圆筒冲裁拉深件设计模具设计说明书

1摘 要本说明书主要是针对焊片的设计，本次设计采用了冲孔落料级进模，也针对了非标准零件的设计。其中，在第一、二章主要讲述了冲压件的工艺分析、冲压工艺方案的确定；第三章主要讲述了对冲压件进行冲压力及压力中心的计算、初选冲压设备以及工作部分尺寸的计算；第四章主要对冲裁模零部件的选择及设计。关健词 工艺分析；冲压力；零部件2This manual is mainly directed against the lug design, this design using the punching and blanking progressive die, also in view of the non standard components of the design. Among them, in the first, the two chapter describes the stamping process analysis, stamping process scheme; the third chapter describes the stampings for the red center of pressure and stress calculation, primary stamping equipment and a working part dimension calculation; the fourth chapter mainly stamping die components selection and design.Key word： process analysis; punching pressure; parts第一章 工件工艺性分析及方案确定1.1 工件工艺性分析1.1.1 冲裁工艺性图 1-1 零件图由零件简图 2-1 可见，该工件的加工涉及到落料、冲孔、翻边或拉深等工序成形。该零件的外径为 41mm,属于小制件，形状简单且对称，适于冲裁加工。查冷冲压模具设计与制造表 2.3 冲压件内、外形所能达到的经济精度，因制件形状简单、对称，冲裁件内外形所能达到的经济精度为 IT12-IT13。查表 2.5 孔中心与边缘距离尺寸公差为0.5mm。查表 2.7 一般剪切断面表面粗糙度为 3.2m.查冷冲模设计表 23，得材料 8 号钢的力学性能如下表：表 1-1 8 号钢的性能抗剪强度 255333MPa 抗拉强度 b 294432MPa屈服点 s 206MPa 伸长率 29%材料 10 钢，其冲压性能较好，孔与外缘的壁厚较大，复合模中的凸凹模壁厚部分具有足够的强度。1.1.2 翻边工艺性1.翻边工件边缘与平面的圆角半径 r=(23)t2.翻边的高度 h=221.5r=1.543.翻边的相对厚度 d/t=14.73(1.72),所以翻边后有良好的圆筒壁4.冲孔毛刺面与翻边方向相反，翻边后工件质量没大影响。5.查中国模具设计大典第 3 卷，第 35 页，K.W.I 扩孔实验，预加工孔 15.16 可扩孔到 45 左右，而制件为 28，即满足翻边性能。 总体看来：该制件均满足冲裁工艺性和翻边工艺性，适于冲裁加工。1.1.3 判断能否一次性翻边成形由预冲孔公式可以得到翻边高度 H 的表达式：H= +0.43r+0.72t (1-1)或 H= (1- )+0.43r+0.72t= +0.43r+0.72t若将 Kmin 带入上式，则可得到许可的最大翻边高度 HmaxHmax= （1-Kmin）+0.43r+0.72t 其中 D翻边后的中经(mm) Kmin极限翻边系数 r翻边圆角半径(mm)t材料厚度(mm)查冷冲模设计 ，表 7-1 低碳钢圆孔极限翻边系数 这里凸模采用圆柱形平底型式 孔的加工方式为冲孔 因 相对厚度 d/t=14.73 得 Kmin= 0.55 于是 Hmax= （1-0.55）+0.432+0.721=8.0(mm)因工件高度 H=Hmax，所以在平板上能一次性翻边成形1.2 工艺方案确定根据工件形状，初步确定采用落料、冲孔和翻边等工序，现确定以下方案：方案一：一套落料、冲孔、翻边复合模方案二：一套落料、冲孔、翻边单工序模方案三：一套落料、冲孔、翻边连续模5单工序模、连续模和复合模的相互比较见表 1-2表 1-2 单工序模、连续模和复合模的性能比较 项目 工序模 连续模 复合模尺寸精度 精度较高 可达 IT1310 级 可达 IT98 级工件形状 易加工简单件 可加工复杂零件，如宽度极小的异形件、特殊形件形状与尺寸要受模具结构与强度的限制孔与外形的位置精度较高 较差 较高工件平整性 推板上落料，平整 较差，易弯曲 推板上落料，平整工件尺寸 一般不受限制 宜较小零件 可加工较大零件工作情况工件料厚 一般不受限制 0.66mm 0.053mm操作性能 方便 方便 不方便，要手动进行卸料安全性 比较安全 比较安全 不太安全工艺性能生产率 低，压力机一次行程只能完成一道工序，但在多工位压力机使用多副模具时，生产率高高，压力机一次行程内可完成多道工序较高，压力机一次行程内能完成两道以上工序条料宽度 要求不严格 要求严格 要求不严格模具制造 结构简单，制造周期短结构复杂，制造和调整难度大结构复杂，制造难度大总的看来：方案一：生产效率高，因为滑块下行一次既完成落料、冲孔和翻边等工序，不存在定位误差，同轴度高，因此冲压出来的制件精度也较高；但模具结构较复杂，因此模具制造难度大。方案二：生产效率不高，由于要多机床或多道工序完成，致使生产效率和经济效益都降低；但模具制造周期短。方案三：生产效率较高，完成落料、冲孔的连续模生产效率较高，和方案二一样，由于第二道翻边单工序的存在，降低了生产效率不说，精度也难保证。6因此综合考虑采用方案一，再来确定采用正装复合模还是采用倒装复合模。正装复合模和倒装复合模的比较见下表 2-3表 2-3 正装复合模和倒装复合模的比较序号 正装 倒装1 对于薄冲件能达到平整要求 不能达到平整要求2 操作不方便，不安全，孔的废料由打棒打出操作方便，能装自动拔料装置，能提高生产效率又能保证安全生产，孔的废料通过凸凹模的孔往下漏掉3 废料不会在凸凹模孔内积聚，每次由打棒打出，可减少孔内废料的胀力，有利于凸凹模减少最小壁厚废料在凸凹模孔内积聚，凸凹模要求有较大的壁厚以增加强度4 装凹模的面积较大，有利于复杂制件拼快结构如凸凹模较大，可直接将凸凹模固定在底座上省去固定板从表 2-3 中可以看出：正装对于薄冲件能达到平整要求，且废料不会在凸凹模孔内积聚，有利于凸凹模减少最小壁厚。而倒装不能达到平整要求，而且废料在凸凹模孔内积聚，凸凹模要求有较大的壁厚以增加强度。从保证冲裁件质量、经济性和安全性前提下，综合考虑采用正装复合模，即模具结构为落料、冲孔、翻边正装复合模。第二章 排样及计算材料利用率2.1 计算预冲孔大小1.53R1.5282图 2-1 零件图该制件是在冲孔后的平板毛坯上翻边成形，在翻边时，同心圆之间的距离变化不显著，预制孔直径可以用弯曲展开的方法近似计算：查冷冲模设计第 215 页预冲孔直径公式 d=D1-2 (2-1)因 D1=D+t+2r h=H-r-t 代入上式，并简化得：d=D-2(H-0.43r-0.72t) 式中 D翻边后的中经(mm) H翻边高度(mm)r翻边圆角半径(mm)t材料厚度(mm)这里 D=28mm H=22mm r=1.5mm t=1.5mm所以 d=28-2（8-0.431.5-0.721）=14.73(mm)同可得：相对厚度 d/t=14.73/1=14.73翻边系数 d/D=14.73/28=0.532.2 确定排样方式8采用有废料和少废料排样，排样图分别如图 3-2 和图 3-3图 2-2 有废料排样图 2-3 无废料排样少废料排样虽然材料利用率有所提高，但由于条料本身的宽度公差，以及条料导向与定位所产生的误差会直接影响冲裁件尺寸而使冲裁件的精度降低，也降低了模具寿命，结合各自的优缺点，综合考虑采用有废料排样法。2.3 计算材料利用率1.计算制件的面积 A制件面积 A 的计算公式：A= （D 2-d2） (2-2)= （41 2 -14.732) =1149.2613(mm2) 式中 D毛坯外径(mm) d冲孔直径(mm)2.确定搭边 a 与 a1 的值查冷冲模设计表 3-10 搭边 a 与 a1 数值取 a=0.8mm a1=1.0mm于是条料宽度:b=41+2a1=43mm进距:l=41+a=41.8mm 3.材料利用率计算查中国模具设计大典第 3 卷冲压模具设计。9表 18.3-24 轧制薄钢板的尺寸（GB/T708-1988）板料规格选用 1.0mm750mm1500mm(tmmBmmLmm)1）若采用纵裁：裁板条数 n1=B/b=750/43=17 条余 19mm每条个数 n2= =(1500-0.8)/41.8=35 个余 36.2mm每板总个数 n 总 =n1n2=1735=595(个)材料利用率 总 = 100% (2-3) =(5951149.2613)/(1500750)100% =60.78%2）若采用横裁：裁板条数 n1=L/b=1500/43=34 条余 44mm每条个数 n2= =(750-0.8)/41.8=17 个余 38.6mm每板总个数 n 总 =n1n2=3417=578(个)材料利用率 总 = 100% (2-4) =(5781149.2613)/(1500750)100%= 59.05%显然纵裁的材料利用率要高些，因此选用纵裁。4.计算零件的净重 GG=F.t. (2-5) 式中 G工件重量（g） F工件面积（cm 2）t材料厚度（cm）材料密度（g/cm 3）8 号钢属于低炭钢，在这里密度取 =7.85 g/cm 310则 G=F.t. =1149.261310-21.010-1 7.85=9.02 g第三章 冲裁力及压力中心计算3.1.落料力 F 落查冷冲模设计第 54 页，落料力 F 落公式为F 落=KLt (3-1)式中 F 落落料力（N）L冲裁件周长(mm)t材料厚度(mm)材料的抗剪强度（MPa）K系数，常取 K=1.3这里 L=54mm t=1mm 取 =300MPa则 F 落=1.3411300=50208.6（N）3.2 卸料力 F 卸查冷冲模设计表 3-8 卸料力、推件力和顶件力系数取 K 卸 =0.035 F 卸 = K 卸 . F 落 (3-2)=0.03550208.6=1757.301（N） 3.3 冲孔力 F 冲查冷冲模设计第 54 页，落料力 F 冲公式为F 冲=KLt (3-3)式中 F 冲落料力（N）L冲裁件周长(mm)t材料厚度(mm)材料的抗剪强度（MPa）K系数，常取 K=1.3这里 L=35mm t=1mm 取 =300MPa于是 F 冲=1.3351300=42861（N）3.4 顶件力 F 顶 12查冷冲模设计表 3-8 卸料力、推件力和顶件力系数取 K 顶 =0.06 F 顶 = K 顶.F 冲 (3-4)= 0.0642861=2571.66（N）3.5 翻边力 F 翻查冷冲模设计 ，第 216 页，翻边力公式为F 翻=1.1(D-d)ts (3-5)其中 F 翻翻边力(N)D翻边后中经(mm)d翻边预冲孔直径(mm)t材料厚度(mm)s 材料的屈服点(MPa)这里 D=28mm，d=14.73mm, t=1.5mm, s=206MPa于是 F 翻=1.13.14(28-14.73)1.5206=9441.9235(N)3.6 总冲压力 F 总F 总=F 落+F 冲+F 卸+F 顶+F 翻 (3-6)=50208.6428611757.301257.66+9441.9235=104526.48（N）3.7 计算压力中心计算压力中心的目的是使模柄轴线和压力机滑块的中心线重合，避免滑块受偏心载荷的影响而导致滑块轨道和模具的不正常磨损，降低模具寿命甚至损坏模具。从制件的形状可以看出，该制件是回转体结构，形状对称，故模具压力中心就在圆心部位，即无须再来计算了。第四章 主要工作部分尺寸计算4.1 落料刃口尺寸查冷冲模设计表 3-3 冲裁模初始双面间隙 Z取 Zmin=0.1mm Zmax=0.14mm对零件图中未注公差的尺寸，冲压件一般保证精度 IT14，因制件形状简单且对称，在这里保证精度 IT13。查互换性与测量技术基础表 3-6 简单形状冲裁时凸凹模的制造偏差 凹=+0.03mm 凸=-0.02mm 因此：| 凹|+| 凸|=0.03+0.02 mm =0.05mmZmax -Zmin=0.14-0.1mm=0.04mm | 凹|+| 凸| Zmax Zmin因此在这里采用单配方法加工。对于落料，先做凹模，并以它作为基准配做凸模查互换性与测量技术基础表 2-4 查出其极限偏差为：mm查冷冲模设计表 3-5 磨损系数 取 X=0.5则 D 凹= (4-1)= mm= mm落料凸模的尺寸按凹模尺寸配制，其双面间隙为 0.100.14mm 4.2 冲孔刃口尺寸冲孔部分： 凹=+0.02mm 凸=-0.02mm | 凹|+| 凸|=0.02+0.02mm=0.04mm| 凹|+| 凸|= Zmax Zmin对于采用分别加工时，应保证下述关系：| 凹|+| 凸|Zmax Zmin (4-2)但对于形状复杂或料薄的工件，为了保证凸、凹模间一定的隙值，必须采用配合加工。14因此在这里采用还是采用单配方法加工对于冲孔，先做凸模，并以它作为基准配做凹模查互换性与测量技术基础表 2-4 查出其极限偏差为：mm 查冷冲模设计表 3-5 磨损系数 取 X=0.5则 d 凸= (4-3)= mm冲孔凹模的尺寸按凸模尺寸配制，其双面间隙为 0.100.14mm4.3 翻边工作刃口尺寸4.3.1 翻边间隙如图 5-1，由于在翻边过程中，材料沿切向伸长，因此其端面的材料变薄非常严重，根据材料的统一变形情况，翻边凹模与翻边凸模之间的间隙应小于原来的材料厚度。 图 5-1 翻边间隙查冷冲压模具设计与制造 ，表 5-5 平板毛坯翻边时凸凹模之间的间隙得 Z/2=0.85mm4.3.2 翻边刃口尺寸1. 翻边凸模的刃口尺寸计算查互换性与测量技术基础表 2-4 查出其极限偏差为：mm查冷冲模设计表 3-5 磨损系数 取 X=0.515则 d 凸= (4-4)2.翻边凹模的刃口尺寸计算根据翻边间隙和翻边凸模的刃口尺寸来确定翻边凹模的刃口尺寸D 凹= (4-5)= mm 第五章 凸模、凹模及凸凹模的结构设计及校核5.1 落料凹模结构设计5.1.1 最小壁厚冲孔落料复合模的凸凹模其刃口平面与工件尺寸相同，这就产生了复合模的“最小壁厚”问题。冲孔落料复合模许用最小壁厚可按表 6-1 选取，形式如图 6-1 表示，表值为经验数据。表 6-1 凸 凹 模 最 小 壁 厚 a 数 值 （ 单 位 ： mm） 部 分 如 下材料厚度 0.8 0.9 1.0 1.5最小壁厚 2.3 2.5 2.7 3.2最小直径 15 18图 51 最小壁厚为了增加凸凹模的强度和减少孔内废料的涨力，可以采用对凸凹模有效刃口以下增加壁厚或将废料反向顶出的办法如图 61 所示。 5.1.2 模具材料的选择从众多模具材料中选出 9Mn2V 钢，该模具钢是一种综合力学性能比碳素工具钢好的低合金工具钢，它具有较高的硬度和耐磨性，淬火时变形较小，淬透性很好。由于钢中含有一定量的钒，细化了晶粒，减小了钢的过热敏感性，同时碳化物较细小和分布较均匀。9Mn2V 钢的化学成分和物理性能分别如表 5-2 和表 5-3 所示表 5-2 9Mn2V 钢化学成分（GB/T 12992000）W%C Si Mn V P S0.850.95 0.40 1.702.00 0.100.25 0.030 0.030表 5-3 临界温度临界点 Ac1 Acm Ar1 Ar3温度（近似值） 730 760 655 69017表 5-4 综合性能耐磨性 耐冲击性 淬火不变形性 淬硬深度中等 中等 好 浅红硬性 脱碳敏感性 切削加工性差 较大 较好所以这里不管是凸模、凹模还是凸凹模，材料都选用 9Mn2V 钢这里的落料凹模的热处理硬度为 6062HRC5.1.3 确定凹模外形尺寸确定凹模外形尺寸的方法有多种，通常都是根据零件的材料厚度和排样图所确定的凹模型孔壁间最大距离为依据，来求凹模的外形尺寸。凹模的刃口形式，考虑到本例生产批量较大，所以采用刃口强度较高的凹模，故采用阶梯形直壁式。凹模的外形一般有矩形与圆形两种，凹模的外形尺寸应保证凹模有足够的强度与刚度，凹模的厚度还应考虑修模量。凹模的外形尺寸一般根据冲材料的厚度和冲裁件的最大外形尺寸来确定。查冷冲模设计 ，第 101 页，凹模厚度和壁厚公式为凹模厚度 H=Kb(15mm) (5-1)式中 K系数，考虑板料厚度的影响b冲裁件的最大外形尺寸凹模壁厚 C=(1.52)H(3040mm) (5-2) 查冷冲模设计 ，表 4-3 系数 K 值 因 b=41 mm 取 K=0.22故 H=0.2241=9.02mm C=1.535 =52.5mm 考虑到翻边高度 22mm 和保证 H15mm，最后取 H=35mm5.1.4 凹模的强度校核查中国模具设计大典，第三卷，表 20.1-18 凹模强度计算公式Hmin= (5-3)18式中 Hmin凹模的最小厚度（mm）F冲压力（N）wp许用弯曲应力（MPa）d、do凹模刃口与支承口直径（mm）这里 F= F 落=50208.6（N） wp= 500MPa d=40.77mm do=51mmHmin=8.3879mm而真实的凹模厚度为 35mm，所以凹模的强度满足要求。5.2 落料、翻边凸凹模外形尺寸1.落料、翻边凸凹模的高度落料、翻边凸凹模的高度满足翻边高度和凸、凹模之间安全距离外，还考虑翻边间隙，保证强度要求，即凸凹模壁厚大于最小壁厚。这里落料、翻边凸凹模的高度为 47mm。2. 落料、翻边凸凹模的强度校核Lmax （5-4）式中 Lmax冲孔凸模许用的最大自由长度（mm）E冲孔凸模材料的弹性模量（MPa）d凸模或冲孔直径（mm）冲件材料的抗剪强度（MPa）t冲件材料的厚度（mm）这里 E=2.2 MPa d=40.77mm t=1mm =300 MPa于是 Lmax = 532.10.7=2095.4mm而实际的冲孔、翻边凸凹模厚度为 47mm，所以强度完全满足要求。材料同样选用 9Mn2V 钢，其热处理硬度为 5860HRC落料、翻边凸凹模195.3 冲孔、翻边凸凹模外形尺寸冲孔、翻边凸凹模的功能是完成冲孔、翻边，重要性大，其热处理硬度也相对比落料凸模大，其材料选用 9Mn2V 钢，热处理硬度为 6062HRC1. 冲孔、翻边凸凹模的高度冲孔、翻边凸凹模的高度=冲孔、翻边凸凹模固定板的厚度+落料凹模的厚度=12mm +35mm=47mm2. 冲孔、翻边凸凹模的强度校核1）冲孔凹模的强度校核查中国模具设计大典，第三卷，表 20.1-18 凹模强度计算公式Hmin= (5-5)式中 Hmin冲孔、翻边凸凹模的最小厚度（mm）F冲压力（N）wp许用弯曲应力（MPa）d、do冲孔、翻边凸凹模刃口与支承口直径（mm）这里 F= F 冲=42861 N wp= 500MPa d=15.3mm do=16.3mmHmin= 1.53064.2X15.3（ -）=8.97mm2）翻边凸模稳定能力的校核Lmax （5-6）式中 Lmax冲孔凸模许用的最大自由长度（mm）E冲孔凸模材料的弹性模量（MPa）d凸模或冲孔直径（mm）冲件材料的抗剪强度（MPa）t冲件材料的厚度（mm）这里 E=2.2 MPa d=27mm t=1.5mm =300 MPa于是 Lmax = 532.10720=745.6mm而实际的冲孔、翻边凸凹模厚度为 47mm，所以强度完全满足要求。6.4 冲孔凸模外形尺寸1.冲孔凸模的形式采用类似直通式的形式，少了阶梯形式的复杂，主要受上顶杆孔和凸模孔的影响，避免出现最小壁厚。2.冲孔凸模的长度冲孔凸模的长度=冲孔凸模固定板的厚度+落料、翻边凸凹模的高度+超出落料、翻边凸凹模的 2mm则冲孔凸模的长度=12mm +47mm +2mm=61mm 3.强度校核1）凸模稳定能力的校核查中国模具设计大典，第三卷，表 20.1-10 凸模稳定能力校核计算公式Lmax （5-7）式中 Lmax冲孔凸模许用的最大自由长度（mm）E冲孔凸模材料的弹性模量（MPa）d凸模或冲孔直径（mm）冲件材料的抗剪强度（MPa）t冲件材料的厚度（mm）这里 E=2.2 MPa d=15.3mm t=1.5mm =300 MPa于是 Lmax = =307mm2）承压能力的校核k= p (5-8)式中 冲件材料的抗剪强度（MPa）t冲件材料的厚度（mm）d凸模或冲孔直径（mm）k凸模刃口的接触应力（MPa）p凸模材料的许用压应力（MPa）21这里 =300 MPa t=1.5mm d=15.3mm p=1500 MPa则 k=600MPap=1500 MPa即凸模稳定能力和承压能力均满足要求。22第六章 主要零部件设计6.1 模柄的设计查中国模具设计大典第 3 卷，表 22.5-24 压入式模柄（JB/T7646.1-1994）选择 B 型材料：Q235热处理硬度：4348HRC6.2 固定板和垫板的设计6.2.1 冲孔、翻边凸凹模固定板的设计查中国模具设计大典第 3 卷，表 22.5-19 圆形固定板直径 D=120mm，厚度 H=12mm材料：45 热处理硬度 4348HRC冲孔、翻边凸凹模固定板的简图如图 7-26.2.2 冲孔凸模固定板的设计冲孔凸模的固定方式有直