拉深冲孔复合模具设计

1 绪论1.1 冲压的概念、特点及应用 冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，用以生产各种板料零件,具有很多独特的优势，其成形件具有自重轻、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，是一种其它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用。冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压或冲压件）的一种压力加工方法。冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方一隶属于材料成型工程术。冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才能得出冲压件。与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。主要表现如下。 （1）冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。 （2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。 （3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。 （4）冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具 制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益。冲压地、在现代工业生产中，尤其是大批量生产中应用十分广泛。相当多的工业部门越来越多地采用冲压法加工产品零部件，如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。在这些工业部门中，冲压件所占的比重都相当的大，少则60%以上，多则90%以上。不少过去用锻造=铸造和切削加工方法制造的零件，现在大多数也被质量轻、刚度好的冲压件所代替。因此可以说，如果生产中不谅采用冲压工艺，许多工业部门要提高生产效率和产品质量、降低生产成本、快速进行产品更新换代等都是难以实现 的。1.2 冲压的基本工序及模具 由于冲压加工的零件种类繁多，各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相同，因而生产中采用的冲压工艺方法也是多种多样的。概括起来，可分为分离工序和成形工序两大类；分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压（俗称冲裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。上述两类工序，按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉深和成形四种基本工序，每种基本工序还包含有多种单一工序。 在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时，若用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。这时在工艺上多采用集中的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，称为组合的方法不同，又可将其分为复合-级进和复合-级进三种组合方式。 （1）复合冲压在压力机的一次工作行程中，在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方法式。 （2）级进冲压在压力机上的一次工作行程中，按照一定的顺序在同一模具的不同工位上完面两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。 （3）复合-级进在一副冲模上包含复合和级进两种方式的组合工序。 冲模的结构类型也很多。通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等；按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。但不论何种类型的冲模，都可看成是由上模和下模两部分组成，上模被固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压力机滑块带动上模下压，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便产生分离或塑性变形，从而获得所需形状与尺寸的冲件。上模回升时，模具的卸料与出件装置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下一次冲压循环。 2 零件冲压工艺方案的制定该零件为电器开关网芯，如图2-1所示,该零件生产属于中、大批量生产，零件结构紧凑，材料是H62普通黄铜，厚度为1.2mm,H62抗拉强度为410-630 MPa, 伸长率：（10/%）10, 有良好的力学性能，热态下塑性好，冷态下塑性也可以，切削性好，易钎焊和焊接，耐蚀，但易产生腐蚀破裂,此外价格便宜。工件成型需图2-1 零件图要冲孔、落料和拉伸，则有： （1）先拉深、落料再冲孔两道工序； （2）先冲孔、落料再拉深两道工序； （3）冲孔、落料、拉深级进模设计。比较确定方案： 方案一：此方案可以采用复合模可提高生产效率，保证工件尺寸的精度要求，模具制造不是很困难，成本可大大降低。 方案二：此方案是先冲孔、落料再进行拉伸这样工件可能会不好定位被拉伸变形，工件精度要求不容易达到。 方案三：采用级进模，安全性好，但是考虑到级进模结构复杂，工件精度加工精度不高,对称度和位移误差较大,以及加工难度较大，装配位置精度要求高，按照实际生产，级进模成本也高。 综上所述该工件成型采用第一种方案。拉伸、落料复合模+冲孔模两幅模具进行成型。3 拉伸、落料复合模设计3.1 零件的工艺分析工件如图3-1所示，材料为H62，板厚1.2mm，制件精度为IT10级.，形状简单，尺寸不大，大批量生产，属普通冲压件。图3-1 零件图3.2 工件工艺性分析 根据制件的材料、厚度、形状及尺寸，在冲压工艺设计和模具设计时，应特别注意以下几点： （1）该制件为落料拉深件，在设计时，毛坯尺寸要计算准确； （2）冲裁间隙、拉深凸凹模间隙应符合制件的要求； （3）各工序凸凹模动作行程的确定应保证各工序工作稳妥、连贯。3.3 工艺方案的分析和确定3.3.1 工艺方案分析 根据制件的工艺性分析，其基本工序有落料、拉深两种。拉深件的毛坯尺寸及拉深次数确定 （1）毛坯直径D的计算拉深相对高度h/d=16/31.20.5 h50mm,故应乘以修正系数K 查手册,K=1.37 H凹模=1.3713.9=19mm B. 凹模外形尺寸计算: 凹模具壁厚 W=1.2H (5-10) =1.219 =22.8mm 则凹模外形尺寸D为制件最大尺寸和凹模双边壁厚之和即: D=L+2W (5-11) =45+222.8 =90.6mm 根据冷冲压典型组合尺寸有关标准，凹模外径D取146mm。6 冲压设备的选用6.1 压力中心的确定冲裁时的合力作用点或工序模各工序冲压力的合力作用点，成为压力中心。设计时模具压力中心应于压力机滑块中心一致，如果不一致，冲压时，冲压时会产生偏裁，导致模具以及压力机滑块与导轨的急剧磨损，降低模具和压力机的实用寿命。由于该制件的毛坯及各工序件都为长方形轴对称图形，而且只有一个工位，因此压力中心必定与制件的几何中心重合。6.2 模架的选取 选择模架结构时要根据工件的受力变形特点，坯件定位、出件方式，材料送进方向，导柱受力状态，操作是否方便等方面进行综合考虑。 模架尺寸要根据凹模的轮廓尺寸考虑，一般在长度上及宽度上都应比凹模达040mm。模板厚度一般等于凹模厚度的11.5倍.选择模架时还要注意到模架与压力机的安装关系,例如模架与压力机工作台孔的关系,模座的宽度应比压力机工作台孔的孔径每边约大4050mm。冲压模具的闭合高度应大于压力机的最小装模高度，小于压力机的最大装模高度等。 通常中、小型冲模常采用后侧式、对角式或对称式的导柱型模架。综上所述，选择滑动导向型后侧导柱式模架。上模座：16012535 标记：16012535 GB/T2855.5； 下模座：16012540 标记：16012540GB/T2855.6 。 导柱：选取d25mm，L =150mm 的B型导柱，标记为：导柱B2515045 GB2861.2；6.3 压力机的确定 根据上述冲压力的计算，初步选用型号为J23-16开式双柱可倾压力机。该型号压力机主要技术规格如下： 公称压力 160kN; 滑块行程 55mm; 最大闭合高度 220mm; 最大装模高度180mm; 连杆调节量 45mm; 选择模架： 上模座：240x294x40 （GB2855.6-81） 下模座：254x240x45 （GB2855.6-81） 导 柱：28x160 （GB2861.2 -81） 28x160 （GB2861.2 -81） 导 套：42x85x28 （GB/T2861.6 -81） 42x85x28 （GB/T2861.6 -81） 模 柄：A60x1006.4模具闭合高度的校核 冲裁模总体结构尺寸必须与所选用的压力机相适应，即模具的总体平面尺寸应该与压力机工作台或垫板尺寸和滑块下平面尺寸相适应；模具的封闭（闭合）高度应与压力机的装模高度或封闭高度相适应。所谓模具的闭合高度是模具在最低工作位置时，上、下模座之间的距离。它应与压力机的装模高度相适应，模具闭合高度。 故所选压力机装模高度与模具闭合高度满足下式： （5-12） 还可以看出取在：，这样可以避免连杆调节过长，螺纹接触面积过小而被压坏。 技术要求： （1）外形锐边倒钝角； （2）在适当位置安装吊棒； （3）导柱与导套的配合为H7/H6； （4）卸料板与落料凹模的单边间隙为0.4mm； （5）挡料销与凹模的配合为H9/d9.7 冲孔模设计7.1 冲压件的工艺分析图7-1零件图零件如图7-1：如图所示；生产批量：大批量；材料：H62； 材料厚度：1.2mm。 该零件形状简单、对称，是由圆筒组成的。由表查出，冲裁件内外所能达到的精度为IT11，将以上精度与工件简图中所标注的尺寸公差相比较,可认为该工件的精度要求能够在冲裁加工中得到保证.其他尺寸标注,生产批量等情况,也均符合冲裁的工艺要求,故决定采用冲孔模进行加工,且一次冲压成形.7.2 冲孔工序的计算 （1）冲孔力 F冲= Ltb （7-1） = (109.131.2420) N=55kN （2）卸料力 F=KF （7-2） K由表2-2查的K=0.02，将以上数据代入得1.1kN 式中 F冲、F冲孔力、卸料力，kN; L冲孔周边长度，mm; t材料厚度，mm; b材料的抗拉强度，MPa； K卸卸料力系数.7.3 凸、凹模刃口尺寸计算 查表得间隙值Zmax=0.1mm ，Zmin=0.07mm,则有： Z=Zmax-Zmin （7-3） =(0.1-0.07)mm=0.03mm 由表查得凸、凹模制造公差： （1）落料部分： d=0.030mm，p=0.020mm d+p=(0.030+0.020)mm （7-4） =0.050mm d+pZmax-Zmin （7-5） （2）冲孔部分： d1=0.030mm，p1=0.020mm d1+p1=(0.030+0.020)mm （7-6） =0.050mm d1+p1Zmax-Zmin （7-7） 由表查得： x=0.75. 则落料部分： DA=(Dmax-x) (7-8) =(45-0.752.20)mm=44.35mm DT=(Dmax- x-Zmin) (7-9) =(44.35-0.752.20-0.07)mm=44.28mm 冲孔部分： DT=(dmin+x) (7-10) =(30+0.751.6)mm=31.2mm Da=(dmin+ x+Zmin) (7-11) =(35.2+0.10)=35.3mm 以上各式中 a 、t凹模、凸模的制造偏差值，mm; Zmin、Zmin最小、最大合理间隙，mm; DT、DA落料凸、凹模的刃口尺寸，mm; dT、dA冲孔凸、凹模的刃口尺寸，mm； Dmax落料件的最大极限尺寸，mm; dmin冲孔件孔的最小极限尺寸，mm; x磨损系数，其值在0.5-1之间； 制件的制造公差，mm. 7.4 确定模具压力中心 冲裁时的合力作用点或工序模各工序冲压力的合力作用点，成为压力中心。设计时模具压力中心应于压力机滑块中心一致，如果不一致，冲压时，冲压时会产生偏裁，导致模具以及压力机滑块与导轨的急剧磨损，降低模具和压力机的实用寿命。由于此零件是圆型，所以它的压力中心就在它的几何中心位置。7.5 模具总体设计及主要零部件设计 （1）冲孔模的结构形式 带导柱冲孔模，这种冲孔模，一般用于较小的锻件的冷冲孔，凸模与凹模间隙小于1.5mm图7-2带导柱冲孔模 （2）冲孔凸凹模间的间隙 冲孔时，刃口设置在凸模上、凹模只起支承锻件的作用、凸模按锻件图制造，依靠放大凹模孔的尺寸获得间隙，其间隙=h1tanmm,且保证0.5mm3mm.当0.5mm时应设置导柱导套。 （3）卸料装置 采用弹性卸料：选用聚氨酯。 其优点如下： a.具有较高的强度、单位压力和剪切力。 b.硬度低的60A聚氨酯橡胶具有比天然橡胶更好的流动性 c.耐磨、耐油、耐老化以及抗撕裂性能好。 d.可以进行表面无损成型。 e.聚氨酯橡胶模结构简单，制造容易。 f.切削性能好。7.6 冲压设备的选择 对于冲裁工序，压力机的公称压力应大于或等于冲裁时总冲压力的（1.11.3）即： P(1.11.3) F （7-12） 式中 P压力机的公称压力； F冲裁时总冲压力。 应选取的压力机公称压力P0(1.11.3) 89.7kN=98.67116.61kN,根据表3-4查得压力机型号为J23-16型开式压力机,该压力机与模具设计的有关参数为可由表7-1查得。表7-1 开式压力机技术参数型号技术参数J23-6.3J23-10J23-16J23-25J23-35公称压力/KN63100160250350滑块行程/mm3545556580最大高度/mm150180220270280滑块行程次数1701451205550闭合高度调节/mm3535454560工作台尺寸/mm前后200240310320380左右300370450500610 （1）选用开式压力机 公称压力：63kN 滑块行程：35mm 最大闭合高度 150mm; 封闭高度调节量 35mm. （2）选择模架 上模座：24029440 （GB2855.6-81） 下模座：25424045 （GB2855.6-81） 导 柱：28150 （GB2861.6-81） 28150 （GB2861.6-81） 导 套：429028 （GB/T2861.6-81） 429028 （GB/T2861.6-81） 模 柄：A60x100 垫板厚度取：5mm 凸模固定板厚度取:20mm 凹模的厚度已定为：34mm 卸料板厚度取：12mm （3）技术要求： 1.外形锐边倒钝； 2.在适当位置安装吊棒； 3.导柱与导套的配合为；H7/m6； 4.卸料板与冲头的单边间隙为0.4mm; 5.凸模与凹模固定板的配合为H7/m6。8 模具生产中的故障分析及其解决办法 在模具的生产中，有时会出现一些故障，给生产造成影响，下面介绍该模具在生产中可能出现的故障及其解决办法。8.1 产品毛刺增大 当模具生产一段时间后，会出现生产零件毛刺增大的现象，这时应当检查凸、凹模刃口，如果发现刃口磨损或产生崩刃，应进行刃磨，刃磨后给凸模或凹模垫上相应厚度的垫片。当凹模经过多次刃磨后，应当检查刃口直壁是否已被磨去，如果无刃口直壁，则要更换凹模镶块。如果凸、凹模刃口无磨损，而零件上的毛刺不均匀，是因为冲裁间隙产生了偏移，这时要进行间隙调整。8.2 废料上浮 在冲压生产中，废料上浮是个影响较大的问题，它不但影响生产，甚至会损坏模具。一般来说，圆形或方形等规则形状的废料容易产生上浮，而形状较复杂的异形废料则较少产生上浮13。在该模具生产中对于此种现象产生原因及解决办法可参考如下： （1）冲裁间隙大，如果试模阶段就经常出现废料上浮，则说明冲裁间隙太大，应当重新制作凹模并减小冲裁间隙。如果只是偶尔产生废料上浮，可以在凹模腔内用电火花放电来增加粗糙度。 （2）凸模表面太光滑，废料在大气压的作用下附着在凸模上，可以在凸模上增加气孔。 （3）冲压速度较高，应考虑降低速度，如因生产需要无法降速，可以凸模上增加顶杆，顶下废料。另外，还有一些人为因素，如刃磨后没有充分退磁、冲压生产时使用过多的冲压油等，这些都应尽量避免。总结 通过本次毕业设计，在理论知识的指导下，结合认识实习和生产实习中所获的实践经验，在老师和同学的帮助下，独立地完成了本次毕业设计。在本次设计的过程中，通过自己实际的操作计算，我对以前所学过的专业知识有了更进一步更深刻的认识，也认识到了自己的不足之处。到此时才深刻体会到，以前所学的专业知识还是有用的，而且都是模具设计与制造最基础、最根本的知识。 本次毕业设计历时三个月左右，从最初的领会毕业设计的要求，到对拿到自己手上的冲压件的冲压性能的分析计算，诸如冲压件对结构的分析，对形状的分析等，通过不断地分析计算，对要进行设计的冲压件有了一个比较全面深刻的认识，并在此基础上综合考虑生产中的各种实际因素，最后确定本次毕业设计的工艺方案。然后是对排样方式的计算，直到模具总装配图的绘制，历时近两个月左右。在这段时间里，我进行了大量的计算：从材料利用率的计算，到工序压力的计算，再工作部分刃口尺寸及公差的计算，到各种零件结构尺寸的计算以及主要零部件强度刚度的核算。其间在图书馆翻阅了许多相关书籍和各种设计资料。因此从某种意义上讲，通过本次毕业设计的训练，也培养和锻炼了一种自己查阅资料，获取有价值信息的能力。 总之，通过本次毕业设计的锻炼，使我对模具设计与模具制造的整个过程都有了比较深刻的认识和全面的掌握。先后几次不同的设计，从压铸模的设计，到模具制造工艺卡的设计，再到本次毕业设计的冲压模的设计与制备，使我接受了一个模具专业的毕业生应该有的锻炼和考查。我很感谢学校和各位老师给我这次锻炼机会。我是认认真真的做完这次毕业设计的，也应该认认真真的完成我大学四年里最后也是最重要的一次设计。但是由于水平有限，错误和不足之处再所难免，恳请各位导师、各位教授批评指正，不胜感激。参考文献1 李硕本等编著.冲压工艺理论与新技术M.北京：机械工业出版社，2002.112 中国模具工业协会.模具行业“十一五”规划J.模具工业，20053 李大鑫，张秀锦.模具技术现状与发展趋势综述J.模具制造，2005 4 李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势J.模具工业，20055 姜奎华主编.冲压工艺与模具设计M.北京：机械工业出版社，1998.56 薛啓翔等编著.冲压模具设计制造难点与窍门M.北京：机械工业出版社，2003.77 模具实用技术丛书编委会编.冲模设计应用实例M.北京：机械工业出版社，1999.68 郑家贤遍著.冲压工艺与模具设计实用技术M.北京：机械工业出版社，2005.19冲模设计手册编写组编著.冲模设计手册M.北京：机械工业出版社，1999.610周玲编著. 冲压设计实例详解.化学工业出版社，2007.111徐慧民等编著.模具制造工艺.北京理工大学出版社，2010.812翁其金编著.冲压工艺及冲模设计.机械工业出版社，2010.8附录致谢 首先感谢学校及学院各位领导的悉心关怀和耐心指导，特别要感谢肖似璞教授以及系里各个老师给我的指导，在实验和论文写作过程中，我始终得到肖老师的悉心教导和认真指点，使得我的理论知识和动手操作能力都有了很大的提高与进步，对模具设计与制造的整个工艺流程也有了一个基本的掌握。在他身上，时刻体现着作为科研工作者所特有的严谨求实的教学风范，勇于探索的工作态度和求同思变、不断创新的治学理念。他不知疲倦的敬业精神和精益求精的治学要求，端正了我的学习态度，使我受益匪浅。另外，还要感谢和我同组的其他同学，他们在寻找资料，解答疑惑，实验操作、论文修改等方面，都给了我很大的帮助和借鉴。感谢所有给予我关心和支持的老师和同学使我能如期完成这次毕业设计。谢谢各位老师和同学！感谢学校对我这四年的培养和教导，感谢材料学院各位领导各位老师四年如一日的谆谆教导！最后，谨以此文献给所有关心和帮助过我的人们。 汪元健 二零一二年五月内容摘要本设计进行了落料、拉伸复合模和单工序冲孔模具的设计。文中简要概述了冲压模具目前的发展状况和趋势。对产品进行了详细工艺分析和工艺方案的确定。按照冲压模具设计的一般步骤，计算并设计了本套模具上的主要零部件，如：凸模、凹模、凸模固定板、垫板、凹模固定板、卸料板、导尺、挡料销、导正销等。模架采用标准模架，选用了合适的冲压设备。设计中对工作零件和压力机规格均进行了必要的校核计算。模具的冲孔和落料凸模分别用不同的固定板固定，便于调整间隙；冲孔凹模和落料凹模则采用整体固定板固定。落料凸模内装有导正销，保证了工件上孔和外形的相对位置准确，提高了加工精度。如此设计出结构可确保模具工作运行可靠和冲压产品大批量生产的要求。Summary This design had been designed blanking, stretching compound mould and single process of piercing mould. This paper briefly summarizes the state of development and tendency of stamping die, and proceeds detailed pr