三爪杯冲压工艺分析及模具设计

I三爪杯冲压工艺分析及模具设计摘要：随着世界的发展，人类的进步，在现代生活中人们对各种产品的需求越来越多，越来越广泛。而在生产制造中，模具的设计也显得越来越重要，并且经过几十年的发展，我国的冲压模具总量已位于世界前茅，无论是从加工技术还是装备的设计、保养、维修来讲，都已与世界先进水平并列。模具行业已成为我国工业发展中一门重要的行业，其中带凸缘筒形件的拉深是最基本、最典型的利用拉深模具成型的工件。本课题所设计的三爪杯的冲压工艺过程也是属于带凸缘筒形件的设计，本文主要是针对三爪杯成型工艺过程中的首次落料拉深和最后一道工序（切边冲孔）进行了模具的设计。在设计过程中主要是进行了工件工艺性的分析，坯料尺寸、压力中心、排样方法、裁板方案、拉深次数等的分析与确定，设计了模具主要零部件的规格以及相关尺寸的计算，最后完成的装配图的设计。关键词：冲压模具，带凸缘筒形件，拉深，模具设计IIThreejawcupstampingprocessanalysisanddiedesignAbstract：Withthedevelopmentofthesocietyandtheprogressofmankind,peoplesdemandforvarietyofproductshasbecamemoreandmore,moreandmorewidely.Thus,intheprocessofmanufacturing,moulddesignhasbeenmoreandmoreimportant,andfordecadesnow,theChinesegrossofDIELtopintheworld,whetherintheprocessoftechnologyorindesign,maintenceandrepairofequipments,ithasbeenincompanywiththewordsadvancedlevel.Mouldindustryhasbecameansignificantoneinthedevelopmentofindustryinourcountry.Amongthis,thedrawingofflangedcaskmouldisthemostbasicandtypicalworkpiecewhichusethedeepdrawingdietoformmould。Thestampingprocessofthethreejawcupdesignedbythistopicalsobelongedtothedesignoftheflangedcaskmould,theprimarilygistofthearticleistodesignthemouldfortheprocessofblankingdeepdrawingandthefinishingtouches(trimmingandpiercing)forthefirsttimeofthemoldingprocessofthethreejawcup.Intheprocessofdesign,themajorofourworkistoanalysethemanufacturabilityoftheworkpiece.Analyseanddeterminethebilletsize,pressercenter,layoutmethod,thecuttingboard,anddrawingnumber.andthendesignthespecificationsandmeasurementsofthemouldsprimarypartandsomerelevantcalculations.Andultimatelyaccomplishthedesignofassemblydrawing.Antistop:DIEL，flangedcaskmould，drawing，moulddesignIII目录1前言.11.1模具的概论.11.1.1冲压与冲压模具.11.1.2国内外模具成长现状及发展趋向.21.1.3模具行业特点.31.1.4模具设计及加工工艺的近况.31.1.5冲压模具中的零部件.31.2冲压件工艺分析.41.2.1冲压加工的经济性剖析.41.2.2冲压件的工艺性剖析.4IV1.3本次课程计划的任务与要求.42工艺方案.62.1工艺性分析.62.2工艺方案的确定.63主要工艺参数计算.83.1计算毛坯尺寸.83.2判断能否一次拉成.83.3试制订初次拉深因数.83.4确定拉深次数.93.5恰当取值各次拉深圆角半径及拉深高度.103.6拉深工序图.104选择排样方案和裁板方案，并确定压力中心.124.1排样.124.1.1排样原则.124.1.2排样设计内容.124.2计算压力中心.135拉深工艺力的计算.145.1确定是否使用压边圈.145.2落料与初次拉深复合工序力的计算.145.2.1落料力.145.2.2拉深力与压料力.14V5.3初选压力机标称压力.155.3.1拉深功.165.3.2拉深功率与电动机所需功率.166落料拉深复合模具工作部分尺寸的计算.186.1初次拉深凸、凹模尺寸计算.186.2凸模通气孔.187第二次拉深模工艺计算.197.1拉深凸、凹模尺寸计算.197.2拉深力与压边力的计算.198第三次拉深模工艺计算.208.1拉深凸凹模尺寸计算.208.2拉深力与压边力的计算.209切边冲孔复合模工艺计算.219.1切边凸、凹模尺寸计算.219.2冲孔凸、凹模尺寸计算.219.3力的计算.2210模具结构的设计.2310.1第一套模具标准件的选用.2310.1.1模架的选取.2310.1.2上模座.2310.1.3下模座.24VI10.1.4导柱、导套的选取.2510.1.5模柄.2610.1.6卸料装置的选择.2610.1.7弹性元件的选取.2710.2第一套模具非标准件的选取.2710.2.1落料凹模的设计.2710.2.2拉深凸模的设计.2810.2.3落料拉深凸凹模.2910.2.4压边圈.3010.2.5推件块.3110.2.6固定卸料版结构及基本尺寸.3110.3第二套模具标准件的选取.3210.3.1模架的选取.3210.3.2上模座的选取.3310.3.3下模座的选取.3310.3.4导柱、导套的选取.3410.3.5模柄的选取.3410.3.6卸料装置的选取.3410.4第二套模具非标准件的选取.3510.4.1切边凹模的设计.3510.4.2切边冲孔凸凹模的设计.36VII10.4.3推件块的设计.3610.4.4凸凹模固定板的设计.3710.4.5冲孔凸模的设计.3811压力机的校核.4012模具的装配.41结束语.43参考文献.44致谢.4511前言冷冲压是在常温下，利用冲模在压力机上对板料或坯料施加压力，使其产生塑性变形或分离，从而获得零件所需的形状、尺寸的一种压力加工的方法1。用模具生产零部件可以采用冶金厂大量生产的廉价的轧制港胞或钢带为配料，且在生产中不需要加热，具有生产效率高、质量好、重量轻、成本低且节约能源和材料等一系列优点2。因为冷冲压加工的零件结构、市场批量、材料特征、精度要求等存在差别，其冲压方式也是不同的，但归纳起来冲压工序可以按照材料的变形特点分为分离工序和变形工序两大类。分离工序是指在冲裁力的作用下，将冲压件或毛坯沿一定的轮廓相互分离。变形工序是指在冲裁力的作用下，变形部分的应力达到了屈服极限但是没有达到强度极限所发生的弹性变形，构成所必要的外形及尺寸的工件。变形工序主要包括弯曲，弯曲分为压弯、卷边，拉深，成形，成形分为翻边、缩口、胀形、起伏成形、校形，立体压制，立体压制分为冷挤压、顶镦。在当今社会中，利用冷冲压工艺所获得的冲压制品，在各个行业及人们的日常生活中都十分常见，冷冲压加工在现在工业生产中已经成为了一种必不可少的加工方法。1.1模具的概论在如今的工业生产中，模具已经成为了一种成形工业产品时必不可少的设备，这种设备由各种零件组成，不同的模具其组成的零件也不尽相同，它以其特定的形状通过改变材料的物理状态来实现原材料的成形以及外形的加工。在当代社会中，模具的制造方式已不再是往昔的传统加工和手工加工，而是普遍采取数控加工、激光加工方式、电化学加工和成形磨削等当代加工手艺。业学院毕业设计21.1.1冲压与冲压模具冷冲压是在室温下利用模具使板材发生外形变化的过程，从而获得与所需要求一致的工件，属于压力加工方法的一种。在冲压加工中，将坯料加工成成型零件的设备，称为冲压模具。在冷冲压加工中，冷冲模便是实现冲压加工的装备，若是没有好的冲模装备，就不能完成符合要求的冲压件，没有优秀的冷冲模装备，就没法实现良好的冷冲压工艺。由此可见，在由坯料变成所需工件的过程中，合理的冲压工艺、先进的冲压模具，高效的冲模设备是3个必不可少的重要因素。在一些小批量生产或完成一些基本工序的加工时，通常采用单工序模具就能实现材料的成形。完成一些要求是中批量或者大批量且工件形状较复杂、基本工序比较多的制件时，通常需要采用复合模或者是级进模。1.1.2国内外模具成长现状及发展趋向模具是一种技术先进的主要工艺设备,出产效率高、质料利用率高、制件质量良好、工艺适应性好,被普遍应用于各类产业行业。2005年中国模具工业产值达到610亿元,增长率保持在25%的高水平,行业的生产能力约占世界总量的10%,仅次于日本、美国而位列世界第三3。到了现在除了国有专业模具厂外,中外合资和外商独资模具企业也涌现了不少,乡镇企业也渐渐崭露锋芒;浙江黄岩被誉为“模具之乡”。中国模具的“珠江三角洲、长江三角洲和以成都、重庆为代表的西部模具”三足鼎立局面已经基本形成4。然而,与国际先进水平相比,中国的模具行业的差距不仅表现在精度差距大、交货周期长等方面,模具寿命也只有国际先进水平的50%左右,大型、精密、技术含量高的轿车覆盖件冲压模具和精密冲裁模具,每年都需要花费大量资金进口5。业学院毕业设计3文献报道,在2002年12月德国法兰克福举办的展会上的1493个参展厂商中,约有30%是机床和刀具厂商,展出高速加工机床的最高转速在2500030000/之间,这是对传统切削加工的非常显著的变革,体现了模具加工技术装备高速化、集成化趋势6。高速加工并不以牺牲加工精度和加工质量为代价,当今高速加工装备普遍可以达到机床精度不大于1、表面粗糙度不高于0.1的水平,是一种高水平的高速加工技术7。国外的模具制造企业,广泛使用先进的高精度、高速度、专业化加工装备,如日本丰田汽车模具公司拥有构造面加工数控铣床39台套、型面加工高速五轴五面铣床15台套、其它新型一体化专门加工设备6台套8。因为发达国度模具行业的用工用度增添，模具的出产有向东南亚国度成长的趋向。而且国外对中低档的模具产品及模具的标准间的需求量较高，不过，目前，我国模具产品的出口率还是比较低。1.1.3模具行业特点就目前来讲，随着科技水平的发展，模具行业已经由最开始的劳动密集型转变为技术与劳动相辅的一门先进性行业。为了适应不同制品的成形需求，而且由于不同的精度要求，在模具行业中，模具的设计具有一定的专一性而不是全面性，否则会显得比较复杂，容易出现一些问题，并且，模具的设计开始向着小型规模转变。1.1.4模具设计及加工工艺的近况1.模具设计技术传统的模具设计方法主要是靠前人的经验总结，通过经验或类比等方法进行设计，主要是靠经验的积累。业学院毕业设计4对于现代社会的发展，传统的模具设计方法存在许多不足，例如设计效率低，设计过程全凭经验进行，结果难以预测等，所以，为了解决这些问题，在模具设计制造中应用CAD/CAM技术是有效的途径。而且，在一些工业发达的国家，已经开始采用这一技术进行模具的设计与制造，并且广泛推广了计算机绘图。甚至，在国外的一些注塑模具中，大型精密的模具已经占据了足够重要的位置，不仅节省了原料，还提高了生产效率。2.模具加工技术在现代的加工过程中除了使用一般机械加工设备外，已经逐渐开始使用各种先进设备，例如电火花加工机床、电火花线切割加工机床和精密磨削机床等。1.1.5冲压模具中的零部件（1）工艺零件这类零件直接和坯料产生接触，并且直接参与了冲压工艺进程的完成。包括工作零件，如凸模、凹模、凸凹模；定位零件，如导料板、定位板、导正销等；压料、卸料及出件零部件，如顶件器（当凹模安装在上模时，将制件或废料由上而下顶出的装置）、推件器（凹模在下，由下而上推出制件或废料的装置）等。（2）结构零件这类零件不直接和坯料产生接触，也不直接参与冲压工艺进程的完成，只对模具完成工艺进程中起保护作用，在模具工作行程中起固定作用。包括导向零件，即保证上模座与下模座之间正确的相对位置，如导柱、导套、导板等；牢固零件，即将模具牢固到压力机上或者是承装模具中的零部件，如上下模座、模柄、垫板、限位支持装置等；紧固及其他零件，如螺钉、圆柱销等。业学院毕业设计51.2冲压件工艺分析1.2.1冲压加工的经济性剖析利用冲压模具成形零件的方法是一种先进的工艺方法，但由于模具成本较高，因此，在保证质量的前提下，应该尽可能的降低设计所需模具时的材料成本，提高经济效益。所以，对于一些中批量或者是大批量且工序较多的零件成形是，应尽量采用高效率的多工序模，例如复合模和级进模，对于加工一些小批量的成形零件时，应尽可能的使用单工序模与各种形式的简易模具。1.2.2冲压件的工艺性剖析冲压件的工艺性剖析主要包括对工件材质的剖析、结构剖析和精度剖析。根据对上述方面的分析，制定出技术经济性好的冲压设计方案，然后根据冲压工艺工程中的可操作性和经济合理性对所列出的几种方案进行比较，从而选出最佳方案，并尽可能地使之能够得到进一步的优化。1.3本次课程计划的任务与要求此次需要完成的是三爪杯冲压工艺分析及模具设计，三爪杯为带凸缘的筒形件，因此，可参照有凸缘筒形件的加工方法作为辅助进行本课题的研究与设计。本课题所需成形的工件图及条件如下：（1）工件名称：三爪杯业学院毕业设计6（2）市场批量：中批量（3）材料：10钢（4）料厚：1.5mm（5）零件图如下：业学院毕业设计7图2.12工艺方案2.1工艺性分析该零件为有凸缘圆筒形件，而且凸缘形状为异形，工件的形状符合拉深工艺的要求，可由拉深工序进行加工，对于凸缘的加工有两种选择，第一种是先进行筒形件的拉深再进行凸缘的加工，第二中就是先成形凸缘的形状再进行筒形件的拉深。假如是先进行凸缘的加工，则在后续的拉深过程中，由于拉深时坯料受力不均匀，凸缘的形状和精度要求定不能得到保证，因此，首先应进行拉深的工序，拉深结束后由切边工序保证凸缘外形，零件凸缘上的3个孔，可由拉深结束后冲裁得到，筒形件的底孔也可由冲裁得到。各圆角R=52t，符合拉深对圆角半径的要求。拉深件底部孔径满足dd1-2R-t（d=18.5，d1=55，R=5，t=1.5）业学院毕业设计8尺寸450.6低于IT15精度，低于IT14精度，满足拉深工序对工件的公01-5差等级的要求。10钢为优良碳素结构钢，拉深性能杰出。2.2工艺方案的确定该工件生产包括的基础工序有：落料、拉深、冲的孔或钻孔、冲3个5.18的孔、切边等工序，可有以下几种方案：1方案一：落料与初次拉深复合，其它按基础工序。方案二：落料与初次拉深复合，冲的底孔与冲的3个小孔复合，其它按基5.181础工序。方案三：落料与初次拉深复合，冲的3个小孔与切边复合，其它按基础工序。方案四：落料、初次拉深与冲的底孔复合，其它按基础工序。5.18方案五：采用带料持续拉深即采取级进模来完成多工序的冲压。分析：方案二，冲底孔与冲3个小孔时，刃口不在同一平面上，并且磨损快慢也不一样，这会给修磨带来难度，修模后要保持相对位置也有困难。方案三，冲3个小孔与切边复合，凸凹模壁厚a=14-11/2=8.5mm，大于最小壁厚3.8mm，故可以。方案四，落料、初次拉深与冲底孔复合，冲孔凹模与拉深凸模连成一体，给修磨造成不便。特别是冲底孔后再经后续拉深的进程，将会引起孔径的改变。方案五，采取带料持续拉深，可获得较高的生产率，而且操作相对安全，同时避免了上述方案所指出的错误，但这一方案得要专用压力机或主动送料装备，而且模具结构复杂，生产成本高，制造周期长，所以，在大量生产中才较适合。业学院毕业设计9方案一，没有上述的错误，但其工序复合水平较低，生产率不高，需要多套模具，成本较高，而且本次设计要求为中批量，故也不选。综上所述，选择方案三完成冲压工艺进程。业学院毕业设计103主要工艺参数计算工件材料厚度为t=1.5mm，计算时尺寸按中径尺寸计算。3.1计算毛坯尺寸d凸=（88+214）mm=116mm，d=（55+1.5）mm=56.5mm由凸缘的相对直径d凸/d=116/56.5=2.05，查冲压设计资料表4-5得h=3mm，因此，修正后拉深件凸缘的直径应为122mm。=2.051.4，故为宽凸d凸缘圆筒形件，宽凸缘筒形件在第一次拉深时，就将凸缘直径拉深到零件所必要的尺寸。在后边各次拉深时，凸缘直径不做变化，仅改变筒体的外形和尺寸。，在后面各次拉深时，逐渐减小筒形件的直径，增添高度，最后拉深到所需求的尺寸。由冲压设计资料表4-7序号20中得到有凸缘圆筒形件的毛坯直径为（3-rd4.3hd2凸D1）将d凸=122mmr=5+t/2r=5.75mmd=56.5mmH=45mm带入上式中，计算出毛坯的直径为m35.6412D业学院毕业设计113.2判断能否一次拉成工件总的拉深因数，工件总的拉深相对高度36.015.Ddm总，由，查80.564dH2凸97.015.10tD冷冲模设计表6-19得，有凸缘圆筒形件第一次拉深的最小拉深因数=0.42；m查冷冲模设计表6-18得，有凸缘圆筒形件第一次拉深的最大相对高度，由于，故此工件不能一次拉出。3.0dh1总1dH1h3.3试制订初次拉深因数取初次，查冷冲模设计表6-19，得=0.55，则初次拉深筒形1.d凸1m件直径为。D50m1为了后面的拉深不使已拉深好的凸缘变形，第一次拉深要将坯料多拉入凹模所需要量的5%，则需对坯料作相应的放大，零件凸缘部分的表面积由冲模设计应用实例表4-6序号2中公式22d-4RA凸凸（3-2）将带入上式，得m1d凸5.6dm75.R2228044凸A工件的面积应等于毛坯的面积，由冲模设计应用实例表4-6序号1中公式求得,（3-2D工件3）被拉入凹模的面积为2222m1086854m14凸凹A若多拉入5%的料进入凹模，则被拉入凹模的面积为，使扩张的毛坯面积凹A5.为。29005.1凸凹工件A业学院毕业设计12故扩张后的坯料直径为m1574工件AD故3.86m157.05.d1第一次拉深的凹模圆角半径用冲模设计应用实例中式（4-30）求得111r85.1.t8.0r凸凹由冲模设计应用实例中式（4-15）可求得半成品的高度，因圆角半径，21r则：212nnr43.0d25.0凸DH将r1=r2=带入上m17D1凸m5.86m75.8t凹式，得，第一次拉深高度为0.357.43.0253.8620h1工件的首次相对高度41.5.86dh1工件凸缘相对直径为，坯料相对厚度3.2凸，查冲模设计应用实例表4-8，得第一次拉深允96.0157.0tD许的最大相对高度在0.53与0.45之间，大于0.415，所以预定是合理的。1dH1m3.4确定拉深次数有凸缘圆筒形件在后面各次拉深中的拉深因数可由冲模设计应用实例表4-2取值，且取值应略大些，依据毛坯的相对厚度96.01tD，由冲模设计应用实例表4-2取值m2为0.78，80.3，2.m4，85，则12d=0.7886.35mm=67.35mm3=0.8067.35mm=53.88mm56.5mm故只需要举行三次拉深便可成形。3.5恰当取值各次拉深圆角半径及拉深高度业学院毕业设计13调整各次拉深系数2312323mdmd86.35mm=56.5mm即654.0，取=0.79，则3=0.83，12d79.0=68.21mm后面各次的凹模圆角半径=（0.60.8）nr凹1nr凹第二次拉深的凹模圆角半径=0.88mm=6.4mm2凹末了一次拉深，凸、凹模的圆角半径应取工件的圆角半径值，即=5mm3r凹凸设第二次拉深时多拉入3%的板料（别的2%的板料返回到凸缘上），则坯料应修正为m15603.142凸凹AD第二次拉深后零件的高度为2tr43.0d5.h2222凹凸D=（0.25/68.21）（1562-1222）mm+0.437.152mm=40.80mm第三次拉深后工件尺寸应为零件所需尺寸。3.6拉深工序图毛坯：业学院毕业设计14第一次拉深：第二次拉深：第三次拉深：业学院毕业设计15图3.14选择排样方案和裁板方案，并确定压力中心4.1排样冲压件在条料上的安插方式称为排样。4.1.1排样原则（1）操作便利，安全，减轻工人的操作强度；（2）使模具构造简单，利用寿命长；（3）提高材料的利用率；（4）保证冲压件的质量。4.1.2排样设计内容业学院毕业设计16（1）排样方法本课题所需的成形零件采取单直排排样方法。（2）搭边排样时冲裁件与条料两侧之间的距离（）和冲裁件与冲裁件之间的间隔（）1aa称为搭边。搭边的作用是补偿裁剪时的误差、送料歪斜误差以及送料步距误差，并且给条料提供一定的刚度，提高模具寿命及保证断面质量。对本课题的零件，查冷冲模设计表3-10，得a=1.0mm，=1.2mm。1a（3）送料步距与条料宽度选定了排样方法及搭边值以后，只需要再确定送料步距与条料的宽度，就可以画出排样图。条料在模具上面每次进步的行程称为送料步距。条料在送料时为了确保送料的顺畅，必须有公差带，上公差为零，下公差为负值。查冷冲模设计表3-11，得下公差为-1，送料步距=（157+1）mm=158mm。条料的宽度需要保证冲裁件aDA在冲裁时周边有一定的搭边值并且在送料时要与导料板或是挡料销有一定的间隙，本次条料宽度为。01-01-0-14.62.572B（4）排样体例及质料利用率零件采用单直排排样方式，查锻压手册第2卷冲压第2版表1-3-5，选用板料的规格为1.59001800。采用纵裁方式：裁板条数=5条余6毫米。4.1609bn1B每条个数=11个余4毫米。58ha2A每板总个数=511=55个。21总板的材料利用率65.7%10974n总总业学院毕业设计17采用横裁方式：裁板条数=11条余2毫米。4.1608bn1A每条个数=5条余7毫米。589ha2B每板总个数=55个。21总板的材料利用率相同但是，由于纵裁裁板次数少，冲压时调换条料次数少，工人的劳动强度低，操作起来方便，而且生产率高，所以，在通常情况下应尽可能使用纵裁。（5）排样图图4.14.2计算压力中心模具的压力中心指的便是冲裁力合力的作用点。模具的压力中心必需与模柄的中心线以及压力机上滑块的中心线重合，这样才能使得压力机上的滑块能够平稳运动，减少滑块导轨和模具的磨损，从而延长模具的寿命。对于本课题所给的零件图来看，其结构对称，压力中心就在圆形坯料的中心点，即原点处。业学院毕业设计185拉深工艺力的计算5.1确定是否使用压边圈毛坯相对厚度1.5，0.610tD1m查冷冲模设计表6-12得，必须使用压边圈来卸料。5.2落料与初次拉深复合工序力的计算5.2.1落料力取k=1.3t=1.5mm，的数值可查冷冲模设计tkLFRL表2-3得，（255333）MPa，取=300MPa故（5-t落1）N305.174.31K28289（5-落卸卸FK2）查冲压设计资料表2-38得，=0.04卸0.04288卸N11.52K业学院毕业设计19（5-落顶顶FK3）查冲压设计资料表2-38得，06.顶KNF2806.顶.175.2.2拉深力与压料力拉深力：（5-b1tdk拉F4）其中，查冲压设计资料表4-75得，=0.9=86.35mmt=1.5mm1k1d查冷冲模设计表2-3，取=400MPab故（5-1tdk拉F5）0.93.1486.351.5400N146KN压料力：/4（5-p2d12凹压RDF6）查冷冲模设计表6-13，得单位压边力p值为2.5。/4