零件外壳冲压工艺分析及模具设计

零件外壳冲压工艺分析及模具设计摘要：在这次设计中充分利用了所学的知识并且查阅了大量的参考书，对冲压技术的发展、分类以及特点做了简单的阐述。利用CAD软件画出零件的二维草图，以加深对冲压零件的了解。本文主要是落料拉伸复合模和拉伸模的设计：通过对工件的结构和尺寸的分析以及零件精度的确定，提出几种可行的设计方案，通过对比选出最合适的工艺方案。计算毛坯尺寸，确定排样方法、搭边值以及材料利用率等。计算冲裁模工作部分尺寸以及冲压力，为选择冲压设备提供依据，然后选取主要零部件和标准件。最后进行模具各零部件的组装，在组装的过程中充分认识各零件的配合，工作过程中它们之间的联系以及所要注意事项，以防出现不该出现的问题。本文所设计的高扁圆结构简单，可操作性强，对以后类似的零件设计具有很重要的参考价值。关键词：模具设计工艺方案冲压StampingProcessAnalysisandDieDesignofShellPartsAbstract:Ihavemadefulluseofthelearnedknowledgeandaccesstoalargenumberofreferencebooksduringthisdesign,andmadeasimplepointofthedevelopment,classificationandcharacteristicsofstampingtechnology.IalsousedCADsoftwaretodraw2dsketchoftheparts,whichcandeepourunderstandingofthestampingparts.Thisarticlemainlyexplainedthedesignofcompoundblankingdieanddrawingdie:throughtheanalysisofthestructureandsizeoftheworkplaceandtheprecisionoftheparts,wecanputsforwardseveralfeasibledesignscheme,andbycomparingthoseschemewecanselectthemostsuitable.ThenCalculatetheblanksize,determinethelayoutmethodandboundaryvalueaswellascalculatematerialutilization.Calculatingtheworkingpartssizeandbluntpressureofthedie,whichcanprovideabasisforselectingstampingequipment.Andthenselectthemainpartsandstandardparts.Thelastpartistoassembleallthepartsofthemold,duringwhichwecanfullyrecognizethecoordinationofallpartsandtheworkingrelationamongthemaswellasthemattersneedingattention,andsothatwecanavoidthewrongproblem.ThehighflatstructurethatdesignedInthispaperissimple,andthemaneuverabilityisstrong.Soithasveryimportantreferencevalueforlatersimilarpartsdesign.Keywords:StampingMoldDesign,ProsessProgram,Stamping目录摘要.ABSTRACT.1前言.12工艺方案.22.1工艺性分析.22.1.1拉深件结构.22.1.2拉深件变形特点.22.1.3拉深件材料.22.1.4拉深件精度.32.2设计方案的确定.32.2.1初选工艺方案.32.2.2工艺方案分析.32.2.3工序数量确定.43工艺设计.53.1中间工序过渡形状分析.53.1.1工艺分析.53.1.2确定整形尺寸.53.1.3整形前工序的计算.63.1.4n-2次拉深的计算.83.2确定排样、裁板方案.93.2.1排样的概念.93.2.2排样原则.93.2.3排样方法.93.2.4材料的利用率的计算.103.2.5压力中心的确定.113.3落料拉深工艺力的计算.113.3.1冲裁力.11I3.3.2卸料力.123.3.3拉深力.123.3.4压边力、推件力、顶件力.123.4二次拉深时的拉深力、压边力、推件力、顶件力计算.133.4.1二次拉深力.133.4.2压边力.143.4.3推件力.143.4.4顶件力.144压力机的选择.154.1落料拉深工序.154.1.1压力机选择.154.1.2拉深功.154.1.3压力机电动机功率.154.1.4功率校核.164.2二次拉深工序压力机的选择.165落料、拉深模具设计.185.1落料、拉深复合模结构设计.185.1.1模具工作部分尺寸的计算.185.2二次拉深即n-1次（整形前）拉深模结构设计.195.2.1凸凹模圆角半径.195.2.2凸、凹模间隙.205.2.3凸、凹模径向尺寸计算.205.2.4拉深凸凹模外形设计.216冲模零件设计.236.1概述.236.1.1冲模零件分类.236.1.2冲模零件的标准.246.2落料拉深复合模工作零件.246.2.1落料凹模.246.2.2凸凹模（落料凸模、拉深凹模）.25II6.2.3拉深凸模.266.3落料拉深定位零件.276.3.1定位原则.276.3.2导料销和挡料销.276.4落料拉深压料、卸料及推（顶）件装置.286.4.1压料(卸料）、顶杆.286.4.2推件装置.306.5落料拉深导向零件.306.5.1导柱导套.306.6落料拉深模固定零件.326.6.1模柄.326.7落料拉深模模架.336.7.1下模座、上模座.336.8螺钉、销钉的选择.356.9二次拉伸工作零件.356.9.1拉深凸模.356.9.2拉深凹模.366.10二次拉深压料、卸料装置.376.10.1压边圈、顶杆.376.11模柄、固定板.386.11.1模柄.386.11.2凸模固定板.396.12拉深模模架.406.12.1下模座.406.12.2上模座.406.13拉深模导向零件.416.13.1导柱导套.416.14橡胶.437模具总装图和压力机的校核.457.1落料拉深模.457.2二次拉伸模.46III7.3压力机校核.477.3.1落料拉深.477.3.2二次拉深.47结论.48参考文献.49致谢.50IV01前言在自然的常温环境下，通过冲压模具在相应的冲压设备作用下，对各种材料包括金属、非金属以及合金材料，采用冲裁切割分离或加压产生塑性变形的工艺方式，获得符合产品设计或工艺要求的一定结构形状、尺寸大小、技术质量要求的制品的工艺方式，叫做冷冲压1。在日常生产实践中所用到的冲压成型方式多种多样，虽然生产工序叫法或名称不一样，但他们的实质都一样，都是一块板料通过外力的作用下，按照规定的要求发生不可恢复得塑性变形，主要时通过模具和压力机使材料产生变形，与别的切屑等机床加工相比，在经济和技术方面由以下特点：冲压件的尺寸主要时通过模具来确定，所以生产出的产品互换性强、质量好；采用模具加工能加工出表面质量高、重量轻形状复杂、刚性好的零件；冲压加工比切屑加工安全，生产环境好还可以节约金属；生产效率高，通过对压力机的改进可以大大提高生产效率，达到经济的最大化；由于冲压加工有点多，所以在各个生产领域被广泛使用，例如机械、电子、航空、交通等都使用冲压加工。虽然冲压工艺被广泛使用在各个领域，但也存在一些缺点，比如噪声大、震动、模具成本高等，随着科技的不断进步这些缺陷也慢慢的得到了改进。随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，冲压工艺和冲模技术也在不断的革新和发展；冲压工艺技术在当今主要的发展方向和动向主要有：工艺分析计算的现代化，冲压工艺技术与现代数学、计算机技术的联合，对于各种复杂的曲面零件（如覆盖件）进行计算机模拟和有限元分析，预测某一工艺方案对零件成型的可能性和成型过程中将会出现的问题，供设计人员进行修改和选择；模具计算机辅助设计、制造与分析的研究和应用，将极大提高模具制造效率与模具的质量，使模具设计与制造技术实现CAD/CAE/CAM一体化；冲压生产的自动化，为了满足大量生产的要求，冲压生产已经向自动化、无人化方向发展；为了适应市场经济需求，大批量与多种小批量生产共存；与材料科学结合，不断改进板料性能，以提高其成型能力和使用效果2。12工艺方案2.1工艺性分析不管冲压零件的外形尺寸和几何形状如何变化，冲压零件都需要经过从原材料到毛坯，然后再经过各种各样的工序对坯料进行冲压加工以及一些辅助的热处理和表面的处理工序，最后达到图纸所要求的零件。而冲压件的工艺性是指冲压过程中的难易程度。冲压件的工艺性分析是非常重要的环节，分析的好坏直接影响冲压件的质量、冲压成本、生产效率以及模具的寿命，甚至影响整个工艺方案的确定。所以在设计过程中要尽可能的优化工艺性。2.1.1拉深件的结构图1所示的零件称为扁圆形零件，它是由两端的半圆弧以及中间的两个直壁构成，扁圆形又可看成是由圆形在直径上分开的两个半圆沿分开方向延伸而成的3。拉伸部分结构比较简单对称，零件厚度比较薄尺寸比较小。拉深件底部与壁的圆角半径R=0.2mm,凸缘与壁的圆角R=0.2mm。2.1.2拉深件变形特点在扁圆形拉深件的圆弧部分变形比较激烈，变形较大；但在扁圆形的直壁部分变形不叫缓和，变形较小；所以在变形过程中，变形沿变形区的周长分布是不均匀的，这是圆筒形零件拉深变形的不同之处；由于变形不均匀，在变形较小的部分对变形较大的部分由减轻作用；又由于两部分的位移速度不同，变形小的部分又可使变形打的部分传力区的拉应力减小因而这类零件的极限变形程度大于圆筒形件的变形程度4。2.1.3拉深件的材料该拉伸件所用的材料为软黄铜(H62M)，查【1】表1-26得，软黄铜的屈服2强度s=380MPa，抗拉强度b=300MPa。软黄铜具有强度高、硬度大，较强的耐磨性和较大的抗化学腐蚀性能，所含杂质较少比较纯净具有外形美观的特点，冲压性能较好，冷加工性能较突出。由于材料塑性较好，材料拉伸性能所以具有良好的拉伸性能，易于成型。2.1.4拉深件精度拉深件任务书上未注明尺寸公差，默认为IT14级，普通拉伸能满足零件的精度要求。2.2设计方案的确定确定工艺方案就是确定工艺路线，主要包括冲压工序数，工序的组合和顺序等,确定合理的冲裁工艺方案应该在正确的工艺分析基础上，根据冲裁件的生产批量、尺寸精度的高低、尺寸大小、形状复杂程度、材料的厚薄、冲压设备条件与冲模制造条件等多方面因素，拟定出多种可能的不同工艺方案进行分析与研究，比较其综合的经济技术效果，选择一个合理的冲压工艺方案5。2.2.1初选工艺方案根据对零件图工艺性分析，充分考虑每道工序的可能性和实用性可知零件加工所要经过的工序包括落料、多次拉伸、整形、切边等。该工件落料、拉伸、整形、切边四道工序，工艺方案可如下方案一：先落料、再拉伸、二次拉伸、整形、最后切边采用单工序模生产。方案二：落料拉伸复合、二次拉伸、整形、切边。用复合模和单工序模。2.2.2工艺方案分析方案一：模具结构比较简单，容易加工但工序比较多，步骤比较繁琐，需要落料模、两套拉伸模、整形模、切边模五副模具生产效率、成本比较高、不适合零件大批量生产的要求。3方案二：所需模具数量较少，冲压件的精度有所提高，而且生产效率比较高。但是模具比较复杂，冲压件外形比较简单且对称，所以制造模具还是比较容易的。通过对两方案的分析比较，最后选择第一套方案。2.2.3工序数量确定确定工序数量的原则：在保证零件所要求的条件下，充分考虑生产效率、经济效率，应该尽量减少工序数量。43工艺设计3.1中间工序过渡形状分析高扁圆形多次拉伸的成败关键在于选择合适的中间工序半成品的过度形状与尺寸，合适的过渡形状与尺寸，应该是使变形区的变形沿其周边分布基本均匀；对于高扁圆形件多次拉伸，合适的过渡形状有两种，分别是圆形过渡和椭圆形过渡，所谓圆形过渡就是经过圆筒形件的多次拉深，在最后将圆筒形件拉深成扁圆形6。3.1.1工艺分析材料厚度t=0.3mm，材料为H62M，高扁圆高度H=19mm，俯视图由两个半径R=4的两个半圆组成和长为10.3mm，宽为8mm的长方形组成；凸缘与底部过渡圆角半径R=0.2mm，拉深时过渡部分容易拉裂，故决定增加整形工序。3.1.2确定整形尺寸1）切边前拉伸高度H0H0=1.1H=191.1=20.9（3-1）2）原始数据相对高度（3-14.3892A2）相对宽度（3-3）6.ry相对厚度100=100=3.75（3-4）B0t83X=0.22（3-5）A.14Ryn=3.7，An=17.7，Bn=7.4式中H零件高度5A零件长度B零件宽度t0零件厚度3）整形负间隙的确定：负间隙系数（直壁处）na=0.2，Za=(1-na)t0=0.80.3=0.24（3-6）nr=0Zr=t0=0.34）负间隙Za处的转换高度HaHa=(1-na)H0=0.820.9=16.72（3-7）5）选择过渡形状各种过渡形状对负间隙系数都有一定影响。椭圆过渡时，负间隙系数可取小些，圆形过渡时候应该取大些。根据条件1.140.9（3-8）AH0mx=0.8670.8（3-xyar14.7.04.19）ax=c+0.1式中axn-2次与n-1次长轴两端圆弧间的距离；c压边圈在长轴两端处的最小壁厚，查【2】表4-2-4，取c=0.6。决定采用圆形过渡圆形过渡形状的优点：简化模具设计与制造；便于自动送料；可提高变形效率，减少拉深次数7。6）由于过渡形状选择圆形，所以选择毛坯为圆形7）计算毛坯尺寸直边平面为负间隙，圆弧端为正间隙，且ry=0.5可忽略不计，所以D0=35.76取D0=36（3-)n1(2(27.14a002HBABH）10）8）计算相对厚度（3-83.0136.0t11）63.1.3整形前工序（n-1次）的计算1）采用椭圆形（图2-1）图2-1取mn=0.85（查【2】中表4-2-2）则ra=（3-4.85.073yR12）a=ra-Ryn=4.4-3.7=0.7（3-13）b=1.5a=1.50.7=1.05（3-14）An-1=An+2a=17.7+0.72=19.1（3-15）Bn-1=Bn+2b=9.5（3-16）7rb=（3-5.42r2r25.0a1na1n-BAA）（17）Za=t0=0.3Zr=（11.05）t0=0.30.31Hn-1=mnH0-0.5ryn（）（3-1mn218）=17.765-0.71=173.1.4n-2次拉深的计算（用压边圈）1）dn-2=An-1+2ax=19.1+20.45=20（3-19）ax=c+0.1（c查【2】中表4-2-4，取c=0.35）2）按圆形拉深计算图（2-2）8图2-21）查【3】中表4-2-1，取m1=0.57d1=m1D0=0.5736=20.5（3-20）比较d1与dn-2基本一致可确定拉深次数n=3Z1=（1.051.15）t0=0.320.35（3-21）rp1=0.2（dn-2-Bn-1）=0.2（20-9.5）=2.1（3-22）H1=（3-1201p0p120d4tr56.tr7.）（）（D23）132）用d1与An-1进行验算ax=（d1-an-1）/2=0.7（3-24）压边圈满足强度要求mx=0.8（3-9.0.452ar25）3）n-2次拉深凸模圆角半径rpn-2rpn-1=（0.50.7）rpn-2（3-26）代入数值可得rpn-2=1.05mm3.2确定排样、裁板方案3.2.1排样的概念冲裁件在板料上的布置方法称为排样。3.2.2排样原则9（1）尽量提高材料的利用率；（2）尽量减少工人的工作量，提高工人在生产过程中安全性，操作方便；（3）提高模具的使用寿命，简化模具结构；（4）排样最重要的是要保证冲裁件的质量，为后面工序做好铺垫。排样的工作内容主要包括选择排样方式；确定搭边值、计算条料宽度及送料步距、画出排样图，有必要时还要核算材料的利用率8。3.2.3排样方法根据材料的利用程度，排样方法主要有：有废料排样、少废料排样和无废料排样。无论是哪种排样，根据冲裁零件在条料上的布置方式，排样方式又可分为：搭边排、裁搭排、混合排、斜对排、直对排、斜排、直排等多种排列方式。考虑到操作方便，材料的利用率，所以采用少废料单排。搭边值的选择对冲裁件的质量影响非常大，较大的搭边值会浪费原材料，过小的压边还会把原材料拉入凸模和凹模的间隙，加大对模具的磨损，甚至磨损模具刃口尺寸。查表【3】可得搭边值：条料间隙a1=1.51.2=1.8工作间a=1.21.2=1.44进距h=D+a=36+1.44=37.44式中D-平行于送料方向的冲裁件宽度；a-冲裁件之间的搭边。条料宽b=（D+2a1）=36+21.8=39.6式中D-冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸；a1-冲裁件与条料侧边之间的搭边。选用板料规格：0.34004010图2-3排样图3.2.4材料的利用率的计算材料的利用率通常是通过一个步距内零件的实际面积与所用毛坯面积的百分率来表示：=（3-27）00201017.681bhbh）（DSS式中S1-一个步距内零件的实际面积；S0-一个步距内所需毛坯面积；h-送料步距；b-条料宽度。3.2.5压力中心的确定冲压力合力的作用点称为模具的压力中心并且与压力机滑块中心线重合，否则容易产生偏心力，导致滑块与模具不正常的磨损，降低工件精度，甚至损坏模具。由于所设计的工件为对称的盒形件，冲裁毛坯为圆形的，所以工件的压力中心与毛坯的几何中心重合。3.3落料拉深工艺力的计算11零件在冲压过程中所受到的各种力包括冲裁力、拉深力、推件力、压边力、顶件力、卸料力等叫做材料的工艺力。这些工艺力的计算是模具设计的重要环节，正确的工艺力对压力机的选择、模具的尺寸大小以及模具材料的选择、强度硬度的判断都是重要的前提。选择合适的工艺力也是提高安全性不可确实的因素。较小的工艺力达不到工件成型的要求，过得的工艺里可能会对工件造成一定的损坏，成为废品。3.3.1冲裁力冲裁力是选择压力机的主要标准，也是模具设计过程中必不可少的数据，冲裁力是指板材作用在凸模上的最大抗力，用板料作用在凸模上产生最大抗力而出现裂纹时的板料内剪切变形区的切应力作为材料的抗剪强度9。查表可知H62M的强度极限b=300MPa，根据【3】中式（3-15）计算可得冲裁力F冲=KLt（3-28）式中F-冲裁力（N）;L-冲裁件周长（mm）；t-板料厚度（mm）；-材料的抗剪强度（MPa），K-系数。是考虑到韧口钝化、间隙不均匀、材料力学性能与厚度波动等因数而增加的安全系数。常用K=1.3。代入数值求得F=101793.3.2卸料力冲裁时材料在凸模的作用下会产生弹性变形，在一般冲裁条件下，冲才完成后材料的弹性恢复使得落料或冲孔废料留在在凹模内，而板料则卡在凸模上，为了下一次冲裁运动的持续，必须将凸模肥料和凹模上的工件从凸凹模中推出。根据【3】中式（3-18）F卸=K卸F（3-1229）式中F-冲裁力；K卸-卸料力系数。K卸可由【3】中表3-8查取，当冲裁件形状复杂、冲裁间隙较小、润滑较差、材料强度高时应取较大值；反之取较小值10。K卸=0.020.06取K卸=0.04（3-30）代入数值得：F卸4073.3.3拉深力当筒形件有压边圈进行拉深时，拉深力可用下面公式：F拉=Kdtb（3-31）式中d-拉深件直径（mm）；t-料厚（mm）；b-材料的强度极限（MPa)；K-修正系数，与首次拉深系数有关。M越小，K越大。查【3】表6-11，可得K=0.93代入数值得F拉=0.9320.50.3400=71843.3.4压边力、推件力、顶件力1）压边力压边圈主要是为了防止在生产过程中拉伸件起皱得问题；施加在压边圈上的力叫做压边力，压边力大小应该适中，过大的压边力会使拉伸件在凸模圆角处断面过薄导致工件被拉裂，过小的压边力起不到防止工件被拉裂得作用11。压边力：F拉=APA=（3-4d21）（D32）13式中A-压边面积（）；2mP-单位面积上的压边力（MPa）。代入数值可得F压=17192）推件力F推=F拉K推（3-33）代入数值F推=359.23）顶件力F顶=F拉K顶（3-34）代入数值F顶=4004）压力机标称压力实际生产中可以按照下式初步确定拉深工序所需得压力机标称压力：FWP（1.82.0）（F拉+F压+F推+F顶）（3-35）该工件得拉深高度不高（Hn-2=12.9），因此FWP1.8（F拉+F压+F推+F顶）17KN由于复合模工作时落料工序与拉深工序是先后进行的，并未产生冲压力与拉深力的叠加按照冲压力与卸料力初选压力机的标称压力为：FWP1.25（F冲+F卸）16KN综合上述条件，初步选择所需压力机的标称压力FWP17KN待确定压力机型号后再校核。3.4二次拉深时的拉深力、压边力、推件力、顶件力计算。3.4.1二次拉深力拉深力F拉=KLtb（3-36）L=2a+4（a-b）（3-37）14式中K-修正系数，一般取0.50.8；t-坯料原始厚度（mm）；L-拉深件的断面周长（mm）；b-材料的强度极限（MPa）；a-拉深件断面椭圆长半轴长（mm）；b-拉深件断面椭圆短半轴长（mm）。代入数值可得F拉=70563.4.2压边力根据【5】中式5-11得F压=AP（3-38）式中A-为压料面积（）；2mP-单位面积压料力（MPa）。查【5】中表5-30，取P=3A=（3-189ab)2d(139）代入数值可得F压=5673.4.3推件力F推=F拉K推（3-40）代入数值得F推=4203.4.4顶件力F顶=F拉K顶代入数值F顶=430采用单动压力机拉深时，压边力与拉深力是同时产生的，压边力由弹性装置产生，所以计算总的拉深力应该把压边力包括在内。15F总=F拉+F压代入数值可得F总=7600综合考虑拉深时的各种力，初步确定所需压力机的标称压力FWP8000。4压力机的选择4.1落料拉深工序4.1.1压力机选择由于该工件为小型制作，且精度要求不高，所以选用偏心压力机，它具有操作方便、成本低安全性高的优点。根据总压力选择压力机，由前面算得的数据，压力机额定功率P额PW，滑块行程S2h工件=213=26mm，综合考虑压力机装模高度，以及最大闭合高度，查【7】表9-1提供的公称压力初选首次落料拉深压力机压力机型号为：J23-16。4.1.2拉深功拉深功可按【4】中式7-24计算：A1=（4-1）0hmaxF式中A1-拉深功（J）;Fmax-最大拉深力（N）；h-凸模工作行程（mm）；1-系数，与拉伸曲线有关，C值可取0.60.8，此处取0.7。则A1=80.309.12784.）（4.1.3压力机电动机功率压力机电动机功率可按【4】中式（7-29）计算：16即：Pw=（4-）（2136.750nA2）式中A1-拉深功；-不均衡系数，=1.21.4此处取=1.3；1-压力机效率，1=0.60.8此处取1=0.7；2-电动机效率，2=0.90.95此处取2=0.93；n-压力机每分钟行程次数。代入数值可得PW0.4KW4.1.4功率校核校核原理：如果所选取的压力机的电动机功率小于计算出来的理论功率，则选择更大规格的压力机。由压力机技术参数可知P额=1.5PW=0.4所以，所选择的压力机符合要求压力机主要技术参数如下：公称压力（KN）：160；滑块行程（mm）：55；滑块行程次数：120;1min最大闭合高度（mm）：220；最大装模高度（mm）：180；工作台尺寸（mm）：300450；垫板厚度（mm）：40;模柄孔尺寸（mm