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冲压
工艺
复合
模具设计
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罩圈冲压工艺及复合模模具设计,冲压,工艺,复合,模具设计
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摘要为了实现罩圈的自动化生产加工，本文设计了一种基于复合模的冲压工艺和模具方案，该复合模实现了对罩圈的落料、拉深、冲孔和翻边工序，是符合实际生产加工的冲压方法。对于其他同罩圈的尺寸、材料和形状类似的工件，通过具体分析计算后，也可以将此模具设计方法作为参考，为工厂实际生产工件和现代模具行业的发展作出了应有的贡献。首先，对罩圈进行了工艺分析，从罩圈的材料和结构方面入手分析确定了复合模冲压方案，复合模结构简单，成本低，寿命长，并且操作方便、安全可靠，能够冲裁出符合质量要求的工件。其次，设计了模具的结构零部件，包括自动送料送料机构、定位方式、弹性卸料板卸料方式、模架以及模具导向结构导柱导套等结构零件。再次，对模具工艺参数做了详细分析与计算，包括工件的排样方式、步距、条料宽度、材料利用率和冲压力，最终确定了冲压机型号和冲压机参数。最后，设计了模具的主要成型零部件，包括冲凸模、凹模和凸凹模的结构，计算了凸凹模刃口尺寸。在此过程中充分考虑到加工精度、加工成本和加工效率，此模具结构不但能省料，材料利用率高，而且导向精度也比较高，容易实现自动化，降低人工生产成本，符合工件实际生产的总体需求。 另外，将二维制图软件AutoCAD应用在此模具结构设计中，辅助罩圈冲压模具设计，包括冲压模具的总体结构设计。AutoCAD制图的辅助节省了时间，部件尺寸更精准，大大提高了模具设计效率。关键词关键词: 冲压工艺；模具设计；罩圈；AutoCAD 制图AbstractIn order to realize the automatic production and processing of the cover ring, this paper designs a stamping process and die scheme based on the compound die, which realizes the blanking, drawing, punching and flanging processes of the cover ring. For other workpieces of similar size, material and shape of the same cover ring, after specific analysis and calculation, this mold design method can also be used as a reference for the factorys actual production of workpieces and the development of modern mold industry has made its due contribution.First of all, the process analysis of the cover ring, from the material and structure of the cover ring to determine the composite die stamping program, composite die structure is simple, low cost, long life, and easy to operate, safe and reliable, can punch out the workpiece in line with the quality requirements. Secondly, the design of mold structural parts, including automatic feeding feeding mechanism, positioning mode, elastic unloading plate unloading mode, mold frame and mold guide structure guide column guide sleeve and other structural parts. Thirdly, the mold process parameters are analyzed and calculated in detail, including the workpiece layout, step, strip width, material utilization rate and punching pressure, and finally determine the stamping machine model and stamping machine parameters. Finally,the full consideration of processing accuracy, processing cost and processing efficiency, the mold structure can not only save material, material utilization rate is high, but also the guide precision is relatively high, easy to achieve automation, reduce the labor production cost, in line with the overall demand of the actual production of the workpiece.In addition, the 2d drawing software AutoCAD is applied to the die structure design, and the stamping die design of the cover ring is assisted, including the overall structure design of the stamping die. The assistance of AutoCAD saves time and the size of parts is more accurate, which greatly improves the efficiency of mold design. Key words: stamping process;mould design;Shield ring;AutoCAD drawing目目 录录1 1 前言前言 .31.1 课题的目的及意义.31.2 冲压模具国内外研究现状.41.3 本文的主要内容.62 2 罩圈零件工艺性分析罩圈零件工艺性分析 .72.1 零件材料分析.72.2 零件结构分析.73 3 冲压模具方案冲压模具方案 .94 4 模具结构零部件的设计模具结构零部件的设计 .114.1 送料方式、定位方式的确定.114.2 推件方式的确定.114.3 模架的确定.115 5 模具工艺参数的确定模具工艺参数的确定 .145.1 排样方式的确定.145.1.1 搭边值与步距的确定.155.1.2 条料宽度的确定.155.1.3 材料利用率.165.2 冲压力的计算.165.2.1 冲裁力的计算.165.2.2 拉深力的计算.175.2.3 卸料力与推件力的计算.175.2.4 总冲压力的计算.176 6 成形零件工作尺寸计算成形零件工作尺寸计算 .186.1 凸凹模结构尺寸概述.186.2 凸凹模刃口尺寸的确定.196.3 拉深零件工作尺寸的计算.216.3.1 拉深凸凹模圆角半径.216.3.2 拉深凸模和凹模单边间隙 Z.216.3.3 拉深凸、凹模工作部分尺寸及公差.217 7 冲压设备的校核与选定冲压设备的校核与选定 .227.1 压力机型号及参数确定.227.2 冲压设备的校核.238 8 小结小结 .24致谢致谢.26参考文献参考文献.27第 3 页 共 30 页1 1 前言前言1.11.1 课题的目的及意义课题的目的及意义模具加工制造在工业制造业中占有极其重要的地位，其分类也多种多样，主要分为两大类，一种是五金模具，另一种是塑料模具。在机械制品、电子产品、工艺品以及日常生活用品中，经五金冲压模具加工而成的工件随处可见，处锻压、铸造方法加工的制品外，几乎 95%以上的金属件由冲压模具加工制作而成。常见的冲压金属制品有门窗合页、不锈钢饭盒、不锈钢水杯、饮料易拉罐、芯片、餐盘、油箱等小型冲压件，也有汽车外壳、风机叶片、计算机主机外壳、汽车底盘等中大型冲压件。五金模具是利用机械压力机、液压机油压机或其他压力设备将金属原材料压制成特定尺寸和形状，冲压模具、压铸模具和锻压模具等都属于五金模具，而冲压模具是制作五金模具制品的主要加工方法。1一般有两种加工方法，其中一种是在室温条件中对板料或条料施加一定的压力，使板料或条料切断或发生变形，从而获取所需形状的零件，是冷冲压的加工方法。2另一种方法是首先将冲压板料或条料加热，然后再对材料施加压力，同样产生分离或是塑性变形而获得特定形状零件，是冲压的热加工方法。由于冷冲压的加工方法不需要对材料加热，对生产设备要求不高，所以成本更低、效率更高，是现代化加工中更为常用的加工方法。其生产效率高，材料利用率高，易于实现机械化和自动化。3另外，注塑工艺产生的废料极少，便于组织生产，大批量生产时，产品成本低。塑料模具是利用注塑机，将熔融的塑料体注入到模具中，经冷却成型。与五金模具生产加工相比，虽然塑料模具的设备要求较高，但是原材料成本更低，在产品需求和尺寸精度允许的情况下，可以将部分五金产品用塑料产品代替，以大大降低生产成本。塑料模具的种类繁多，常见的种类有塑料注塑模（也称之为注射模）、塑料压塑模、塑料挤出模，其他种类还有塑料吹塑模、塑料吸塑模等等。其中使用最为广泛的类型是塑料注塑模，对于员工来说，注塑工艺操作更为简单，只需设置好注塑工艺的相关参数，一定时间内完成加热、成型、保压、冷却、出件的工序。两类模具在工业制造中均应用广泛，但是五金模具尤其是冲压模具在工件精度和生产效率方面都有不可替代的作用。第 4 页 共 30 页1.21.2 冲压模具国内外研究现状冲压模具国内外研究现状冲压模具作为一种五金制品的有效加工方法，对获得高质量高精度的产品以及提高生产效率具有极其重要的意义，受到国内外学者、科研者、企业家等各界人士的重视与研究，近年来很多国家都对冲压模具技术的提高产生了极大的兴趣，并对冲压模具设计过程中以及冲压生产过程中遇到问题进行研究，在这一领域做出了重大贡献。日本、美国、德国等一些发达国家的模具加工制造技术比较先进，能够制造高精度、大尺寸、大吨位和高质量的模具，并且模具技术已经形成标准，处于世界领先地位。比如 A and C Mold Company Inc.，AC 模具公司由安德鲁门达拉创立，一直是业界的顶峰。他们最先进的设施位于伊利诺伊州的圣查尔斯市，这使得它不仅可以轻易地超越芝加哥地区，而且还可以超越整个中西部地区。 AC 模具致力于确保每一件产品的质量，无论是简单的模具还是一系列复杂的模具，AC 模具都致力于卓越、优质和稳定。其公司的DMG HSC105 线性精密加工设备为全五轴加工，夹紧区域 37.4。AC 模具工厂有各种各样的设计来处理任何项目，拥有跨越不同行业的客户群，能够应对每个客户所面临的各种挑战，并创建设计出一款适合他们需求的模具，AC 模具公司具有完成任何项目的技术和能力；Abbott tool and die lnc.公司也是国外知名企业，雅培模具公司始于 1987 年，位于圣路易斯地铁区的中心位置，提供专业的模具制造、设计和制造服务，专门从事汽车、电器、航空航天和 ATV 行业，在模具制造行业拥有超过 35 年的经验，员工接受过最新设备、程序和技术方面的培训。在加工制造方面，使用 75 吨到 600 吨不等的压力机，不断调试冲压，从渐进式，转移和手动加载模具，已经在业界加工一些最复杂的工件，能够进行 CNC 加工、CNC 铣削、夹具钻孔、电火花线切割、表面研磨和热处理及多个 CNC 加工中心，不仅能提供高精度和高效率的性能，还能够使用最先进的CAM/CAD 软件进行实体模型编程来加工大于 50* 20的工件。多台电火花加工机能够快速地加工零件，并且精度高，最大的设备可以加工高达 16.5 英寸的零件。在质量方面，雅培工具与模具公司获得了 ISO 9001:2015 认证，正在努力获得 IATF 16949:2016 认证。利用最佳实践、设备和经验建立高质量的工具，有能力在将模具运送到客户手中之前测试和消除缺陷，以确保生产的模具符合第 5 页 共 30 页规范与需求。在设计方面，其工具设计工程师使用最新的软件来设计模具，solidworks、visi、autocad 和 autodesk 均受支持，使用客户的 CAD 文件创建一个条带布局，以客户为中心，重视整个流程中客户的参与、反馈和批准。具有代表性的还有 Abbottstown Industries Inc.，Abbottstown 工业公司成立于 1973 年，是一家工具和模具厂，是美国东部最大的定制生产加工和机械制造厂家之一，它利用设计软件 CAD、3D SolidWorks 完成要求的生产项目、夹具、模具、夹具或高速生产机械，其产品应用行业广泛，如医疗、工业、机械加工、建筑、食品、材料运输和运输等等。ABM Tool & Die Inc.的压力机可满足大多数冲压要求，范围从 120 吨到 800 吨，配备齐全的现代化加工车间，A.B.M.制造从复杂级进模到全自动转移模的所有产品，在冲床上模具使用寿命长、维护方便，为模具设计和工艺制造技术提供有价值的贡献。另外还有 A&O Mold&Engineering Inc.、Acme Carbide Die Inc.、Express Tool and Die Co.等等模具加工公司，从设计到制造再到成品，从机械加工能力、工程设计质量体系到成本节约方案，都能体现模具工艺及加工技术的高端。前面内容都是国外冲压模具技术发展的体现。目前，大量国外进口的高精尖模具在国内市场上仍占垄断地位。通过近几年的发展，无论是在吨位方面、在精度和粗糙度方面，还是在尺寸方面，我国冲压模具水平有了很大提高，能够生产出高质量高精度大尺寸的五金制品，目前我国冲压模的设计与制造能力已经有较高水平，并不断向国际领先模具技术水平靠拢。像国内的知名企业如海尔、联想和富士康都有自己的模具加工厂，模具加工公司较多的地区有广州、浙江、上海、江苏、重庆、安徽等，江浙一带以及珠江三角洲一带是许多企业进行冲压模具设计与制造的集中区域，冲压模具无论在数量、质量方面还是在技术和生产方面都有明显的进步和发展，但是与部分发达国家相比，仍存在着差距，部分大型模具、高精密模具以及结构复杂的模具仍然需要进口，比如高档轿车和大中型汽车的覆盖件模具，所以，我们更应该快速发展模具设计与模具制造的发展水平，通过不断提高设计能力和制造能力缩短与世界的差距。目前这些冲压模具加工的前沿技术与领先方法都有自己的优势，也存在一些缺点。如何从设计方法与处理算法几方面结合它们的优势，避免其中存在的弱点与缺陷，完成符合实际生产加工的 L 型垫板冲压工艺与模具设计是本课题研究的核第 6 页 共 30 页心目的。1.31.3 本文的主要内容本文的主要内容本次毕业设计完成的主要任务是罩圈的落料、拉深、冲孔和翻边复合模的设计。在模具设计的过程当中，首先对模具的整体结构设计，然后进行零部件的设计，并运用二维软件 AutoCAD 绘制了工程图，分析结构的合理性与可行性，若模具结构不合理则需要不断重新修改 L 型垫板冲压方案，直至冲压工艺与模具设计合理可靠。整个研究课题完成了以下几个内容：第一，对罩圈进行工件工艺性分析，包括工件材料分析和零件分析；第二，确定罩圈的复合模的冲压工艺方案，设计复合模结构零部件形状和尺寸，包括模架的结构、导柱导套的结构、顶件块的结构、送料及定位方式等；第三，确定了罩圈冲压排样方式，并计算了相关工艺参数包括搭边值、步距、条料宽度、材料利用率。计算了冲裁力、卸料力、推件力和总冲压力，确定了压力机型号和参数；4第四，设计了冲压模具的主要零部件凸模和凹模的结构，进行了凸凹模刃口尺寸计算；第五，运用 AutoCAD 软件设计了罩圈冲压模具的总体结构和尺寸、凸凹模零件的结构和尺寸。第 7 页 共 30 页2 2 罩圈零件工艺性分析罩圈零件工艺性分析图 2.1 L 型垫板结构尺寸示意图 从图 2.1 罩圈的结构尺寸示意图可以看出，其材料为 Q235，是厚度为 1mm的板材，以下将从材料和结构两个方面对工件进行分析，来说明其加工工艺性能。2.12.1 零件材料分析零件材料分析课题的工件罩圈的材料为 Q235A，是普通碳素结构钢，其屈服强度为235MPa，也通常称它为 A3 钢，用途非常广泛，通常作为支撑板、加强筋、槽钢、工字钢或其他各种型材，在机械制品加工中用量非常大，市面上销售也非常普遍，容易购买，价格适中。Q235 按照各种成分含量的不同被分为A、B、C、D 四个等级，其密度为 7.85g/cm3，泊松比为0.25-0.33，抗拉强度为 370-500MPa，罩圈的材料具有良好的物理性能和化学性能，物理性能方面能够塑性好、耐磨，在化学性能方面，具有耐酸、耐碱和抗腐蚀性能，所以材料为 Q235A 的罩圈具有良好的冷加工成型性能和焊接性能，能够进行冷冲压加工。2.22.2 零件结构零件结构分析分析以下将从工件的尺寸及精度、表面粗糙度、形状和厚度几个方面进行零件结构性分析。在工件尺寸及精度方面，罩圈最大直径为 100mm，最大高度16mm，厚度为 1mm，中心有一个直径 60mm 的翻边孔，两个圆孔及外形尺寸均没有标注公差。所以，工件的尺寸精度要求不高，对工件成型工艺与冲压模第 8 页 共 30 页具的加工精度要求不高；在工件表面粗糙度方面，对于五金制品，其表面粗糙度除主要取决于自身的材料，还与冲压模具凸模与凹模的表面粗糙度有关，即凸凹模的表面粗糙度越大，工件的表面粗糙度越高，凸凹模表面粗糙度越小，工件的表面粗糙度也随之越低；在工件形状方面，分析该冲压制品没有尖锐的棱角，内应力小，并且没有宽度较小的突出的凸臂悬梁或凹槽，外形结构较为简单。按照冲裁原则，冲裁件冲孔孔径不应过小，圆孔直径应大于板材厚度的1.3-2 倍，翻边孔直径为 60mm，远远大于要求的极限值；在工件厚度方面，为了减小内应力应使工件壁厚均匀一致，从工件图上可以看出罩圈厚度为 1mm 且薄厚比较均匀。按照冲裁原则，冲裁件的孔边与轮廓之间的距离不应过小，孔与孔之间的距离也不应过小，其距离应大于等于厚度值，所以罩圈符合冲裁要求。5零件的工艺性分析是指零件在满足使用要求的前提下，加工零件的可行性分析与经济性分析。对于冲压制品来说，能将零件以最合理最经济的方法加工出来即能说明零件加工的可行性，在保证生产效率和生产质量的前提下，有效降低生产成本即能说明零件加工的经济性。6所以无论是从零件的材料、尺寸精度、表面粗糙度还是零件的形状和厚度分析，都符合冲裁的基本要求，满足零件加工的可行性与经济性，能够进行冷冲压加工。第 9 页 共 30 页3 冲压模具方案冲压工艺按变形性质不同可分为三大类，分离工序、成形工序和复合工序。常见的分离工序有切边、落料和冲孔，它是将板材在模具的压力下产生材料的分离，获得方孔、圆孔或是其他特定形状的工件；常见的成形工序有翻边、拉伸和弯曲等等，它是将板材在模具的压力下产生材料的塑性变形，同样获得我们所需要的特定尺寸和形状的工件；复合工序则是为了进一步提高冲压生产效率，将两个或两个以上的基本工序合并为一个工序，称为复合工序，如冲孔和落料两个工序合并为一个。冲压模按工序组合程度可分为单工序模、复合模和级进模，还可以按冲压工艺性质分为冲裁模、弯曲模、拉伸模和成形模。7虽然工厂的设备条件和加工条件影响产品的质量，但是罩圈冲压工艺和冲压模具方案的合理与否亦是影响产品质量和生产效率的主要因素，所以这是整个课题的关键内容之一。罩圈可分为冲孔和落料两个工序来完成，以落料工序来加工工件外部轮廓，以冲孔工序来加工工件内部两个圆孔。根据冲压模的分类及加工特点有以下三个设计生产方案。方案一：采用单工序模加工，单工序模在一次冲压行程中，只能完成一个冲压工序，在一个工序加工完成后，只能采用人工或是机械手将制件取出来，然后移入下一工序进行冲孔，对于本文的工件罩圈来说，首先要经过落料工序，然后通过一定的方式移入下一个工序进行拉深，两个工序分开制作，然后进行冲孔和方便。所以单工序模加工罩圈需要落料、拉深、冲孔和翻边四副模具，虽然这四副模具设计简单、制作简单、维修方便，适合形状简单的工件，尺寸不受限制，但是模具结构数量增加，来回更换模具不但操作困难，使用不便，产品的报废率相应增加，生产过程中费力费时，增加时间成本和人工成本。而且导致工件的精度难以保证，适合低精度 IT14 级以下的工件加工。方案二：采用复合模加工，复合模是在一次行程中，在冲模的同一工位上同时完成两种或两种以上的工序。对于本文的工件罩圈来说，在同一个位置完成工件中的落料、拉深、冲孔和翻边四个工序。虽然复合模比单工序模模具零部件加工较困难，成本稍高，但是相对于其他冷冲压模具来说，工件的同轴度较好，尺寸精度较高，对称度位置精度高，表面平直。生产效率大大提高，且第 10 页 共 30 页不受板材外形尺寸的精度限制，适合中高级精度 IT8-10 级的工件加工。方案三：采用级进模加工，级进模是在一个冲压行程中，在多个位置完成多个工序，一个位置只能加工一个工序，级进模也称作连续模。对于本文的工件罩圈来说，一个位置用以加工落料，一个位置用以加工拉深，一个位置用以加工冲孔，一个位置用以加工翻边，四个位置同时完成四个工序。其加工效率高，但是模具的凸、凹模用料多，增加了生产成本，通常用在形状尺寸复杂的工件的加工。此零件主要具有落料、拉深、冲孔和翻边四个工序，结构简单不复杂，由于复合模能在一副模具内完成包括落料、冲孔等多道工序，通过三个方案的详细对比和分析，没必要采用结构复杂的级进模，相对于单工序模和级进模，使用复合模具的方案比较合理，采用复合模冲压工序加工罩圈，所以方案二更为合理。第 11 页 共 30 页4 4 模具结构零部件的设计模具结构零部件的设计4.14.1 送料方式、定位方式的确定送料方式、定位方式的确定送料机构的选择关系着生产效率的高低与产品质量的高低，为了降低人工成本和时间成本，L 型垫板冲压模具采用自动送料机构，大大提高了生产效率。8定位方式采用导料板，当板材的一端送入自动送料机构后，导料板将自动将板材导正，自动送料机构和导料板一同对板材起到输送、定位和压紧的作用，使冲压工序连续顺利进行，实现自动化加工。4.24.2 推件方式的推件方式的确定确定由于工件尺寸较大，模具结构除使用常用的卸料机构弹性卸料板外，还设置了推板和推杆，将产品推离模具，更有利于产品从模具上跌落，如图 4.1 所示。图 4.1 罩圈冲压模具中的推件机构4.34.3 模架的模架的确定确定第一种模架是滑动导向对角导柱模架。9此导向方式有两个导柱作为导向，且两个导柱成中心对称，在对角线的两个角上。其前后左右都可以送料，而且导向平稳不歪斜，常用在落料模、复合模以及级进模中，工作速度较快的压力机常选用对角导柱模架，对角导柱模架不如其他两种模架的导向精度高，前后第 12 页 共 30 页左右都可以进料，由于两个导柱在对角线的两角处，所以放件、取件不方便；第二种模架是滑动导向后侧导柱模架。此导向方式操作空间比较大，适用于小型尺寸工件的加工制造；第三种模架是滑动导向中间导柱模架。此导向方式有两个导柱进行导向，两个导柱在对称线上呈左右对称，为了避免装配模具时位置装反，所以两个导柱的长度和直径都不相同。中间导柱模架的导柱安装在模具的对称线上，导向平稳、准确。此导向方式省料，导向精度较高，虽不能左右进料，但操作比较方便；第四种模架是四导柱模架。此导向方式有四个导柱作为导向，四个导柱分别安装在模具四个角的位置，呈中心对称。其导向精度比较高，适用于生产尺寸比较大、批量较大的工件。四导柱模架前后左右都可以进料，取放工件不够方便，价格稍高，但是这种模架的刚度好，导向精准而且平稳。10由于工件尺寸较大，需要导向较平稳的模架，所以选择四导柱模架，该模架导向平稳且导向精度高，符合模具设计要求的同时符合工件实际生产需求。罩圈冲压模具的四导柱模结构如图 4.2 所示。图 4.2 罩圈冲压模具的四导柱模结构示意图借助 AutoCAD 二维制图软件设计的罩圈冲压模具总体布局如图 4.3 所示，该复合模结构简单，可加工出符合质量要求和实际生产需求的零件。第 13 页 共 30 页图 4.3 罩圈冲压模具总体布局结构示意图第 14 页 共 30 页5 5 模具工艺参数的确定模具工艺参数的确定5 5.1.1 排样排样方式的确定方式的确定冲压件在板料或者条料上的布置方式叫做冲压的排样方式，常用的工件的排样的样式一般分为三种，有废料排样、少废料排样和无废料排样，以下是三种排样方式的特点。第一种是有废料的排样，沿冲件全部外形冲裁，在冲件周边都留有搭边，因此材料利用率低，但冲件尺寸完全由冲模来保证，因此精度高，模具寿命长，生产中绝大多数冲裁件都采用有废料排样；第二种是少废料排样，沿冲件部分外形切断或冲裁，只在冲件之间或冲件与条料侧边之间留有搭边，因受剪裁条料质量和定位误差的影响，工件质量稍差，同时边缘毛刺被凸模带入间隙会影响模具寿命，但材料利用率高，冲模结构简单；第三种是无废料排样，沿直线或曲线切断条料而获得冲件，无任何搭边，冲件的质量和模具寿命更差一些。在由工件形状决定的结构废料不可改变的前提下，力求减少由搭边、冲压形式和排样方式决定的工艺废料，13提高材料利用率，降低生产成本的同时保证工件质量。14搭边是指冲裁模排样中相邻两工件之间的余料或工件与条料边缘间的余料。搭边能够补偿定位误差，防止由于条料的宽度误差、送料步距误差、送料歪斜误差等原因而冲裁出残缺的废品。还能使条料有一定的强度和刚度，保证送料的顺利进行，从而提高制件质量，沿整个封闭轮廓线冲裁，使受力平衡，提高模具寿命和工件断面质量。搭边是废料，从节省材料出发，搭边值应愈小愈好。但过小的搭边容易挤进凹模，增加刃口磨损，降低模具寿命，并且也影响冲裁件的剪切表面质量。所以搭边在模具排样中非常重要，不能只追求少废料而减小搭边甚至去掉搭边，再冲压工件加工尺寸和精度允许的情况下可以合理的增加搭边，适当增加工件与工件之间的距离，适当增加工件与条料边缘的距离。因为有废料排样使冲压加工精度高，模具磨损小，凸模凹模受力均匀，模具寿命长，所以L型垫板的排样选择有废料排样。根据冲裁件在板料上的布置方式，排样形式有直排、斜排、单列排、多列第 15 页 共 30 页排、对头排等多种多样的排列方式。因为工件外部轮廓为圆，左右结构对称，所以工件采用直排排样方式，罩圈排样方式如图5.1所示。排样紧凑，废料少，能够节约板料或条料，减少材料的浪费，布置方式合理，节约生产成本，符合生产工件精度需求。图 5.1 罩圈单列直排排样示意图5.1.15.1.1 搭边值与步距的搭边值与步距的确定确定搭边值与材料形状、尺寸和厚度等多因素有关，根据冲压模具设计手册查表确定工件的最小搭边值为 2mm，本文确定工件与工件的搭边值为 2mm，工件与条料边缘的搭边值为 2mm，符合冲压模具设计搭边值的基本原则。步距是在冲压生产过程中，工件或条料每次进给的距离，是生产完一个工件后进行下一个冲压生产时向前移动的距离，步距是由工件尺寸的大小和搭边值的大小来决定的，步距的大小值等于送料方向上工件轮廓尺寸的最大值与搭边值之和，步距的计算公式如 5.1 所示。S=L+b (5.1)式中 S冲裁步距；L在送料方向上毛坯尺寸的最大值；b沿送进方向的搭边值。步距还可以用另外一种方式确定，尤其适用于对斜排或对排的排样方式，其方法是：首先在工件上任意位置选取一点，然后再其相邻的工件的同一位置选取另一点，两点之间的距离就是步距。在这里我们采用这种方法来确定罩圈的步距，其值为 123mm。第 16 页 共 30 页5.1.25.1.2 条料宽度的确定条料宽度的确定条料的宽度为制件的最大宽度与两侧搭边值之和。为保证送料顺利，不因料带过宽而发生卡死现象，料带的下料公差规定为负偏差。L 型垫板条料的宽度计算公式15如 5.2 所示： (5.2)05 . 005 . 002402*2236)2(）（aDB式中 B罩圈所需条料的宽度；D工件在宽度方向的尺寸；a侧搭边最小值；宽度偏差。5.1.35.1.3 材料利用率材料利用率材料利用率是指冲压工件的面积与冲压所需材料的面积比值（%）。罩圈条料的材料利用率计算公式5如 5.3 所示： =A/BS100% (5.3)=91.47%式中 材料利用率A一个步距内工件的实际面积（mm2）；B条料宽度（mm）；S冲裁步距（mm）。5.25.2 冲压力的计算冲压力的计算5.2.15.2.1 冲裁力的计算冲裁力的计算冲裁力是指冲裁过程中凸模对板料施加的压力，它是随凸模进人材料的深度而变化的，通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值，它是选用压力机和设计冲压模具的重要依据之一。16考虑到实际生产中考虑各种因素对冲裁力的影响，一般会在公式中加入修正系数，修正系数一般和模具刃口的磨损钝化有关系，其他影响因素还包括模具间隙的波动，材料力学性能和厚度波动等，17因此冲裁力应适当增大，在一般设计的过程中我们取=1.3，罩圈模具冲裁力计算公K式如 5.4 所示。 或 (5.4)FKLtbFLt第 17 页 共 30 页式中 罩圈周边长度（mm）；L 材料厚度（mm）；t 材料抗减强度（）；MPa 修正系数；K 材料的抗拉强度（），一般情况下，材料的。bMPa1.3b落料冲裁力为：F=598.4kN冲孔冲裁力为：F=221.1kN5.2.25.2.2 拉深力的计算拉深力的计算拉深时，工件变形受到的作用就是拉深力。拉深力的理论计算很繁琐，在实际生产中常采用经验公式进行计算。如式 5.5。 (5.5)1KdtFb式中 罩圈周边长度（mm）；L 材料厚度（mm）；t 修正系数；1K 材料的抗拉强度（），一般情况下，材料的。bMPa1.3b计算得拉深力为：F=150.29kN5.2.35.2.3 卸料力与推件力的计算卸料力与推件力的计算冲裁时，工件或废料从凸模上卸下来的力叫卸料力，从凹模内将工件或废料顺着冲裁的方向推出的力叫推件力。卸料力和推料力与板料的重量、尺寸等有关，与冲裁力成正比，冲裁力越大则卸料力和推料力越大，反之，则越小。卸料力和推料力可以依据以下公式 5.6 和 5.7 来计算： (5.6)FK F卸卸 (5.7)FK F推推式中冲裁力（）；FN、分别为卸料力、推件力系数，K卸取 0.11，K推取 0.07。K卸K推KNF82.654 .59811. 0卸KNF48.151 .22107. 0推第 18 页 共 30 页5.2.45.2.4 总冲压力的计算总冲压力的计算模具总冲压力为模具各个工步的冲压力总和。 KNFFFFF105148.1582.651 .22129.1504 .598推卸拉冲总(5.8)第 19 页 共 30 页6 6 成形零件工作尺寸计算成形零件工作尺寸计算6.16.1 凸凹模结构尺寸概述凸凹模结构尺寸概述 用于成形工件内表面或外表面的零件统称为成型零部件。成型零部件有凸模和凹模，亦称作上模和下模，在压力机对板材进行冲裁时，会对凸模或凹模产生巨大的压力和冲击，所以成型零部件不但要具有一定的结构、尺寸、精度，还应当具有较大的强度、刚度，以减少成型零部件的损坏甚至报废，延长模具寿命。模具的凸模，又称上模、阳模、冲头等，是冲压模具最主要的工作部件之一。凸模以外形为工作表面的零件，用于成型工件的圆孔、方孔或是其他复杂形状的内表面。本文中用于成型直径为 34.7mm 的翻边预制孔，罩圈冲压模具的冲孔凸模结构尺寸如图 6.1 所示。图 6.1 罩圈复合模具的冲孔凸模结构尺寸示意图模具的凹模，又称下模、阴模、型腔等，也是冲压模具最主要的工作部件之一。同凸模相对应，是以内表面为工作面，成形工件的特定外部轮廓，罩圈冲压模具的落料凹模结构尺寸如图 6.2 所示。第 20 页 共 30 页图 6.2 罩圈冲压模具的落料凹模结构尺寸示意图6.26.2 凸凹模刃口尺寸的确定凸凹模刃口尺寸的确定 随着模具技术的快速发展，对冲压工艺和模具设计提出越来越高的要求，凸模和凹模作为冲压生产中的重要结构，影响着产品质量的好坏以及模具寿命的高低。模具的刃口是指冷冲模具用来冲孔或落料的凸模和凹模的刀口，一个是凸模的刀口，另一个是凹模的刀口，凸模与凹模之间的间隙称为刃口间隙，板料或材料的厚度不同则刃口间隙值也不同。凸模在磨损过程中尺寸越来越小，凹模在磨损过程中尺寸越来越大，导致凸凹模之间的间隙越来越大应当合理选择刃口间隙值，18制作合理尺寸的模具、合理的刃口间隙值与合理的凸模、凹模刃口尺寸公差可以减小模具在冲压生产过程中的磨损，可以提高模具生产加工精度和工件的质量，所以需要对模具进行刃口尺寸的分析和计算。19模具刃口尺寸有两种计算方式，分别加工法和配做法，在此选用配做法加工，容易保证其最小合理间隙值。翻孔的预制孔直径可以近似的按照弯曲展开计算，如式 6.1。0d （6.1）htrdD)2(2201计算得：7 .400d第 21 页 共 30 页第一类尺寸 A：凸凹模或者凸模在模具工作过程中尺寸会不断增大； (6.2)4/1(0)max(xAAj第二类尺寸 B：凹模或者凸模在模具工作过程中尺寸会不断减少； (6.3)0)4/1()min(xBBj其中，x 为磨损系数，工件精度为 IT14，取 x=0.5表 6.1 工作零件刃口尺寸计算尺寸类型公称尺寸计算公式计算结果A121)4/1(0)max(xAAj25. 005 .120B7 .400)4/1()min(xBBj016. 001.41第 22 页 共 30 页6.36.3 拉深零件工作尺寸的计算拉深零件工作尺寸的计算6.3.16.3.1 拉深凸凹模圆角半径拉深凸凹模圆角半径由于工件保证外形尺寸，所以由图知，取。mmrp3mmrd3所以凸模圆角半径为 3mm。凹模圆角半径为 3mm。6.3.26.3.2 拉深凸模和凹模单边间隙拉深凸模和凹模单边间隙 Z Z根据凸模和凹模单边间隙计算公式： （6.4）max) 1 . 11 (tZ 其中，为材料最大厚度。计算得凸模和凹模的单边间隙。maxtmmZ16.3.36.3.3 拉深凸、凹模工作部分尺寸及公差拉深凸、凹模工作部分尺寸及公差由于工件保证外形尺寸，凸、凹模工作部分尺寸及其公差计算公式分别为 （6.5）dDDd0min)75. 0( （6.6）0min)275. 0(pZDdp式中，为凹模的公称尺寸；为凸模的公称尺寸；为拉深件外径dDpdminD下极限尺寸；为拉深件公差；、为凸模、凹模的制造公差，查表得：pdmm、；为拉深模的间隙。03. 0pmmd05. 0Z 计算得：、mmDd05. 0045.99mmdp003. 045.97第 23 页 共 30 页7 7 冲压设备的校核与选定冲压设备的校核与选定7.17.1 压力机压力机型号及参数确定型号及参数确定压力机种类多种多样，选择合理的压力机可以提高工件质量和模具寿命，20根据工序性质、冲压件几何尺寸、模具的外形尺寸和冲压力大小来选择适合本产品加工的冲压设备。冲压设备一般可分为机械压力机、电磁压力机、气动压力机和液压机四大类，常见的冲压设备为机械压力机（以 Jxx 表示其型号）和液压机（以 Yxx 表示其型号）。机械压力机有摩擦压力机、曲柄压力机和高速冲床，摩擦式压力机是利用摩擦传动机构与飞轮之间的摩擦传递动力，驱动飞轮螺杆，用不同的摩擦盘压紧来改变滑块的运动方向。21此种压力机高效节能，较传统压力机可节能 60%以上；结构简单可靠，故障率低，易于维护。由于能精确控制打击能量，减轻了模具承受过大的载荷，提高模具寿命，用于小批量的弯曲成形工序；曲柄式压力机是利用曲柄连杆机构进行工作，电动机带动皮带轮转动，在离合器离合的情况下飞轮带动曲轴转动，滑块通过连杆安装在曲柄轴上，滑块由于曲柄轴的旋转而在一定行程内竖直往复运动。22开式曲柄压力机适用于中小型冲压模，其安装方便、操作方便；闭式曲柄压力机适用于大中型冲压模，冲压生产加工精度比较高。此类压力机效率高，适用于落料模、冲孔模、弯曲模和拉伸模等各类冲压加工。液压机有油压机和水压机，利用帕斯卡原理，靠静压力传递动力使工件变形或使物料压制成形。采用油为工作介质的称为油压机，采用乳化液为工作介质的称为水压机。水压机多用在耗油量大的以及热加工用的液压机设备，油压机在润滑、防锈方面优于水压机。由于液压机能实现较大的压力和工作行程，而且设备结构简单、设备运行平稳，所以在深拉工艺以及大型厚板成形工序中常用。本模具在冲裁过程中总的冲压力，根据冲压设备的类型和工KNF1051总作特点，结合复合模的结构形式和尺寸大小、工件的尺寸大小、冲裁力大小、复合模闭合高度等结构和参数选择型号为 J31-160 压力机，J31-160 型号的机械压力机可以满足各项生产要求，其规格及参数如表 7.1 所示。第 24 页 共 30 页表 7.1 J31-160 型号 压力机规格及参数型号J31-160公称压力 /KN1600滑块行程 /mm160最大闭合高度 /mm360装模高度 调节 量/mm120滑块中心线至床身距离/mm375前后560滑块底面尺寸 /mm左右510直径75模柄孔尺寸 /mm深度90电动机功率 /KW15外形尺寸（长 宽高） /mm195020003755净重 /Kg148007.27.2 冲压设备的校核冲压设备的校核在冲压设备选定之后需要对其进行校核，校核标准有多方面，但是最主要的是模具的闭合高度，它是指冲压模在最低工作位置时，上模座上平面至下模座下平面之间的最小距离，它应与压力机的装模高度相适应，应介于冲床最大和最小闭合高度之间，否则会导致模具安装不上，影响模具寿命。2324模具各个部件高度之和即时模具闭合高度，也可以在 AutoCAD 制图上直接标注得出，罩圈冲压模具闭合高度为 196mm，而 J31-160 型号的压力机最大闭合高度为360mm，装模高度调节量为 120mm，所以压力机选用合理。第 25 页 共 30 页8 8 小结小结本文的主要内容为罩圈的落料、拉深、冲孔和翻边的冲压工艺及模具设计。首先阐述了课题研究的主要目的、意义和国内外研究现状。通过查阅国内外文献资料，借鉴参考了模具设计手册中的设计优点，在原有的基础上加以创新和改进，在已有的模具技术研究基础上对课题进行设计，对罩圈的冲压模具进行完整的设计。拟定模具设计方案并进行工艺参数计算，设计了一款适应目前生产技术的罩圈的冲压模具。首先，通过冲裁件工艺性分析包括零件材料分析和零件结构分析确定了冲压模具设计方案，是同一个位置完成工件中的落料和冲孔两个工序的复合模，该结构方案结构简单、成本低、操作简单，易于实现自动化。其次，进行了模具结构零部件的设计，包括送料方式、定位方式、卸料方式和模架样式，采用自动送料机构和导向精度较高的四导柱模架作为导向方式，在此过程中充分考虑到加工精度、加工成本和加工效率，设计出了符合大批量生产的总体结构；再次，确定了模具工艺参数，包括单排样方式、冲压力详细的分析和计算，确定了排样方式为少废料的斜排排样方式，分析计算了搭边值、步距、条料宽度、材料利用率，分析计算了冲裁力、卸料力、推件力和总冲压力，最终确定了冲压设备的型号，本课题选用的 J23-10 号压力机符合生产加工需求；最后，确定了凸模和凹模的结构尺寸，分析了凸、凹模尺寸变化规则与规律，进行了凸、凹模刃口尺寸计算。本文的模具结构在保证工件尺寸和形状位置精度要求的同时，提高了材料的利用率，能够实现工件的机械化和自动化生产，提高了生产效率的同时节约了人工成本，满足模具结构设计要求，比较符合实际工厂的加工生产。另外，本文利用 AutoCAD 二维制图软件设计了模具的总体结构以及各个主要零部件的结构，在此基础上，对冲压结构的总体布局和主要零部件进行了二维。通过对课题的研究和设计，我们认识到模具在生活生产中的重要地位，认识到了模具生产的优点，使我们必须把理论知识和模具设计与制造的实践相结合。运用综合知识去设计新的产品。通过这次冲压模具的设计，我对冲压模有了认识上的提高，在设计过程中不但复习了关于材料的性质、冲压模各个部件第 26 页 共 30 页的结构特点，还把以前较分散的知识体统话，有了更好的了解。另外，现在一些绘图软件的开发使得模具的图形设计比较简单快捷，提高了绘图质量，并且提高了绘图效率。在作图或是查阅资料的同时虽然遇到很多麻烦和困难，但是通过自己不懈的努力，还有同学的帮忙，终于把问题解开，体会到了茅塞顿开的感觉，体会到了问题解决后的喜悦，我会再接再厉去做好每一次模具设计，不断的提高自己。最后，我们应该做的就是掌握正确的模具设计方法和思路，设计出更实用，更有技术含量的模具。但是随着技术不断创新，冲压模具设计与加工技术快速发展，虽然本文对罩圈做了总体模具设计和各个零部件的设计，但是仍然有些技术待进一步探索和研究：（1）模具各个零部件的加工工艺路线。工件的加工质量、工件尺寸精度和模具寿命跟模具每个零部件的尺寸息息相关，所以制定合理准确的加工工艺路线尤为重要；（2）另外需要说明的是模具的安装。模具的安装合理与否直接关系到冲压行程的可行性和模具的使用寿命，所以模具的安装步骤非常重要，要制定正确合理的模具安装顺序和手册，要严格按照模具安装手册进行安装。第 27 页 共 30 页致谢三年的大学生生活即将结束，无论在思想上还是在学习上、生活上我都有很大的提升，这一切都离不开我的母校广东技术师范大学，给我不断成长和进步的良好环境，离不开各位老师和同学的指导和帮助，没有你们就没有现在的我。我不奢求自己成为“白骨精”-白领、骨干、精英。但求自己将来有一天能穿上令人着迷的工作职业装，成为一位有品味、有个性、有内涵的地地道道的机械设计师。简单，对我，而不简单的理想，三年的大学生活我又朝小小的梦想迈进了一步。感谢我的老师三年来对我的培养。无论是公共课老师还是专业课老师，他们是园丁，我们是树枝是花朵，老师们不但传道受业解惑，教我们分析问题的方法，解决问题的方法，还教我们做人的道理、处事的方式，使我们这些小树小花不断向更广阔的蓝天成长，不断向更深的土地扎根。在学习上，老师将机械加工制造、材料与寿命、加工方法等等各方面的专业知识耐心传授讲解给我们，毕业论文的选题、写作和完成都离不开老师的悉心指导和严格要求；在实习工作中，老师对
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