部相应的圆筒体展开毛坯直径。 当时，与圆角部相应的圆筒体毛坯直径为：则： 式中为工件底部和角部的圆角半径； H 为工件的高。 由上式可知初次拉深的变形程度可用盒形件相对高度 H/r 来表示，这在使用中比较方便。 H/r 愈大，表示变形程度愈大。用平板毛坯一次能拉出的最大相对高度值见表1 。若零件的 H/r 小于表1 中的值，则可一次拉成，否则必须采用多道拉深。表1 盒形件初次拉深的最大相对高度 补充拉深件的变形解析：从几何形状特点看，矩形盒状零件可划分成 2 个长度为 (A-2r) 和 2 个长度为 (B-2r) 的直边加上 4 个半径为 r 的 1/4 圆筒部分(图2-2) 。若将圆角部分和直边部分分开考虑，则圆角部分的变形相当于直径为 2r 、高为 h 的圆筒件的拉深，直边部分的变形相当于弯曲。但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体，因此盒形件的拉深又不完全等同于简单的弯曲和拉深，有其特有的变形特点，这可通过网格试验进行验证。 拉深前，在毛坯的直边部分画出相互垂直的等距平行线网格，在毛坯的圆角部分，画出等角度的径向放射线与等距离的同心圆弧组成的网格。变形前直边处的横向尺寸是等距的，即，纵向尺寸也是等距的，拉深后零件表面的网格发生了明显的变化(如图2-2所示) 。这些变化主要表现在：图 2-2 盒形件的拉深变形特点 直边部位的变形 直边部位的横向尺寸变形后成为间距逐渐缩小，愈向直边中间部位缩小愈少，即纵向尺寸变形后成为，间距逐渐增大，愈靠近盒形件口部增大愈多，即。可见，此处的变形不同于纯粹的弯曲。 (2) 圆角部位的变形 拉深后径向放射线变成上部距离宽，下部距离窄的斜线，而并非与底面垂直的等距平行线。同心圆弧的间距不再相等，而是变大，越向口部越大，且同心圆弧不位于同一水平面内。因此该处的变形不同于纯粹的拉深。 根据网格的变化可知盒形件拉深有以下变形特点： (1) 盒形件拉深的变形性质与圆筒件一样，也是径向伸长，切向缩短。沿径向愈往口部伸长愈多，沿切向圆角部分变形大，直边部分变形小，圆角部分的材料向直边流动。即盒形件的变形是不均匀的。 (2) 变形的不均匀导致应力分布不均匀(图2-3) 。在圆角部的中点最大，向两边逐渐减小，到直边的中点处最小。故盒形件拉深时破坏首先发生在圆角处。又因圆角部材料在拉深时容许向直边流动，所以盒形件与相应的圆筒件比较，危险断面处受力小，拉深时可采用小的拉深系数也不容起皱。图2-3 盒形件拉深时的应力分布 (3) 盒形件拉深时，由于直边部分和圆角部分实际上是联系在一起的整体，因此两部分的变形相互影响，影响的结果是：直边部分除了产生弯曲变形外，还产生了径向伸长，切向压缩的拉深变形。两部分相互影响的程度随盒形件形状的不同而不同，也就是说随相对圆角半径 r/B 和相对高度 H/B 的不同而不同。r/B 愈小，圆角部分的材料向直边部分流得愈多，直边部分对圆角部分的影响愈大，使得圆角部分的变形与相应圆筒件的差别就大。当 r/B=0.5 时，直边不复存在，盒形件成为圆筒件，盒形件的变形与圆筒件一样。 2.2.2.2 有限元模拟分析根据有限元模拟技术预示的成形载荷、板材几何变形、应力应变分布和加工条件，调整模具的几何形状、材料等级和边界条件，对油底壳深拉伸进行模拟分析。以正拉伸方式成形，油底壳截面积进行成形过程模拟分析:油底壳的成形采用正拉深方式，边界条件为拉伸筋阻力。采用平面应变等效拉深筋阻力模将胚料料划分成500单元节点数为2503。模拟计算得到的变形终了厚度最薄处为0.62t（t为拉深板料厚度，mm），由此可知该零件可以一次拉深成功。由于此零件法兰面与侧壁间圆角半径偏小，不利于之间一次拉伸成形，因此决定在拉深工序后增加一法兰面与侧壁间圆角部位整形工序，保证一次拉深成形的工艺需求。 2.2.2.3工艺流程的最终确定 通过计算及分析模拟实验确定了发动机油底壳成形的拉深次数。为了有效预防油底壳法兰孔面36个安装孔及孔位变移问题，也为了使模具的制造及维修带来方便；将翻变、校平工序在一套复合模中完成，经反复实验，该方案能同时满足产品质量及生产节拍要求，工艺流程最终定为：落料-拉深-整形-切边-翻边、校平-冲法兰面孔-冲放油塞孔2.2.2.4 落料毛坯尺寸确定盒型零件拉深毛坯的形状与尺寸的确定 毛坯形状和尺寸的确定应根据零件的 r/B 和 H/B 的值来进行，因为这两个因素决定了圆角和直边在拉深时的影响程度。当相对高度 H/B 大时，圆角部分对直边部分的影响就大，直边部分的变形与简单弯曲的差别就大。因此盒形件毛坯的形状和尺寸必然与 r/B 和 H/B 的值有关。对于不同的 r/B 和 H/B ，盒形件毛坯的计算方法和工序计算方法也就不同。的要求。一次拉深成形的低盒形件与多次拉深成形的高盒形件，计算毛坯的方法是不同的。计算的原则仍然是保证毛坯的面积等于加上修边量后的工件面积，并尽可能要满足口部平齐。 高盒形件 (H 0.5B) 毛坯的计算 毛坯尺寸仍根据工件表面积与毛坯表面积相等的原则计算。当零件为方盒形且高度比较大，需要多道工序拉深时，可采用圆形毛坯，其直径为： （1） 公式中的符号见图2-4。 对高度和圆角半径都比较大的盒形件 (H/B0.70.8) ，拉深时圆角部分有大量材料向直边流动，直边部分拉深变形也大，这时毛坯的形状可做成长圆形或椭圆形，如图 2-5所示。将尺寸为的盒形件，看作由两个宽度为 B 的半方形盒和中间为 (A-B) 的直边部分连接而 成，这样，毛坯的形状就是由两个半圆弧和中间两平行边所组成的长圆形，长圆形毛坯的圆弧半径为： 图 2-4方盒件毛坯的形状与尺寸 图2-5高盒形件的毛坯形状与尺寸 式中 D 是宽为 B 的方形件的毛坯直径，按式 (1) 计算。 的圆心距短边的距离为 B/2 。则长圆形毛坯的长度为： (2) 长圆形毛坯的宽度为： (3) 然后用 R=K/2 过毛坯长度两端作弧，既与 弧相切，又与两长边的展开直线相切，则毛坯的外形即为一长圆形或是长椭圆形。 由于矩形件拉深时沿毛坯周边的变形十分复杂，当前还不可能用数学方法进行精确计算，前述的各中间拉深工序的半成品形状和尺寸的计算方法是相当近似的。假若在试模调整时发现圆角部分出现材料堆聚，应当适当减小圆角部分的壁间距离 。落料毛坯尺寸的合理确定对拉深件成形具有极其重要的影响，它是影响拉深过程中材料能否均匀流动的关键因素之一。根据毛坯尺寸的计算原则, 远离四角圆弧尺寸按弯曲成形计算长与宽(实际中可能稍小) 。四角圆弧处属于圆筒形和部分直边变形的结合, 比圆筒形拉伸尺寸稍小, 毛坯尽量用近似圆弧方法保证拉伸流动。中间拉伸对某些部位材料流动不产生影响, 可考虑由于底面的不平整对于所需材料流动不同,进行合理设计。根据制件成形特点，依据毛坯面积与拉深面积（加工修边余量）相等的原则，经过理论计算后用试冲法得知油底壳的毛坯尺寸如下：图2-6落料毛坯图第三章 拉深及法兰面冲孔的工艺分析和模具设计3.1落料落料-若使材料沿封闭曲线相互分离，封闭曲线以内的部分作为冲裁件时，称为落料。如果模具间隙正常，冲裁变形过程大致可分为如下三个阶段：(a)弹性变形阶段(图3.1) 在凸模压力下，材料产生弹性压缩、拉伸和弯曲变形，凹模上的板料则向上翘曲，间隙越大，弯曲和上翘越严重。同时，凸模稍许挤入板料上部，板料的下部则略挤入凹模洞口，但材料内的应力末超过材料的弹性极限。(b)塑性变形阶段(图3.1)因板料发生弯曲，凸模沿宽度为b的环形带继续加压，当材料内的应力达到屈服强度时便开始进入塑性变形阶段。凸模挤入板料上部，同时板料下部挤入凹模洞口，形成光亮的塑性剪切面。随凸模挤入板料深度的增大，塑性变形程度增大，变形区材料硬化加剧，冲裁变形抗力不断增大，直到刃口附近侧面的材料由于拉应力的作用出现微裂纹时，塑性变形阶段便告终，此时冲裁变形抗力达到最大值。由于凸、凹模间存在有间隙，故在这个阶段中板料还伴随着弯曲和拉伸变形。间隙越大，弯曲和拉伸变形也越大。(c)断裂分离阶段(图3.1、)材料内裂纹首先在凹模刃口附近的侧面产生，紧接着才在凸模刃口附近的侧面产生。已形成的上下微裂纹随凸模继续压入沿最大切应力方向不断向材料内部扩展，当上下裂纹重合时，板料便被剪断分离。随后，凸模将分离的材料推人凹模洞口。从图3.2所示冲裁力-凸模行程曲线可明显看出冲裁变形过程的三个阶段。图中OA段是冲裁的弹性变形阶段；AB段是塑性变形阶段，B点为冲裁力的最大值，在此点材料开始剪裂，BC段为微裂纹扩展直至材料分离的断裂阶段，CD段主要是用于克服摩擦力将冲件推出凹模孔口时所需的力。图3.1冲裁变形过程图3.2冲裁力曲线 冲裁件质量是指断面状况、尺寸精度和形状误差。断面状况尽可能垂直、光洁、毛刺小。尺寸精度应该保证在图纸规定的公差范围之内。零件外形应该满足图纸要求；表面尽可能平直，即拱弯小。影响零件质量的因素有：材料性能、间隙大小及均匀性、刃口锋利程度、模具精度以及模具结构形式等。冲裁件断面质量及其影响因素由于冲裁变形的特点，冲裁件的断面明显地分成四个特征区，即圆角带a、光亮带b、断裂带c与毛刺区d，如图3.3所示。圆角带a ：该区域的形成是当凸模刃口压入材料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被拉入间隙的结果； 光亮带b ：该区域发生在塑形变形阶段，当刃口切入材料后，材料与凸、凹模切刃的侧表面挤压而形成的光亮垂直的断面。通常占全断面的1/2-1/3；断裂带c ：该区域是在断裂阶段形成。是由刃口附近的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，其断面粗糙，具有金属本色，且略带有斜度。毛刺区d ：毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，刃尖部分是高静水压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而是在模具侧面距刃尖不远的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺，裂纹的产生点和刃口尖的距离成为毛刺的高度。在普通冲裁中毛刺是不可避免的。a） 冲孔件b）落料件b）图3.3冲裁区应力、变形和冲裁件正常的断面状况在四个特征区中，光亮带越宽，断面质量越好。但四个特征区域的大小和断面上所占的比例大小并非一成不变，而是随着材料性能、模具间隙、刃口状态等条件的不同而变化。间隙对剪切裂纹与断面质量的影响 模具间隙的影响 冲裁时，断裂面上下裂纹是否重合，与凸、凹模间隙值的大小有关。当凸、凹间隙合适时，凸、凹模刃口附近沿最大切应力方向产生的裂纹在冲裁过程中能会合，此时尽管断面与材料表面不垂直，但还是比较平直、光滑、毛刺较小，制件的断面质量较好（图3.4b）所示）。当间隙增大时，材料内的拉应力增大，使得拉伸断裂发生早，于是断裂带变宽；光亮带变窄；弯曲变形增大，因而塌角和拱弯也增大。当间隙减小时，变形区内弯矩小、压应力成分高。由凹模刃口附近产生的裂纹进入凸模下面的压应力区而停止发展；由凸模刃口附近产生的裂纹进入凹模上表面的压应力区也停止发展。上、下裂纹不重合。在两条裂纹之间的材料将被第二次剪切。当上裂纹压入凹模时，受到凹模壁的挤压，产生第二光亮带，同时部分材料被挤出，在表面形成薄而高的毛刺（图3.4 a）所示）。当间隙过小时，虽然塌角小、拱弯小，但断面质量也有缺陷。如断面中部出现夹层，两头呈光亮带，在端面有挤长的毛刺。 当间隙过大时，因为弯矩大，拉应力成分高，材料在凸、凹模刃口附近产生的裂纹也不重合。分离后产生的断裂层斜度增大，制件的断面出现二个斜角1和2 ，断面质量也不理想。而且，由于塌角大、拱弯大、光亮带小、毛刺又高又厚，冲裁件质量下降。如图3.4c所示。因此，模具间隙应保持在一个合理的范围之内。另外，当模具装配间隙调整得不均匀时，模具会出现部分间隙过大和过小的质量现象。因此，模具设计、制造与安装时必须保证间隙均匀。）间隙过小）间隙合理）间隙过大图3.4 间隙对剪切裂纹与断面质量的影响3.1.1工艺分析该制件形状简单，尺寸大 ，薄板材件，且大批量生产，属普通冲压件。但应注意几点：1）制件具有圆弧连接的特性，应注意尺寸的精度。2）制件大，从实用性角度出发考虑单独顺序排样。3）大批量生产，应重视材料与模具结构的选择，保证一定的模具寿命。3.1.2 工艺方案的确定本冲件所需的基本工序为冲孔、落料、一般可采用：方案（1），单工序模；生产率低，积累误差大，生产不够安全，模具简单，制造容易。方案（2），连续模；生产率高、误差小，生产安全，模具较复杂，制造稍难。方案（3），复合模；生产率高，误差小，生产不够安全，模具复杂，制造困难。考虑到制件尺寸大，生产的合理性不容忽视，从方便制造考虑，拟采方案（1）采用单工序模冲裁的方案。3.1.3冲裁间隙的确定冲裁间隙的概念冲裁间隙指凸模刃口与凹模刃口之间的间隙。合理间隙值的确定-间隙的选取要使冲裁达到较好的断面质量、较高的尺寸精度，较小的冲裁力，较高的模具寿命。合理间隙指一个范围值，最大合理间隙，最小合理间隙。间隙的确定是综合考虑上述各个因素的影响，选择一个适当的问隙范围作为合理间隙。其上限为最大合理闻隙，下限为最小合理间隙即合理间隙指的是一个范围值。在其体设计模具时，根据工件和生产上的具体要求可按下列原则进行选取: (l)当工件的断面质量没有严格要求时，为了提高模具寿命和减小冲裁力，可以选择较大间隙值。(2)当工件断面质量及制造公差要求较高时应选择较小间隙值。(3)计算冲裁模刃口尺寸时，考虑到模具在使用过程中的磨损会使刃口间隙增大，应当按Zmin值来计算。确定合理间隙的方法-计算法、经验法、查表法。依据查表法得知：3.1.4凸模与凹模刃口尺寸的确定凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸精度。模具的合理间隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证。因此，正确确定凸、凹模刃口尺寸和公差，是冲裁模设计中的一项重要工作。3.1.4.1凸、凹模具刃口尺寸计算原则 由于凸、凹模之间存在着间隙，所以冲裁件断面都带有锥度。但在冲裁件尺寸的测量和使用中，则是以光亮带的尺寸为基准。 落料件的光亮带处于大端尺寸，其光亮带是因凹模刃口挤切材料产生的，且落料件的大端（光面）尺寸等于凹模尺寸。 冲孔件的光亮带处于小端尺寸，其光亮带是凸模刃口挤切材料产生的，且冲孔件的小端（光面）尺寸等于凸模尺寸。 冲裁过程中，凸、凹模要与冲裁零件或废料发生摩擦，凸模轮廓越磨越小，凹模轮廓越磨越大，结果使间隙越用越大。因此，确定凸、凹模刃口尺寸应区分落料和冲孔工序，并遵循如下原则： 设计落料模先确定凹模刃口尺寸。以凹模为基准，间隙取在凸模上，即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得。设计冲孔模先确定凸模刃口尺寸。以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得。 根据冲模在使用过程中的磨损规律，设计落料模时，凹模基本尺寸应取接近或等于工件的最小极限尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则取接近或等于工件孔的最大极限尺寸。这样，凸、凹在磨损到一定程度时，仍能冲出合格的零件。 模具磨损预留量与工件制造精度有关。用x、表示，其中为工件的公差值，x为磨损系数，其值在0.之间，根据工件制造精度进行选取：工件精度IT10以上 X=1工件精度IT11IT13 X=0.75工件精度IT14 X=0.5 不管落料还是冲孔，冲裁间隙一般选用最小合理间隙值（Zmin）。 选择模具刃口制造公差时，要考虑工件精度与模具精度的关系，即要保证工件的精度要求，又要保证有合理的间隙值。一般冲模精度较工件精度高24级。对于形状简单的圆形、方形刃口，其制造偏差值可按级来选取；对于形状复杂的刃口制造偏差可按工件相应部位公差值的1/4来选取；对于刃口尺寸磨损后无变化的制造偏差值可取工件相应部位公差值的1/8并冠以（）。 工件尺寸公差与冲模刃口尺寸的制造偏差原则上都应按“入体”原则标注为单向公差，所谓“入体”原则是指标注工件尺寸公差时应向材料实体方向单向标注。但对于磨损后无变化的尺寸，一般标注双向偏差。3.1.4.2凸、凹模刃口尺寸计算方法凸模与凹模配作法采用凸、凹模分开加工法时，为了保证凸、凹模间一定的间隙值，必须严格限制冲模制造公差，因此，造成冲模制造困难。对于冲制薄材料（因Zmax与Zmin的差值很小）的冲模，或冲制复杂形状工件的冲模，或单件生产的冲模，常常采用凸模与凹模配作的加工方法。配作法就是先按设计尺寸制出一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件的实际尺寸再按最小合理间隙配制另一件。这种加工方法的特点是模具的间隙由配制保证，工艺比较简单，不必校核 + 的条件，并且还可放大基准件的制造公差，使制造容易。设计时，基准件的刃口尺寸及制造公差应详细标注，而配作件上只标注公称尺寸，不注公差，但在图纸上注明：“凸（凹）模刃口按凹（凸）模实际刃口尺寸配制，保证最小双面合理间隙值Zmin”。 采用配作法，计算凸模或凹模刃口尺寸，首先是根据凸模或凹模磨损后轮廓变化情况，正确判断出模具刃口各个尺寸在磨损过程中是变大，变小还是不变这三种情况，然后分别按不同的公式计算。落料 应该以凹模为基准件，然后配做凸模。凹模磨损后会增大的尺寸第一类尺寸A制得凹模后按照其刃口实际尺寸配制凸模，保证最小间隙。1200-R150-R340-490-3.1.5 冲裁工艺力的计算计算冲裁力的目的是为了选用合适的压力机、设计模具和检验模具的强度。压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁的需求。普通平刃冲裁模 ，其冲裁力 F一般可按下式计算： FKptL=Lt=2075.16KN 式中 材料抗剪强度 ，查资料6 见P23附表 1-6 (得300MP)； L冲裁周边总长(mm)； L=23.14340/2+23.141502/4+8652+190=34580.mm； t材料厚度(mm)，2mm。系数 Kp是考虑到冲裁模刃口的磨损、 凸模与 凹模间隙之波动(数值的变化或分布不均)、润滑情况 、材料力学性能与厚度公差的变化等因素而设置的安全系数，一般取 1.3。 当查不到抗剪强度时，可用抗拉强度b代替，而取Kp1的近似计算法计算。当上模完成 一次冲裁后，冲入凹模内的制件或废料因弹性扩张而梗塞在凹模内，模面上的材料因弹性 收缩而紧箍在 凸模上 。为了使冲裁工作继续进行，必须将箍在凸模上的材料料刮下 ,将梗塞在凹模内的制件或废料向下推出或向上顶出。从凸模上刮下材料所需的力，称为卸料力 ；从凹模内向下推出制件或废料所需的力，称为推料力；从凹模内向上顶出制件需的力，称为 顶件力 。影响卸料力、推料力和 顶件力 的因素很多，要精确地计算是困难的。在实际生产中常采用经验 公式计算： 卸料力FQF=0.0452015.16=93.3822KN (2) 推料力FQ1n1F=0.0632015.16=130.73508KN (3) 顶件力 FQ2KF=0.082015.16=166.0128KN (4)图 3.5 工艺力示意图式中 P冲裁力(N)； K卸料力系数，其值为0.020.06(薄料取大值， 厚料取小值)；0.045 K1推料力系数，其值为0.030.07(薄料取大值， 厚料取小值)；0.063 K2 顶件力系数，其值为0.040.08(薄料取大值， 厚料取小值)；0.08 n梗塞在凹模内的制件或废料数量(nh/t); h直刃口部分的高(mm)；t材料厚度(mm)。卸料力和顶件力还是设计卸料装置和弹顶装置中弹性元件的依据。 压力机公称压力的选取 冲裁时，压力机的公称压力必须大于或等于冲裁各工艺力的总和。 采用刚性卸料装置和下出件的模具时： 冲裁工艺力=冲裁力+卸料力+推件力；冲压模具压力中心的确定 模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为了确保压力机和模具正常工作，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。对于带有模柄的冲压模，压力中心应通过模柄的轴心线。否则会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨之间产生过大的磨损，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。 冲模的压力中心，可按下述原则来确定： （1）对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。 （2）工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。 （3）形状复杂的零件、多凸模的压力中心可用解析计算法求出冲模压力中心。 解析法的计算依据是：各分力对某坐标轴的力矩之代数和等于诸力的合力对该坐标轴力矩。求出合力作用点的座标位置 O0(x0, y)，即为所求模具的压力中心。计算公式为： （6） （7）综上O0=(855,245)3.2 拉深拉深（又称拉延）是利用拉深模在压力机的压力作用下，将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法。它是冲压基本工序之一，广泛应用于汽车、电子、日用品、仪表、航空和航天等各种工业部门的产品生产中，不仅可以加工旋转体零件，还可加工盒形零件及其它形状复杂的薄壁零件，可分为不变薄拉深和变薄拉深。前者拉深成形后的零件，其各部分的壁厚与拉深前的坯料相比基本不变；后者拉深成形后的零件，其壁厚与拉深前的坯料相比有明显的变薄，这种变薄是产品要求的，零件呈现是底厚、壁薄的特点。在实际生产中，应用较多的是不变薄拉深。图3.6拉延模具结构装配图3.2.1油底壳的拉深工艺分析3.2.1.1对拉深件形状的要求 (1)设计拉深件时，应明确注明必须保证的是外形还是内形，不能同时标往内外形尺寸。 (2) 尽量避免采用非常复杂的和非对称的拉深件。对半敞开的或非对称的空心件，应能组合成对进行拉深，然后将其切成两个或多个零件。(3) 拉深复杂外形的空心件时，要考虑工序间毛坯定位的工艺基准。 (4) 在凸缘面上有下凹的拉深件，如下凹的轴线与拉深方向一致，可以拉出。若下凹的轴线与拉深方向垂直，则只能在最后校正时压出。 3.2.1.2对拉深件的圆角半径和拉深件精度的要求 (1)为了使拉深顺利进行，拉深件的底与壁、凸缘与壁、盒形件的四壁间的圆角半径应满足否则，应增加整形工序。(2) 一般情况下不要对拉深件的尺寸公差要求过严。其断面尺寸公差等级一般都在 ITll 以下。如果公差等级要求高，可增加整形工序。 3.2.2拉深工艺力的计算（a）压边力的计算 解决拉深工作中的起皱问题的主要方法是采用防皱压边圈。至于是否需要采用压边圈，可按表 3.2.2.2.1 的条件决定。 压边力是为了防止毛坯起