中轴碗冲压成形工艺与模具设计.doc

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1、1 绪 论模具工业是国民经济的基础工业,是工业生产的重要工艺装备。先进国家的模具工业已摆脱从属地位,发展为独立的行业。日本工业界认为: “模具工业是其它工业的先行工业,是创造富裕社会的动力”。美国工业界认为:“模具工业是美国工业的基石”。在德国模具被冠以 “金属加工业中的帝王”之称。冲压是一种先进的少无切削加工方法,具有节能省材,效率高,产品质量好,重量轻,加工成本低等一系列优点,在汽车,航空航天,仪器仪表,家电,电子,通讯,军工,日用品等产品的生产中得到了广泛的应用。据统计,薄板成型后,制造了相当于原材料的12倍的附加值,在国民经济生产总值中,与其相关的产品占四分之一,在现代汽车工业中,冲压

2、件的产值占总产值的59%。随着我国经济的迅速发展，采用模具的生产技术得到愈来愈广泛的应用。1.1 国内模具的现状和发展趋势1.1.1国内模具的现状我国模具近年来发展很快，据不完全统计，2003年我国模具生产厂点约有2万多家，从业人员约50多万人，2004年模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004年模具产值530亿元。进口模具18.13亿美元，出口模具4.91亿美元，分别比2003年增长18%、32.4%和45.9%。进出口之比2004年为3.69:1，进出口相抵后的进净口达13.2亿美元，为净进口量较大的国家。在2万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在模具企

3、业中，产值过亿元的模具企业只有20多家，中型企业几十家，其余都是小型企业。近年来，模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为：大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一般模具产品；专业模具厂数量增加，能力提高较快；三资及私营企业发展迅速；国企股份制改造步伐加快等。虽然说我国模具业发展迅速，但远远不能适应国民经济发展的需要。我国尚存在以下几方面的不足: 第一，体制不顺，基础薄弱。 “三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用，私营企业近年来发展较快，国企改革也在进行之中，但总体来看，体制和机制尚不适应市场经济，再加上国内模具工业基础薄弱，因此，行业发展还不尽如

4、人意，特别是总体水平和高新技术方面。 第二，开发能力较差，经济效益欠佳.我国模具企业技术人员比例低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家大多是1520万美元，有的高达2530万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的企业较少。 第三，工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低虽然国内许多企业采用了先进的加工设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控化率和CAD/CAM应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等原因，引进设备不配套，设备与附配件不配套现

5、象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好解决。装备水平低，带来中国模具企业钳工比例过高等问题。 第四，专业化、标准化、商品化的程度低、协作差 由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，许多模具企业观念落后，模具企业专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占45%左右，其馀为自产自用。模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务，与国际水平相比要落后许多。模具标准化水平低，标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，对模具制造周期影响尤甚。 第五，模具材料及模具相关技术落后。模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具

6、钢与国外进口钢相比，无论是质量还是品种规格，都有较大差距。塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具水平的提高。1.1.2国内模具的发展趋势 巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。虽然我国的模具工业和技术在过去的十多年得到了快速发展，但与国外工业发达国家相比仍存在较大差距，尚不能完全满足国民经济高速发展的需求。未来的十年，中国模具工业和技术的主要发展方向包括以下几方面: 1） 模具日趋大型化； 2）在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术； 3）模具扫描及数字化系统； 4）在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术； 5）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率

7、；6）发展优质模具材料和先进的表面处理技术；7）模具的精度将越来越高； 8）模具研磨抛光将自动化、智能化； 9）研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；10）开发新的成形工艺和模具。1.2国外模具的现状和发展趋势模具是工业生产关键的工艺装备，在电子、建材、汽车、电机、电器、仪器仪表、家电和通讯器材等产品中，6080的零部件都要依靠模具成型。用模具生产制作表现出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清洁环保的特性，是其他加工制造方法所无法替代的。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。近几年，全球模具市场呈现供不应

8、求的局面，世界模具市场年交易总额为600650亿美元左右。美国、日本、法国、瑞士等国家年出口模具量约占本国模具年总产值的三分之一。国外模具总量中,大型、精密、复杂、长寿命模具的比例占到50%以上；国外模具企业的组织形式是大而专、大而精。2004年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织-德国机械制造商联合会（VDMA）工模具协会了解到，德国有模具企业约5000家。2003年德国模具产值达48亿欧元。其中（VDMA）会员模具企业有90家，这90家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的90%，可见其规模效益。 随着时代的进步和技术的发展，国外的一些掌握和能运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺

9、设计、高级钳工及企业管理人才，他们的技术水平比较高故人均产值也较高我国每个职工平均每年创造模具产值约合1万美元左右，而国外模具工业发达国家大多1520万美元，有的达到 2530万美元。国外先进国家模具标准件使用覆盖率达70%以上，而我国才达到45。1.3深圆筒拉深模具设计的设计思路拉深是冲压基本工序之一，它是利用拉深模在压力机作用下，将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法。它不仅可以加工旋转体零件，还可以加工盒形零件及其他形状复杂的薄壁零件，但是，加工出来的制件的精度都很底。一般情况下，拉深件的尺寸精度应在IT13级以下，不宜高于IT11级。只有加强拉深变形基础理论的研究，才能提供更

10、加准确、实用、方便的计算方法，才能正确地确定拉深工艺参数和模具工作部分的几何形状与尺寸，解决拉深变形中出现的各种实际问题，从而，进一步提高制件质量。圆筒件是最典型的拉深件，其工作过程很简单就一个拉深，根据计算确定它不能一次拉深成功.因此，需要多次拉深。在最后的一次拉深中由于制件的高度太高，根据计算的结果和选用的标准模架，判断此次拉深不能采用标准的模架。为了保证制件的顺利加工和顺利取件，模具必须有足够高度。要改变模具的高度，只有从改变导柱和导套的高度。导柱和导套的高度可根据拉深凸模与拉深凹模工作配合长度决定。设计时可能高度出现误差，应当边试冲边修改高度。2 异形端盖冲压工艺的分析2.1拉深件工艺

11、分析工件：如下图所示 材 料：15钢 厚 度： 2.5mm 此工件为带凸缘圆筒形工件，形状简单对称。零件图上未标注公差尺寸按IT14精度计算。2.2 冲压工艺方案分析 2.2.1 冲压工艺方案的确定该工件包括落料、拉深两个基本工序，可以有以下三种工艺方案：方案一：先落料，后拉深，然后冲孔。采用单工序模生产。方案二：落料拉深复合冲压，然后冲孔。采用复合模生产。方案三：拉深级进冲压，然后冲孔。采用级进模生产。方案一模具结构简单，但需要三道工序三副模具，生产效率低，难以满足该工件大批量生产的要求。方案二只需两副模具，生产效率较高，尽管模具结构较方案一复杂，但由于零件的集合行装简单对称，模具制造并不困

12、难。方案三也只需两副模具，生产效率高，但模具结构比较复杂，送进操作不方便，加之尺寸偏大，通过对上述三种方案的分析比较，若该工件能一次拉深，则其冲压采用方案二为佳。2.3 工艺计算2.3.1 计算毛坯尺寸1.计算工件凸缘相对直径，确定修边余量（1）由工件图可知 t=2.5mm1mm,故按板厚中径尺寸计dt=60mm d=37.5mm H=11.5mm。凸缘相对直径dt/d=60/37.5=1.6 查表4.2得 修边余量h=1.6mm 故按实际外径dp=60+1.6263.2mm计算。（2）计算毛坯直径DD=mm=73.9mm2.3.2 确定工件是否能一次拉深成形工件总的拉伸系数 m=d/D=37

13、.5/73.9=0.507,工件总的拉伸相对高度H/d=11.5/37.5=0.307。由d/d=63.2/37.5=1.685,t/D100=2.5/73.9100=3.383,查表4.9得，有凸缘圆筒件第一次拉伸的极限拉伸系数m=0.45。由表4.10查得，有凸缘圆筒件首次拉伸的极限相对高度h1/d1=0.48,由于m=0.5070.45, H/d=0.3070.48,故此工件可以一次拉出。2.3.3确定是否用压边圈板料的相对厚度 t/D100=2.5/73.9100=3.383。由表4.7查得需要压料装置，拉伸时采用弹性压料装置。2.3.4落料排样设计1、确定零件的排样方案设计模具时，条

14、料的排样很重要。由于是圆形，所以采用直排，材料的利用率较高。 条料的排样2、条料宽度、导尺间宽度和材料利用率的计算查表2.9得搭边值a1=1.8mm,a=2.2mm。条料宽度的计算：拟采用无侧压装置的送料方式，得条料宽度 （2.36）导料板间距离 （2.37）D条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；a侧搭边值；条料宽度的单向（负向）偏差，见表2.10、2.11；查得0.8c导料板与最宽条料之间的间隙；其最小值见表2.12查得cmin=0.5mm。代入数据计算，取得条料宽度为mm A79.9mm。3材料利用率的计算：根据一般的市场供应情况，选950 mm1500 mm2.5 mm的冷轧钢板。每块可剪15

15、00mm 79.1mm规格条料12条，材料剪切利用率达99.9%。由材料利用率通用计算公式式（2.41）。 =式中 一个步距内冲裁件的实际面积，mm2； 一个步距内所需毛坯面积； A送料步距，mm； B条料宽度， mm。得 =67.0%一张板料上总的材料利用率 （2.42）式中 n一张板材上冲裁件的总数目；A1一个冲裁件的实际面积，mm2； n一个进距内的冲裁件数量； B板料宽度，mm； L板料长度，mm。得 = 由于板料相对较厚，直排材料的利用率相对已经很高了。2.3.5 主要工作零件的尺寸计算1.落料凸、凹模尺寸的计算由于落料是一个简单的圆形，因冲裁此类工件的凸、凹模制造相对简单，精度容易

16、保证，所以采用分别加工。设计时，需在图纸上分别标注凸模和凹模刃口尺寸及制造工差。根据设计原则,落料时以凹模为设计基准。由式（2.3）和（2.4）得 (2.3) （2.4）式中 DA、DT落料凹凸模尺寸； Dmax落料件的最大基本尺寸； x磨损系数； 工件制造公差； Zmin最小合理间隙； A、T凸、凹模的制造公差。查表2.4得Zmin=0.360mm x=0.500 查表2.5得 A0.020mm =0.030mm 0.74mm代入数据得 mm校核：查表2.4得Zmax=0.360mm Zmin=0.500mmA+T=(0.020+0.030)mm=0.050mm(0.500-0.360)mm

17、0.140mm2.拉深凸凹模尺寸的计算由于尺寸标注在零件内形，所以以凸模为基准，工作部分尺寸为： （4.37） （4.38）式中： 、凹、凸模的尺寸； dmin拉深件内径的最小极限尺寸； 零件的公差； A、T凹、凸模制造公差； Z拉深模双面间隙。0.17mm 查表A=0.020mm T=0.030mm 由公式（4.29）得（11.1）t t板料厚度 mm。 Z=2（11.1）2.5=55.5mm 取Z=5.1 mm 则 3.冲孔凸凹模尺寸的计算根据设计原则,冲孔时以凸模为设计基准。由式（2.5）和（2.6）得 (2.5) （2.6）式中 、分别为冲孔凸、凹模的基本尺寸； dmin冲孔件的最小极

18、限尺寸； x磨损系数； 工件制造公差； Zmin最小合理间隙； A、T凸、凹模的制造公差。查表2.4得Zmin=0.360mm x=0.5 查表2.5得 A0.020mm =0.025mm 0.74mm代入数据得 校核：查表2.4得Zmax=0.360mm Zmin=0.500mmA+T=(0.020+0.025)mm=0.045mm(0.500-0.360)mm0.140mm2.3.6 选取凸模与凹模的圆角半径 因为圆角R2mm属于过渡尺寸，要求不高，可以一次成形，为简单方便，设计生产中直接按工件尺寸作为拉深凸、凹模该处尺寸。2.3.7 主要零部件设计1.由于工件形状简单对称，所以模具的工作

19、零件均采用整体结构，拉深凸模、拉伸凹模、落料凹模、落料凸模、冲孔凸模、冲孔凹模的结构如零件图所示。由落料凹模厚度： H=Ks(8) 式（2.51）凹模宽度： Bs+（2.54.0）H 式（2.52）式中：s凹模刃口的最大尺寸mm； K系数 考虑板料厚度的影响 查表2.22 K0.220.35 则 H（0.220.35）73.53（16.1825.74）mm取H25mm。 Bs+（2.54.0）25（136.0173.5）mm凹模刃口h：查表得 h6mm 取h=6mm。2. 为了实现先落料后拉深，模具装配后，应使拉深凸模的端面比落料凹模端面低，其长度L可按下式计算： 式中：拉深凸模固定板的厚度

20、mm； 落料凹模的厚度mm； 装配后，拉深凸模的端面低于落料凹模端面的高度，根据板厚大小，决定5mm。 L=28+25-5=48mm拉深凸模上一般开有出气孔，这样会使卸件容易些，否则凸模与工件由于真空状态而无法卸件。查表，本凸模出气孔的直径为5mm。24 压力、压力中心计算及压力机的选用因为本制件是轴对称零件，所以不用计算压力中心。2.4.1 压力计算1冲裁力的计算由于本模具落料时采用刚性卸料装置，同时又没有冲裁件卡在凹模内，所以落料力就是冲裁力。 由式（2.18） 得 （2.18） 式中：L冲裁周边长度； t材料厚度； 材料抗剪强度； K系数。 一般取1.3。由表1.3查得270380MPa

21、。取310MPa。则 2拉深力的计算采用压料圈由式（4.15）得 式中： t材料厚度； d拉深后的工件中径； 拉深件材料的抗拉强度。 修正系数；由表1.3查得335470MPa。取400MPa。由表4.6查得K11则 3压边力的计算在生产中，一次拉伸时的压边力可按拉伸力的0.25选取，即 F0.25F=0.25117.8KN=2.95KN4冲孔力的计算 由式（2.18） 得 （2.18） 式中：L冲裁周边长度； t材料厚度； 材料抗剪强度； K系数。 一般取1.3。由表1.3查得270380MPa。取310MPa。则5工艺总压力由于采用两副模具，应分别计算其总压力：落料、拉伸的总压力 F=F+

22、F=233.8+117.8+2.95KN=354.55KN冲孔总压力 FF+nkF=60.1+10.0560.1KN=63.1KN2.4.2 压力机的选用压力机的工作行程需要考虑工件的成形和方便取件，因此，工作行程应足够大。 (1.82.0)落料、拉伸时 （1.82.0）F=（638.2709.1）KN根据拉深力的计算结果和工件的高度，选择压力机：J23-80公称压力/KN滑块行程/mm最大闭合高度/mm封闭高度调节量/mm80013038090巩固总台尺寸/mm模柄孔尺寸/mm立柱距离/mm床身最大倾角230360608038030冲孔时 （1.82.0）（113.6126.2）KN选择压力

23、机型号：J23-16公称压力/KN滑块行程/mm最大闭合高度/mm封闭高度调节量/mm1605522045工作台尺寸/mm模柄孔尺寸/mm立柱距离/mm床身最大倾角1602404060220353 模具的结构设计3.1 选用模架、确定闭合高度及总体尺寸由于拉深凹模外形尺寸较大，为了工作过程稳定，选用中间导柱模架。再按其标准选择具体结构尺寸见下表。 模架规格选用名称尺寸材料热处理上模座16016045HT200下模座16016055HT200导柱28180、3218020钢渗碳0.81.2mm导套2811043、321104320钢渗碳0.81.2mmHmin=190mm,Hmax=235mm模

24、具的闭合高度 + =(6+32+12.5+28+25+45+55)mm=203.5mmHmax=235mm由此可见模具的实际开模高度小于所采用模架的最大闭合高度。冲孔时选择后侧导柱模架，其规格见下表： 模架规格选用名称尺寸材料热处理上模座806330HT200下模座806340HT200导柱18110、2211020钢渗碳0.81.2mm导套187028、22702820钢渗碳0.81.2mm3.2 其它模具零件的结构设计3.2.1 固定板查资料 落料凸模固定板选用： 12512532-45钢JB/T 7643.2。落料凹模拉深凸模固定板选用： 12512528-45钢JB/T 7643.2。

25、冲孔凸模固定板选用：635016-45钢JB/ 7463.23.2.2垫板垫板的作用是直接承受凸模的压力，以降低模座所受的单位压力，防止模座被局部压陷，从而影响凸模的正常工作。因为通过上模座固定的模柄与压力机相连，且上模座比下模座薄，而且下模座固定在压力机工作台上。为防止上模座损坏，在上模座加垫板。查资料选用垫板 1251256-45钢 JB/7643.3。3.2.3 打料块一般与打料杆联合使用，属于刚性卸件装置，靠两者的自重把工件打出来。打料块与拉深凹模间隙配合。3.2.4压边圈压边圈的作用是防止凸缘部分起皱，同时还起到顶3.2.5 导柱、导套 对于生产批量大、要求模具寿命高的模具，一般采用

26、导柱、导套来保证上、下模的导向精度。导柱、导套在模具中主要起导向作用。导柱与导套之间采用间隙配合。根据冲压工序性质、冲压的精度及材料厚度等的不同，其配合间隙也稍微不同。这里采用H7/h6。3.2.6 其他零件模具其他零件的选用见表3-2表3-2 模具其他零件的选用序号名称数量材料规格/ mm热处理1下模座1HT200160160552导柱120钢28180渗碳5862HRC3导柱120钢32130渗碳5862HRC4导套120钢2811043渗碳5862HRC5导套120钢3211043渗碳5862HRC6上模座1HT200160160557内六角螺钉4Cr12M10455862HRC8内六角

27、螺钉4Cr12M101005862HRC9模柄1Q235-1.FA5010510销钉245钢66011销钉245钢88012止转销 145钢81413打杆145钢M142203.3 模具总装图 由以上设计，可得到模具的总装图，其工作过程是：模具在工作时，压力机滑块下行，通过模柄带动上模座下行，模具先进行切边，紧接着拉深凸模再拉深。拉深完成以后，压力机滑块上行，通过模柄带动上模座上行，当凹模随上模回升时，零件制品在打料块及打料杆的作用下，将其从凹模内推出，准备下一次拉深。4 结束语带凸缘圆筒件属于简单的拉深件，分析其工艺性，并确定工艺方案。由于在零件制造前进行了预测，分析了制件在生产过程中可能出

28、现的缺陷，采取了相应的工艺措施。因此，模具在生产零件的时候才可以减少废品的产生。深圆筒模具的设计，是理论知识与实践有机的结合，更加系统地对理论知识做了更深切贴实的阐述。也使我认识到，要想做为一名合理的模具设计人员，必须要有扎实的专业基础，并不断学习新知识新技术，树立终身学习的观念，把理论知识应用到实践中去，并坚持科学、严谨、求实的精神，大胆创新，突破新技术，为国民经济的腾飞做出应有的贡献。致谢毕业设计是我们进行完了三年的模具设计与制造专业课程后进行的，它是对我们三年来所学课程的又一次深入、系统的综合性的复习，也是一次理论联系实践的训练。它在我们的学习中占有重要的地位。通过这次毕业设计使我在温习

29、学过的知识的同时又学习了许多新知识，一些原来一知半解的理论也有了进一步的的认识。特别是原来所学的一些专业基础课：如机械制图、模具材料、公差配合与技术测量、冷冲模具设计与制造等有了更深刻的理解，使我进一步的了解了怎样将这些知识运用到实际的设计中。同时还使我更清楚了模具设计过程中要考虑的问题，如怎样使制造的模具既能满足使用要求又不浪费材料，保证工件的经济性，加工工艺的合理性。在学校中，我们主要学的是理论性的知识，而实践性很欠缺，而毕业设计就相当于实战前的一次演练。通过毕业设计可是把我们以前学的专业知识系统的连贯起来，使我们在温习旧知识的同时也可以学习到很多新的知识；这不但提高了我们解决问题的能力，

30、开阔了我们的视野，在一定程度上弥补我们实践经验的不足，为以后的工作打下坚实的基础。通过对中轴碗制件冷冲模的设计，我对冲裁模有了更为深刻的认识，特别是这种落料拉伸冲孔模具的设计。在模具的设计过程中也遇到了一些难以处理的问题，虽然设计中对它们做出了解决 ，但还是感觉这些方案中还是不能尽如人意，如压力计算时的公式的选用、凸凹模间隙的计算、卸件机构选用、工作零件距离的调整，都可以进行进一步的完善，使生产效率提高。历经近三个月的毕业设计即将结束，敬请各位老师对我的设计过程作最后检查。在这次毕业设计中通过参考、查阅各种有关模具方面的资料，请教各位老师有关模具方面的问题，并且和同学的探讨，模具设计在实际中可

31、能遇到的具体问题，使我在这短暂的时间里，对模具的认识有了一个质的飞跃。从陌生到开始接触，从了解到熟悉，这是每个人学习事物所必经的一般过程，我对模具的认识过程亦是如此。经过近三个月的努力，我相信这次毕业设计一定能为三年的大学生涯划上一个圆满的句号，为将来的事业奠定坚实的基础。在这次设计过程中得到了老师以及许多同学的帮助，我受益匪浅。在此，再次感谢各位老师特别是我的指导老师原红玲老师在这一段时间给予无私的帮助和指导，并向他们致于深深的敬意，对关心和指导过我的各位老师表示衷心的感谢!参考文献1 原红玲主编 冲压工艺与模具设计 机械工业出版社 2008年9月2 孙凤勤 阎亚林主编 冲压与塑压成形设备 高等教育出版社 2007年12月3 杨占尧主编 韩光平、史廷春副主编 冲压模具图册 高等教育出版社 2008年3月4 高军、李熹平、修大鹏等编 冲压模具标准件选用与设计指南 化学工业出版社 2007年7月5 中国机械工程学会 中国模具设计大典编委会等主编 中国模具设计大典 江西科学技术出版社20036 郝滨海 冲压模具简明设计手册 化学工业出版社 2005