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1、烟灰缸盖的冲压工艺及模具设计摘 要：本设计应用本专业所学的模具理论和生产实际知识进行一次冷冲压模具设计，其中包括了落料拉深复合模和冲孔翻边复合模的设计。这次模具设计的目的在于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内容。关键词：落料拉深；冲孔翻边；工艺分析The Stamping and Mold Design of Ashtray CoverStudent：KUANG ChaoTutor：DONG Liang（Oriental Science &Technology College of Humen Agriculturial University，Changsha4101
2、28）Abstract：This paper applied the professional mould theory and production to learn a practical knowledge of cold stamping mould design, including the blanking deep drawing composite membrane and punching flanging composite membrane design. The mould design purpose was to improve students ability t
3、o work independently, consolidate and expand cold stamping mould design lessons content. Key word：blanking drawing; punching flanging; process analysis1 前言随着科学技术的发展需要，模具已成为现代化不可缺少的工艺设备，模具设计是机械专业一个最重要的教学环节，而且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。冲压成型作为现在工业中一种十分重要的加
4、工方法，用以生产各种板料零件，具有很多独特的优势，其成型件具有自重轻、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，是一种其他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。本设计应
5、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棸，掌握冷冲压模具设计的基本的模具技能，并懂得了怎么样分析零件的工艺性，怎么样确定工艺方案，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。采用落料拉深复合模，能较好地实现落料及落料件的修边，模具设计制造也简便易行。落料拉深效果好，能极大地提高生产效率，但落料拉深凹模的设计较为重要，设计中应充分考虑其落料拉深模口形状，否则易影响落料拉深件的形
6、状。主要工序包括：a落料拉深复合模加工，b冲孔翻边复合模加工，c成型。本设计分别论述了产品工艺分析，冲压方案的确定，工艺计算，模板及零件设计，模具组立等问题。本设计的内容是确定复合模内型和结构形式以及工艺性，绘制模具总图和非标准件零件图。这次毕业设计的目的有两个：一是让学生掌握了查询资料和手册的能力，并能够很好的理解课程上所学习的知识。二是掌握了模具设计的方法和步棸，了解了模具加工的工艺过程。2 零件外形图图1零件外形图Figure 1 Appearance picture of the part3 零件冲压工艺分析如图所示，该工件为轴对称拉深件，在圆周方向上的变形也是均匀的，模具的加工也比较
7、容易，但是中间有个内凹孔，这就不得不用翻边来完成工件的加工。（1）从工件形状上看，属于圆筒形拉深件，其主要问题是考虑圆筒形件是否可以一次拉成。 （2）由于中间有内凹孔，所以也要判断是否可以一次翻边成功。 （3）由于该工件精度要求不高，不需要扩孔跟出毛坯等提高加工精度的步棸。4 冲压工艺方案的分析和比较（1）方案1先落料拉深采用连续模，再冲孔，最后翻边（2）方案2先落料拉深复合，再冲孔，最后翻边（3）方案3先落料拉深复合，再冲孔翻边复合方案的比较就是冲压件的工艺路线的比较，主要包括冲压工序数，工序的组合和顺序的比较等。确定合理的冲裁工艺方案应在不同的工艺方面进行全面的分析与研究，比较其综合的经济
8、技术效果，选择一个合理的冲压工艺方案。方案1虽然考虑到零件拉深工艺的复杂性，减少了产品的冲压成型时间，但是模具结构复杂且精度要求高，制造周期长，制模成本高，加工也不方便。而方案二虽然用落料拉深复合模相应地提高了成型的速度，但是后面2个工序却增加了制造的周期。相比之下方案三由于采用落料拉深复合模和冲孔翻边复合模就大大地提高了成型的速度，使得模具制造周期短，制造低廉，工人操作安全，方便可靠。5 确定排版、裁板方案在冲压生产中，节约金属和减少废料具有非常重要的意义，特别是在大批量生产中，合理的排样和选择适当的搭边值是降低成本、保证工件质量及延长模具寿命的有效措施。此冲裁件为圆形，采用无废料排样不可能
9、，而采用少废料排样影响了工件的质量和精度，同时还会缩短模具的寿命，所以采用直排的方式来确定排样方案。5.1 计算冲裁件的面积AA = D = 3.14*138 = 14957.12 mm （1）按表1查得最小搭边值：a = 1.5mm，a1 = 1.5mm （2）条料宽度：b = 138+2a =141mm （3）进距：h = 138+a1 = 139.5mm （4）一个进距的材料利用率=n*A/bh*100%=76% （5）表1冲裁金属材料的搭边值Table 1 Punching metal structures on the value side 料厚 圆形 非圆形 往复送料 自动送料 a
10、 a1 a a1 a a1 a a11 1.5 1.5 2 1.5 3 2 - - 12 2 1.5 2.5 2 3.5 2.5 3 223 2.5 2 3 2.5 4 3.5 - -34 3 2.5 3.5 3 5 4 4 345 4 3 5 4 6 5 5 456 5 4 6 5 7 6 6 568 6 5 7 6 8 7 7 6 8 7 6 8 7 9 8 8 7 6 落料拉深复合模工序设计计算6.1 冲压件的工艺分析此工件为无凸缘圆筒形件，要求内形尺寸，没有厚度不变的要求。工件底部圆角半径rt=8mm，大于拉深凸模圆角半径rp =46mm（查表4.31的首次拉深凹模圆角半径rd，而rp
11、=（061）rd=46mm），满足要求。最后按公查表查得工件为IT14级，满足拉深工序对工件公查等级的要求。6.1.1 计算毛坯直径如图1所示，h =（25.5-0.5）= 25mm，d =（100-1）= 99。工件的相对高度h/d = 25mm/99mm =0.253。根据相对高度从表2中查得修边余量h = 2mm。由表2序号1，查得无凸缘圆筒形拉深工件的毛坯尺寸计算公式为D = （d+4dH-1.72rd-0.56r） （6）将d =99mm，H =h+h = 27mm，r =8+0.5 = 8.5mm代入上式得D =138mm表2常用旋转体拉深件毛坯直径的计算公式Table 2 Com
12、mon rotation drawing parts formula for calculating the blank diameter序 号 工作形状 毛坯直径D1 （d+4d（H+）-1.72rd-0.56r）6.1.2 判断拉深次数工件总的拉深系数m总 = d/D = 99/138 = 0.7，毛坯相对厚度t/D = 1/138 = 0.0072。用式0.045（1-m） m总来判断是否需要压边。因0.045（1-m）= 0.045*（1-0.7）= 0.0135 0.0072，故需加压边圈。由相对厚度可以从表3中查得首次拉深的极限拉深系数m=0.54因m总m1,故工件只需一次拉深。表
13、3 无凸缘圆筒形工件的多次拉深Table 3 No lugs cylindrical workpieces repeatedly deep drawing拉深因数 毛坯的相对厚度t/D*100 21.5 1.51.0 1.00.5 0.60.3 0.30.15 m1 0.480.50 0.500.53 0.530.55 0.550.58 0.580.60 m2 0.730.75 0.750.76 0.760.78 0.780.79 0.790.80 m3 0.760.78 0.780.79 0.790.80 0.800.81 0.810.82 m4 0.780.80 0.800.81 0.81
14、0.82 0.820.83 0.830.85 m5 0.800.82 0.820.83 0.830.85 0.850.86 0.860.876.2 拉深的相关计算6.2.1 确定工艺方案本工件首先需要落料制成D = 138mm的圆片，然后以D = 138mm的圆板料为毛坯进行拉深，拉深成外径为1000-0.87mm、内圆角R为8mm的无凸缘圆筒，最后按h = 25.5mm进行修边。6.2.2 进行必要的计算（1）计算压边力、拉深力 由表4确定压边力的计算公式为FQ = /4D-(d1+2rd)p （7）式中rd = rp = 8mm，D = 116mm，d1 = 74，由相关资料查得p=2.7
15、MPa代入上式，得压力为FQ=13225N表4 压边力的计算公式Table 4 Put pressure on our side of the formula 拉深情况 公式 拉深任何形状的工件 FQ = Ap 圆筒形件的第一次拉深（用平板毛坯） FQ = /4D-（d1+2rd）p圆筒形件以后各次拉深（用筒形毛坯） FQ = /4（dn-1-dn）p查表5计算拉深力为F=K1d1tb （8）已知m = 0.7，由表5查得K1=0.52，10钢的强度极限b=430MPa式中d = 99mm，t = 1mm，得出F = 69544N表5 计算拉深力的使用公式Table 5 Using formu
16、la calculation of drawing force拉深件型式 拉深工序 公式 查系数k的表格编号无凸缘圆筒形件 第1次 FL = d1tbk1 查表8 第2次及以后 FL = d2tbk2 查表9查相关资料，压力机的公称压力为F压 1.4（FQ+F）= 114627N 故选用的压力机公称压力要大于125KN。（2）模具工作部分尺寸的计算 拉深模的间隙。由表6查得拉深模的单边间隙为Z/2 = 1.1mm。 表6 有压边圈拉深时的单边间隙值Table 6 Unilateral clearance of the blank holder drawing value总拉深次数 拉深工序 单
17、边间隙Z/2 1 一次拉深 （11.1）t 拉深模圆角半径凹模的圆角半径rd按表7选取，rd = 8t = 8mm。凸模的圆角半径r等于工件的内圆角半径，即rp = r = 8mm。 表7首次拉深凹模的圆角半径Table 7 Deep drawing die for the first time the fillet radius拉深件形式 毛坯的相对厚度t/D*100 2.01.0 1.00.3 0.30.1 有凸缘 （46）t （68）t （812）t 无凸缘 （812）t （1215）t （1520）t 拉深凸、凹模工作部分的尺寸和公查。由于工件要求内形尺寸，则以凸模为设计基准。已知 =
18、 0.87，凸模尺寸的计算见表8得dp =（D-0.75-Z）0-p将模具公查按IT11级选取，则p = 0.22代入数据得dp =97.150-0.22间隙取在凹模上，则凹模的尺寸按表8计算，即dd =（D-0.75）+d0，则得出dd = 99.35+0.220 表8 拉深模径向尺寸计算公式Table 8 Radial size drawing die formula尺寸标准方式 凹模尺寸 凸模尺寸 标注内形尺寸 中间拉深dd = （dmin+Z）+d0 中间拉深dp = dmin0-p 末次拉深 末次拉深 dd = （dmin+0.4+Z）+d0 dp = （dmin+0.4）0-p 标
19、注外形尺寸 中间拉深Dd = Dmax+d0 中间拉深Dp = （Dmax-Z）0-p 末次拉深 末次拉深 Dd = （Dmax-0.75）+d0 Dp = （Dmax-Z-0.75）0-p6.2.3 确定凸模的通气孔由表9查得，凸模的通气孔直径为8mm。表9 拉深凸模出气孔尺寸Table 9 Drawing a pore size of the punch凸模直径dp/mm 50100 100200 200 出气孔直径d/mm 5 6.5 8 9.5 数量 按圆周直径5060均步47个成一组6.2.4 落料凸、凹模工作部分的尺寸和公查。查表10的间隙值Zmin = 0.13mm，Zmax =
20、 0.16mm。 表10 落料、冲孔模刃口始用间隙Table 10 Blanking, piercing begins with cutting edge gap材 45 10、15、20 Q215、Q235钢板 H62、H68（软）、 酚醛环氧层压 钢纸板、料 T7、T8（退火）30钢板 0.8、10.15钢板 防锈刚 玻璃布板 云母板名 称力学性能 600MPa 400600 300400MPa 300MPa厚度t 初始间隙Z Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax 0.1 0.015 0.035 0.01 0
21、.03 - - - - - - - - 0.2 0.025 0.045 0.015 0.035 0.01 0.03 - - - - - - 0.3 0.04 0.06 0.03 0.05 0.02 0.04 0.01 0.03 - - - - 0.5 0.08 0.10 0.06 0.08 0.04 0.06 0.025 0.045 0.01 0.02 - - 0.8 0.13 0.16 0.10 0.13 0.07 0.10 0.045 0.075 0.015 0.03 - - 1.0 0.17 0.20 0.13 0.16 0.10 0.13 0.065 0.095 0.025 0.04
22、- -查表11的磨损系数x = 0.5，=1，取合理最小间隙为0.15mm 表11 磨损系数xTable 11 Wearing and tearing coefficient of form x材料厚度t/mm 非圆形 圆形 1 0.75 0.5 0.75 0.5 工件公查/mm 1 0.16 0.170.35 0.36 12 0.20 0.210.41 0.42 24 0.24 0.250.49 0.50 4 0.30 0.310.59 0.60 3080 0.20 0.2080120 0.25 0.035120180 0.030 0.0406.2.5 拉深模具总体设计模架尺寸上模座：L/m
23、m*B/mm*H/mm=250*200*45 GB2855.5-81 HT200下模座：L/mm*B/mm*H/mm=250*200*45 GB2855.6-81 HT200导柱：d/mm*L/mm=32*160 A32h5*160 GB2861.1-81导柱：d/mm*L/mm*D/mm=32*65*45 A25h5*65*45 GB2861.7-81模具的闭合高度：200mm凸模固定板的厚度：16mm凹模固定板的厚度：35mm卸料板的厚度：14mm压边圈的厚度：10mm如图所示图2 落料拉深复合模具总装配图Figure 2 Drawing compound die for blanking
24、 General Assembly drawing7 冲孔翻边复合模工序设计计算7.1 翻边件的工艺分析60mm处由内孔翻边成形，翻边前应预冲孔；100mm是圆筒形拉深件，可一次拉深成形。工序安排为落料、拉深、预冲孔、翻边等。翻边前为100mm、高25mm的无凸缘圆筒形件，如图17.2 工艺计算7.2.1 计算预冲孔D = 59mm，H = 10mm，h = H-r-t = 10-8-1 = 1mm 由相关资料查得计算翻边前预冲孔直径d0的公式d0 = D-2（H-0.43r-0.72t）=59-2*（10-0.43*8.5-0.72）=47.75mm7.2.2 计算翻边系数由表13计算翻边系
25、数为m=d0/D=0.81 由d/t = 47.75查相关资料得知10钢极限翻边系数为0.75 m，所以该零件能一次翻边成形，预冲孔直径d = 47.75mm。 表13各种材料的翻边系数Table 13 Flanging coefficient of various materials材料名称 翻边系数 K Kmin 白铁皮 0.70 0.65 软刚 t = 0.252mm 0.72 0.68 软刚 t = 36mm 0.78 0.75 黄铜H62 t = 0.56mm 0.68 0.62 铝 t = 0.55mm 0.70 0.64 硬铝合金 0.89 0.807.2.3 计算翻边力P =
26、1.1（D-d）b中查表16得b = 206MPa，得出p = 2549.25N7.2.4 翻边模具工作部分尺寸（1）拉深模的间隙。由表14查得拉深模的单边间隙为Z/2 = 0.85mm。 表14平板毛坯翻边时凸、凹模之间的间隙Table 14 The gap between the die with flat blank flange convex 工件形状 t/mm Z/2/mm0.3 0.250.5 0.450.7 0.600.8 0.701.0 0.851.2 1.001.5 1.302.0 1.70（2）凸、凹模工作部分的尺寸和公查。由于工件要求内孔尺寸，则以凸模为设计基准。已知 =
27、 0.74，凸模尺寸的计算见相关资料dp =（d0min+）0-p将模具公查按IT11级选取，则=0.19代入数据得dp =58.740-0.19 间隙取在凹模上，则凹模的尺寸按表15计算，即dd =（d0min+Z）+d0，则得出dd=60.44+0.190 表15圆形拉深模凸、凹模的制造公查Table 15 Round convex drawing die and die manufacturing tolerances材料厚度 工件直径的基本尺寸 1050 50200 200500 d p d p d p d p0.25 0.015 0.010 0.02 0.010 0.03 0.015
28、 0.03 0.0150.35 0.020 0.010 0.03 0.020 0.04 0.020 0.04 0.0250.5 0.030 0.015 0.04 0.030 0.05 0.030 0.05 0.0350.80 0.040 0.025 0.06 0.035 0.06 0.040 0.06 0.0401.0 0.045 0.030 0.07 0.040 0.08 0.050 0.08 0.0607.2.5 预冲孔模具工作部分尺寸查表10的间隙值Zmin =0.13mm，Zmax =0.16mm。 查表11的磨损系数x=0.5，=0.74，取合理最小间隙为0.13mm 查表12得出d
29、d =（dmin+x*+ Zmin）=48.25+0.190 dp =（dmin+x*）=48.120-0.197.2.6 翻边模具总体设计模架尺寸上模座：L/mm*B/mm*H/mm=170*160*45 GB2855.5-81 HT200下模座：L/mm*B/mm*H/mm=170*160*45 GB2855.6-81 HT200导柱：d/mm*L/mm=28*160 A28h5*160 GB2861.1-81导柱：d/mm*L/mm*D/mm=28*60*42 A28h5*60*42 GB2861.7-81模具的闭合高度：200mm凸模固定板的厚度：20mm凹模固定板的厚度：16mm凹模
30、固定板的厚度：30mm卸料板的厚度：14mm垫板的厚度：10mm如下图所示：图3 冲孔翻边复合模总装配图Figure 3 Total Assembly of piercing-flanging compound film8 各凸模与凸凹模校核8.1 落料凸模的校核8.1.1 凸模抗压强度校核凸模正常工作条件是其刃口断面承受的轴向压力不应超过模具材料的许用压应力，即c = F /S c （9）式中：c凸模刃口端面承受的压应力，MPa；F作用在凸模刃口端面上的总压力，N；S凸模刃口端面面积，mm；c 模具钢的许用压应力，MPa。圆形凸模如图，即d d = 4tk（1+nK推）/c （10）式中：S
31、min凸模端面面积的临界值，mm；dmin凸模的最小许用直径，mm；d凸模的设计直径，mm；n积聚在凹模型孔内的零件数；K推推件力系数。8.1.2 凸模抗压失稳校核 细长凸模抗压失稳条件，可用压杆失稳的欧拉公式确定。求压杆失稳临界载荷F的欧拉公式为Fcr = EJ/（lmax） （11） 式中：Fcr压杆（凸模）失稳时的临界载荷，N Lmax临界载荷作用下，压杆（凸模伸出固定板）的“许用”长度，mm； E弹性模数，MPa，对于模具钢E = （2.12.2）*1010MPa； J凸模最小断面的惯性矩，mm，圆形凸模，J = d/64； 与支撑情况有关的长度系数。 载荷条件：凸模刃口端面承受的总冲
32、压力F应小于临界载荷Fcr，即FFcr。为此，引入安全系数K，通常取K = 23，则可令Fcr=KF 如图所示是无导向装置的模具结构，则lmax=0.5（EJ/（KF） （12） 凸模的长度llmax则符合要求。而凸模长度为54mm60mm，故符合要求8.2 拉深凸凹模的校核8.2.1 凸凹模抗压强度校核带入如上的公式得出符合要求8.2.2 凸凹模抗压失稳校核带入如上的公式得出凸凹模长度l=74mm85mm,故符合要求。8.3 翻边凸凹模的校核8.3.1 凸凹模抗压强度校核带入如上的公式得出符合要求8.3.2 凸凹模抗压失稳校核带入如上的公式得出凸凹模长度l=84mm85mm故符合要求。图4
33、拉深凸模图Figure 4 Deep drawing the punch figure9 卸料弹簧设计弹簧预压力公式： （13）式中 弹簧预压力，N； 卸料力或推件力、压边力，N； 弹簧根数。弹簧允许的最大压缩量：式中 弹簧允许的最大压缩量，； 弹簧需要的总压缩量，； 弹簧预压缩量，； 卸料板或推件块、压边圈的工作行程，一般取料厚加1； 模具的修模量或调整量，mm，一般取。卸料力： 设弹簧个数为8个，所以由一个弹簧预压力，从标准中初选弹簧规格：弹簧中径35mm，弹簧钢丝直径d=5mm,节距7.93mm，弹簧自由高度为50mm表16 圆柱螺旋压缩弹簧Table16 Helical compression spring序号 弹簧中径 材料直径 节距 自由高度 最大工作负荷5 406 507 25 5 7.93 55 10488 659