汽车电机外壳冲压工艺及模具设计说明书

- 1 -目 录1 前言 .32 工艺方案的制定 .42.1 零件的工艺性分析 .42.1.1 汽车电机外壳工艺性分析 .42.1.2 毛坯尺寸计算 .52.1.3 工艺方案的制定 .72.1.4 确定拉深系数与拉深次数 .112.1.5 工序件尺寸的确定 .113 落料拉深复合模的设计 .153.1 冲压工艺的计算 .153.1.1 排样方案 .153.1.2 计算冲压压力 .153.1.3 计算模具压力中心 .173.1.4 计算模具刃口尺寸 .173.2 落料、拉深复合模主要零部件的设计 .203.2.1 落料凹模 .203.2.2 拉深凸模 .213.2.3 压边圈设计 .213.2.4 凸凹模的设计 .223.2.5 卸料板的设计 .233.2.6 垫板的设计 .233.2.7 推件装置的设计 .243.2.8 定位零件的设计 .243.2.9 冲模闭合高度的确定 .243.2.10 模架的设计 .253.2.11 压力机的选取 .253.2.12 模柄的选取 .263.2.13 模具材料的选用 .264 第二次拉深模具的设计 .274.1 二次拉深模的方案设计 .274.2 拉深力和压边力的计算 .274.2.1 拉深力的计算 .274.2.2 压边力的计算 .284.2.3 总压力的计算 .284.3 拉深模工作部分尺寸计算 .284.4 拉深模零件的设计与选用 .294.4.1 压边圈的选用 .294.4.2 凹模的尺寸 .29- 2 -4.4.3 凸模的尺寸 .294.4.4 模座设计 .304.4.5 压力机的选取 .304.4.6 模柄的选取 .304.4.7 模具材料的选用 .305 第三套模具设计 .315.1 三次拉深模的方案设计 .315.2 拉深力和压边力的计算 .315.2.1 拉深力的计算 .315.2.2 压边力的计算 .325.2.3 总压力的计算 .325.3 拉深模工作部分尺寸计算 .325.4 拉深模零件的设计与选用 .335.4.1 压边圈的选用 .335.4.2 凹模的尺寸 .335.4.3 凸模的尺寸 .335.4.4 模座设计 .345.4.5 压力机的选取 .345.4.6 模柄的选取 .345.4.7 模具材料的选用 .346 第四套模具设计 .356.1 四次拉深模的方案设计 .356.2 拉深力和压边力的计算 .356.2.1 拉深力的计算 .356.2.2 压边力的计算 .366.2.3 总压力的计算 .366.3 拉深模工作部分尺寸计算 .366.4 拉深模零件的设计与选用 .366.4.1 压边圈的选用 .366.4.2 凹模的尺寸 .376.4.3 凸模的尺寸 .376.4.4 模座设计 .376.4.5 压力机的选取 .386.4.6 模柄的选取 .386.4.7 模具材料的选用 .387 结 论 .39参 考 文 献 .40- 3 -1 前言模具是成型不同形状的一种特殊装置，由于物品所采用的材料不同，模具成型的方法也是方法各异，一般将模具成型分为冲压成型、压铸成型、注塑成型、吹塑成型、橡胶模具成型和玻璃模具。模具在汽车行业、家用电器、冶金机床行业等机械制造行业中占有极其重要的作用。模具生产和机械切削加工相比具有材料利用率高，能耗低，生产效率高，周期短和成本低等特点。从 20 世纪 80 年代开始，在发达国家的模具行业，已经从机床行业中分离出来了，并发展成为一种独立的行业部门，其年产值已经超过机床行业的的产值。自改革开放以来，我国的模具行业突飞猛进，近年来一直以 15%的速度迅速发展，并且在一些高等院校中也设置了模具专业课程，培养了大批高等模具技术人才。 当前，为了提高对市场快速反应能力提高互换性，大力采用模具标准件，并行工程和快速原型技术得到广泛推行。计算机的应用，模具行业也研制推广了CAD/CAM 技术、RPM 技术、气辅注塑技术先进制造技术。模具设计必然成为推动模具发展技术关键因素。大量统计表明设计费用占成本的 15%，但设计却决定了产品总成本好坏的 70%，可以说设计成为制约产品成功与否的根本因素。激烈的市场竞争中，必须采用现代的设计方法。模具行业的计算机软件 CADCAM、UG、PRO/E 等应运而生。但我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国发经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竟争激烈。自 1999 年以来产值呈逐年递增趋势，年增长率均在 12%以上；其次，我国模具产品进口金额的增幅有逐年下降的趋势，出口比例逐年加大（尤其是 2002 以来）进出口比例正逐步趋向合理，2005 年达到 0.36。然而，与需求相比，中国模具工业明显供不应求，自 2002 年以来，贸易逆差均在 10 亿美元以上，致使我国仍为世界上模具年净进口量较大的国家。在信息化带动工业化发展的今天，我国冲压模具行业水平必须尽快提高。在国家产业政策的正确引导下，通过改革开放，采取各种有效措施，把技术创新和管理创新放在首位，我国冲压模具也不断提高水平，与世界先进水平的差距也是逐渐缩小。- 4 -2 工艺方案的制定2.1 零件的工艺性分析2.1.1 汽车电机外壳工艺性分析电机的机壳和机盖决定了该电机中定子和转子的相对位置，是组成电机的关键零件。机壳和机盖制造品质的好坏直接影响到电机的输出功率、运行噪声和发热等电机的性能。图 2-1 是某车启动电机外壳的零件图，材料为 08T 钢，厚度为 2mm。电机壳的内筒壁上装有定子并支撑着装有转子的轴轴承。因为电机的定子和转子的间隙较小且较均匀，所以零件头部的轴承室和内筒壁的尺寸精度以及两处的相对位置精度较高。该零件属于带小法兰的筒形拉伸件，通过拉深加工而成。关键是确定拉深次数与拉深系数，08T 钢属于普通碳素结构钢，含碳量低，塑性、韧性较好，抗剪强度为 260-360Mpa，抗拉强度为 330-350Mpa，有利于拉深成型加工。材料 牌号 材料状态 抗剪强度MP抗拉强度MPa伸长率 /%屈服强度a/MPa优质炭素结构钢08F 退火 260310 280390 32 180- 5 -图 2-1 汽车电机外壳2.1.2 毛坯尺寸计算由图 2-1 的零件图可知，该零件的坯料为圆形板料。因为在此制件的拉深过程中并不是变薄拉深，所以可以根据面积不变的原则来计算毛坯的面积。一般的拉深件，在拉深成形后，工件口部或凸缘周边不齐，必须进行修边，以达到工件的拉深- 6 -要求。在计算此制件的毛坯尺寸时需加上修边余量。因为凸缘直径 d =196mm，中径 d=146mm， =1.34 由表 2-1 可查取修边余量 。t dt 表 2-1 有凸缘圆筒形拉深件的修边余量凸缘相对直径 dt凸缘直径 dt 5.1-25.1-2.525.2252550501001502001.82.53.55.01.62.03.04.21.41.82.53.51.21.62.22.7由上表可查出 =5.0。此制件为形状简单的旋转体拉深件，在计算其毛坯直径时，首先将拉深件划分成若干个简单的几何形状，如图 2-2 所示，分别求出各部分的面积并相加。即得到工件面积 A。图 2-2 简单几何形状- 7 -（1） a = = 1768 1214d214964.32m（2.1） 式中 ： d圆环的外直径 ；md 圆环的内直径 ；1（2） a = =5665 （2.2）2rd42式中 ： r球环半径 ；md球环外直径 ；（3） a = = 20498 （2.3） 3423016h42m式中： d筒形件的中径 ；mh筒形件的分段高度 ；(4) a = 8rh= =228804132084综上：A=a +a +a =1024.4+1519.4+20498=184538123 2m毛坯面积为 A ,按毛坯相等的原则，故 A =A。所以毛坯直径为：0 0D= =440mm 4（2.4）所以，毛坯的直径为 440mm。2.1.3 工艺方案的制定经过对零件毛坯尺寸的计算得知，其坯料可定直径为 440mm 的圆形毛坯。经过以上分析和计算，可以进一步明确，该零件的冲压加工包括以下基本工序为落料及拉深。此工件的成形工艺可以有以下几种方案：1、落料第一次拉深第二次拉深第三次拉伸第四次拉伸卷边整形2、落料拉深复合第二次拉深第三次拉深第四次拉深及卷边整形3、落料拉深复合第二次拉深第三次拉深第四次拉深卷边整形- 8 -分析三种方案：方案一：将落料和拉伸、卷边工艺分开，这样所需单工序模具结构简单，制造方便，但由于增加了冲压工序，增加了成本，率低了生产效，且在第一道工序完成后，进入第二道工序必然会增大误差，使工件精度、质量有所降低，不能到所需的要求。方案二：落料首次拉深采用复合模 ,较方案 (1) 生产效率有所提高，复合模冲件精度较高，表面比较好，受送料误差影响较小。不过也存在一定的问题，凸凹模壁厚或内形与内形间的壁厚的要求比较高，以免影响强度。方案三：复合模类似，但增加了冲压工序和生产成本，降低了生产经济型。通过对上述三种方案的分析，最终选用方案二：落料拉深、第二次拉深、第三次拉深、第四次拉深及整形。各步工序图如下：（1）零件的排样图，如图 2-3 所示搭边的最小宽度大于塑变区宽度，由板厚 2.0mm 查表 2-2 得，沿边搭边为1.5mm，工件间搭边为 1.8mm。表 2-1 搭边 a 和 a 的数值1材料厚度t/mm圆件 矩形件工件间 a1侧边 a 工件间 a1侧边 a1.21.6 1.0 1.2 1.2 1.51.62.0 1.2 1.5 1.8 2.52.02.5 1.5 1.8 2.0 2.2图 2-3 简单几何形状（2）第一步工序图，如图 2-4 所示：- 9 -图 2-4 落料拉深工件图（3） 第二步工序后的制件图，如图 2-5 所示：图 2-5 二次拉深工件图- 10 -（4）第三部工序后制件图：如图 2-6 所示，图 2-6 三次拉深工件图（5）第四部工序后的制件图，如图 2-7 所示，图 2-7 拉深整形后工件图- 11 -2.1.4 确定拉深系数与拉深次数4.135.4697dt（2.5）式中：d 法兰的外直径；td直筒外径；由上式知部件是窄法兰边，可以当作直筒件来拉深，只是在倒数第二道工序拉深出法兰边或锥形口，最后一道工序中整形。毛坯的相对厚度为： 45.01420Dt（2.6）式中：t毛坯的厚度；D毛坯的直径；总拉深系数为：m 总 = 3.0416d（2.7）式中：d直筒直径；D毛坯的直径；表 2-2 由坯料的可初步确定拉深系数的范围 m：拉深系数毛配相对厚度 10tM1 M2 M3 M421.5 0.480.50 0.730.75 0.760.78 0.780.800.60.3 0.550.58 0.780.79 0.800.81 0.820.83判断们否一次拉伸：在生产实践中，太凸缘圆筒形件的拉深次数使用极限拉深系数来判断。就是首先计算出拉深系数 m 值，然后再与极限拉伸系数 m1的只想比较，若 m 总 m,则表明可以一次拉深，否之则需要多次拉伸。经计算 m 总 m1，所以工件不能一次拉深成型。查表 2-2 得，试取 m1=0.58 m2=0.79 m3=0.81 =0.83m1 m2 m3 m4= 0.58 0.3 m 总83.0179. 此制件可在四次拉深后完成。- 12 -2.1.5 工序件尺寸的确定各次拉深后工件的直径尺寸为：d = m1 D=0.58 =255.2 （mm）4025d = m2 d =0.78 255.2=199.06 （mm）19d = m3 d =0.81 199.06=161.24 （mm）6d = m4 d =0.83 161.924=133.83 （mm）3计算各次拉深工序后工件圆角半径：拉深时，平面凸缘区材料经过凹模圆角流入凸、凹模间隙。如果凹模圆角半径过小，则材料流入凸、凹模间隙时的阻力和拉深力太大，将使拉伸件表面产生划痕甚至使危险断面破裂；如果圆角半径过大，则材料在流经凹模圆角时会产生起皱。首次拉深的凹模圆角半径可由表 2-3 选用。表 2-3 首次拉深的凹模圆角半径 r 1d毛坯相对厚度 0Dt拉深方式2.01.01.00.30.30.1无凸缘件拉深带凸缘件拉深（46）t（610）t（68）t（1015）t（812）t（1520）t由上表可查取：r =（68）t=12161d取 r 16mm以后各次拉深的凹模圆角半径可按下式取值： （2.8）r =（0.60.8）r （i=2，3，n）di 1di由上式计算得：r =（0.60.8）r =9.612.82取：r =12mmdr =（0.60.8）r =7.29.632d取:r 9mmdr =（0.60.8）r =5.47.243d- 13 -取：r =7mm4d拉伸时，若凸模圆角半径过小，拉深过程中危险断面易产生局部变薄，甚至被拉破。凸模圆角半径过大，拉深时底部材料的承压面积小，容易变薄。首次拉深的凸模圆角半径为 r =（0.71.0）r 11.216 1p1d（2.9）取 r =14mm1p中间各次拉深的凸模圆角半径由下式计算：r =0.5（d -d -2t） 1pi1ii（2.10）凸模圆角半径已凹模为基准，也可以用公式：（2.11）traT76.0所以 r =13mm； r =12mm；r =112p3p4p计算各次拉深后半成品的底角半径：r = r + i pi2t（2.12）r =14mm1r =13mm2r =12mm 3各次拉深后工件的高度尺寸为：h =0.25 +0.43 112dD1132.0rdr（2.13）=0.25 432.05243.0254=140mmh =0.25 2 2223.043.0rdrdD- 14 -（2.14）=0.25 132.09134.09142 =199.18mmh =0.25 3 3332 2.04.0rdrdD（2.15）=0.25 12.0614.0612 =265.3mmh =0.25 （2.16）4 4442 32.03.0rdrdD=0.25 1.1.12 =300mm式中： h ，h ，h ，h 各次拉深半成品的拉深高度；1234d ，d ，d ，d 各次拉深半成品的直径；D毛坯直径；- 15 -3 落料拉深复合模的设计第一道工序选用复合模结构，能在压力机一次行程内，完成落料及拉深两道工序。减少了模具数和工序数，可以提高生产效率。在做完这些工序的过程中，冲件材料无需进给移动，不受送料误差的影响，精度较高。常见的复合模结构有正装和倒装两种。因为正装对薄冲件能达到平整要求，而且废料不会在凸凹模孔内积聚，每次由顶杆打出，可减少孔内废料的涨力，有利于凸凹模减少壁厚，所以选择正装复合模。3.1 冲压工艺的计算3.1.1 排样方案冲裁件在条料上的布置叫排样。合理的排样充分利用材料就有重大意义。其排样的经济程度用材料的利用率 K 来表示：= （3.1）10oAna%10452式中： K材料利用率 ( % )冲裁条料的面积（mm ） ；oA2n调料上生产的冲件数目；a每一冲件面积（mm ） ；23.1.2 计算冲压压力（1） 、落料时冲裁力可以按公式计算：F 落 =KLt =1.3 310241.3（3.2）=1113.57kN式中：k安全系数，选择压力机吨位是一般选取 1.3；L冲裁件的轮廓长度，L= （mm） ；Dt材料厚度（mm） ；- 16 -材料的抗剪强度，08T 钢为 310MPa；（2） 、第一次拉深力的计算：F 拉 = =3.14 255 2 350 0.9 1ktdb（3.3）=504.44kN式中：d 筒形件第一次拉深的直径，根据料厚中线计算（mm） ；1t材料厚度；材料的抗拉强度，此处取 350 Mpa；bk 系数，查表取 0.9；1（3） 、推料力的计算：F 推 =nK 推 F 落 =1 0.055 1113.57 （3.4）=61.25 kN式中：F 落- 推料力（N）K 推 推料力系数，查表为 0.055；n卡在凹模内料的个数；（4） 、卸料力的计算：F 卸 =K 缷 F 落 =0.06 1113.57 （3.5）=66.81 kN 式中：K 缷 卸料力系数，查表为 0.06；F 落 落料时冲裁力；（5） 、压边力的计算：因为 ，所以应该使用压边圈。45.01420Dt .F 压 = = （3.6）P215.232=252.33 kN 式中：D 落料凹模的外径尺寸；1D 拉深凹模的外径尺寸；2- 17 -P单位压边力，此处依经验取 2.5；F 总 = F 落 + F 拉 + F 推 + F 卸 + F 压=1113.57+504.44+61.25+66.81+252.33=1998.36 kN3.1.3 计算模具压力中心因为制件的外形对称，且毛坯为圆形板料，所以模具的压力中心在坯料中心处。3.1.4 计算模具刃口尺寸（1） 、落料凸、凹模的刃口尺寸在冲裁过程中，凸凹模的刃口尺寸及制造公差直接冲裁件的尺寸精度。落料时落料件的外径尺寸等于凹模的内径尺寸，所以落料模应以凹模为设计基准，间隙由减小凸模的尺寸来取得。因为在冲裁过程中，凹模半径越来越小，凸模半径越来越大，所以在设计凸、凹模时应选取最小的合理冲材间隙。冲裁间隙可由表 3-1 选取。表 3-1 冲裁模初始双面间隙08、10、35、Q235、9Mn2V材料厚度 mtZminZmax1.752.02.10.2200.2460.2600.3200.3600.380由上表可查取 Z =0.246 Z =0.360minmax以分开加工的方法计算刃口尺寸，计算刃口尺寸时需先查取制造公差 、 值。pd制造公差 、 值可由表 3-2 查取。pd表 3-2 冲裁时的制造公差基本尺寸 凸模公差 p凹模公差 d- 18 -303080801201201800.0200.0200.0250.0300.0250.0300.0350.040由上表可查取 =0.030 =0.040pd因为 ，所以符合分开加工的条件。此零件的公差等级为minaxZdpIT14 级，公差 =0.74mm。落料凹模的刃口尺寸为：D =（D - ） dmaxd0（3.7）=（440+0.74-0.5 ）74.00.=440.37 04.落料凸模的刃口尺寸为：D =（D - Z ）=（D ） pdminminaxZ0p（3.8）=（440+0.74-0.5 ）246.07.03.=440.124 036.式中：D 、D 分别为凸模、凹模的基本刃口尺寸；pdD 落料件的最大极限尺寸；max 落料凹模的制造公差， （mm） ；d 落料凸模的制造公差， （mm） ；p 磨损系数，其值在 0.51 之间，取系数 x=0.5；x 工件的制造公差， （mm） ；Z 最小合理间隙， （ mm） ；min（2） 、拉深凸、凹模的刃口尺寸拉深模的凸、凹模间隙对拉深件质量和模具寿命都有重要的影响。间隙取- 19 -值较小时，拉深件的回弹较小，尺寸精度高，但拉深力较大，凸、凹模磨损较快，模具寿命低。间隙值过小时拉深件的筒壁将严重变薄危险断面容易破裂。间隙取值较大时，拉深件筒壁的锥度较大，尺寸精度低。因此，拉深模的设计须选取合适的凸、凹模间隙。凸、凹模间隙可由表 3-3 查取。表 3-3 拉深凸、凹间隙总拉深次数3 4各次拉深的凸、凹模间隙mm1 2 3 1、2 3 41.2t 1.1t 11.05t 1.2t 1.1t 11.05t由表 3-3 可查取第一、二次拉深的凸、凹模间隙为：Z 1.2t=2.4mm ；2.1第三次拉深的凸、凹模间隙为为：Z =1.1t=2.2mm；3第四次拉深的凸、凹模间隙为为：Z =11.05t=22.1mm ；4对于电机外壳这种以内形尺寸为主的拉深件应当以凸模为基准，先确定凸模的工作尺寸，然后通过增大凹模尺寸保证凸、凹间隙。在计算拉深凸、凹模的工作尺寸时，首先在表 3-4 中查取拉深凸、凹模的制造公差。表 3-4 拉深凸、凹模制造公差拉深件直径 d/mm2020100材料厚度 t/mm dpdp5.100.040.060.020.040.050.