落料正反拉深成形工艺及模具设计

1绪论目前，我国冲压技术与工业发达国家相比还相当的落后，主要原因是我国在冲压基础理论及成形工艺、模具标准化、模具设计、模具制造工艺及设备等方面与工业发达的国家尚有相当大的差距，导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与工业发达国家的模具相比差距相当大。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15～20万美元，有的高达25～30万美元，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；

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，60％－80％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求的局面，世界模具市场年交易总额为600～650亿美元左右。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15～20万美元，有的达到25～30万美元。国外先进国家模具标准件使%以上，而我国才达到45％．用覆盖率达701.3落料拉深模具设计与制造方面1.3.1落料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。筒形件是最典型的拉深件，其工作过程很简单就一个拉深，根据计算确定它能一次拉深成功.因此，根据计算的结果，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，而标准模架的最高和最低高度满足要求，所以可以选用标准模架。1.3.2模具设计的进度1.了解目前国内外冲压模具的发展现状，所用时间20天；2.确定加工方案，所用时间5天；3.模具的设计，所用时间30天；

2落料拉深件的冲压工艺性分析2.1冲压工件的工艺性分析零件名称：落料拉深件生产批量：大批量材料：15钢料厚：2.5mm零件简图：(见下图)此工件为有凸缘的筒形件，拉深高度适中，拉深前后厚度不变，工件材料为15钢，拉深性能比较好，且此工件的形状满足拉深工艺要求，可用拉深工序加工。工件满足冲裁尺寸条件要求。的公差等级为IT12级，满足拉深工序对工件公差等级的要求，40的公差等级为IT9级，精度比较高，应在拉深后增加整形工序，以提高其精度，又由于材料的各向异性的影响，拉深件的口部或凸缘外缘一般是不整齐的，出现“突耳”现象，需要在最后增加切边工序。3工艺方案的确定因为工件为带凸缘的筒形零件，零件形状比较对称，所以该工件的生产包括落料、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，其次拉深。采用单工序模生产。方案二：先拉深，再落料复合冲压。采用复合模生产。方案三：先落料，再拉深，采用复合模具生产。方案一模具结构简单，但需要两道工序四副模具，生产效率低，难以满足该工件大批量生产的要求。方案二只需一副模具，生产效率较高，能满足大批量生产要求，但是模具结构落料部分比较复杂，模具的生产、装配和维修困难。方案三虽然和方案二看起来都是一副模具，但由于两套模具进行的两个工序顺序的不同，且零件的几何形状简单对称，模具制造、装配和维修并不困难，模具采用复合形式，简化了工序，生产效率比方案一高，能满足大批量生产的要求，所以经综合考虑，工件采用方案三进行生产。

4工艺计算4.1计算毛坯尺寸由工件简图可得，d=60mm,d=(40-2.5)mm=37.5mm,由凸缘的相对直径d/d=60mm/37.5mm=1.6,查表4.2得修边余量=1.6mm,因零件底部圆角半径r与凸缘圆角半径R相等，即r=R时，有凸缘筒形件的毛坯直径D=将d=60+2=(60+2×1.6)mm=63.2mm,d=37.5mm,H=(14–2.5)mm=11.5mm,R=2mm,代入上式中，得毛胚的直径为D=77.3mm4.2判断能否一次拉深成形工件总的拉深系数m=d/D=37.5mm/77.3mm=0.485,工件总的拉深相对高度H/d=11.5mm/37.5mm=0.307。由d/d=63.5mm/37.5mm=1.69,t/D×100=2.5mm/77.3mm×100=3.24,查表4.9得有凸缘筒形件第一次拉深的极限拉深系数m=0.45。由表4.10查得，有凸缘筒形件首次拉深的极限相对高度h/d=0.50,由于m=0.485>m=0.45,H/d=11.5mm/37.5mm=0.307<h/d=0.50,所以工件能一次拉出。4.3确定是否使用压边圈因为t/D×100=2.5mm/77.3mm×100=3.24>2.0,m=0.45<0.6，由表4.7查得需要采用压边装置。又因为工件能一次拉深成形，所以采用平面压边装置，且不需要使用限位装置。4.4排样设计设计模具时，条料的排样很重要。中轴碗具有左右对称的特点，单向排列时（如图所示）的排样方案可以提高材料的利用率，减少废料。4.5条料宽度、导料板间距离和材料利用率的计算查表取得搭边值为a=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，由条料宽度B=【D+2a+C】B__条料宽度（mm）D—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；a—侧搭边的最小值；△—条料宽度的单向（负向）偏差；C__导料板与最宽条料之间的单面最小间隙；把D=77.3mm，a=2.2mm,查表得C=0.5,△=0.8mm,代入上式得B=82.2mm。材料利用率的计算：由书材料利用率通用计算公式=×100%式中S—一个零件的实际面积，mm2;n—一个步距内实际冲裁件数量；B—条料宽度，mm;A—送料步距，mm把S=3.14×38.65=4690.6mm,n=1,B=82.2mm,A=D+a=77.3mm+1.8mm=79.1mm。代入上式得=4960.6mm×1/82.2mm×79.1mm×100%=76.3%导料板间距离的计算：A=B+C=D+2a+2C式中B__条料宽度（mm）D—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；a—侧搭边的最小值；C__导料板与最宽条料之间的单面最小间隙；把B=82.2mm，C=0.5,a=2.2mm,D=77.3mm，代入上式得A=77.3mm+2×2.2mm+2×0.5mm=82.7mm。

5工序冲压力的计算5.1、落料力P=1.3t式中___材料抗剪强度D___毛胚直径t___材料厚度查表得15钢得抗剪强度=289MPa。把D=77.3mm,t=2.5mm代入上式得P=1.3×3.14×77.3mm×289MPa×2.5mm=227976.638≈227.977kN。5.2、卸料力P=KPK___卸料力系数；P——落料力；查表得K=0.06，P=227.977kN，所以代入上式得P=0.06×227.977kN=13.6786kN≈13.679kN。5.3、拉深力P=Kdt式中K___修正系数，查表4.6；d___拉深后工序件中径；t___材料厚度；___材料的抗拉强度；查表得K=1.0，=375MPa，把K=1.0，=375MPa，d=37.5mm,t=2.5mm,代入上式得P=1×3.14×37.5mm×2.5mm×375Mpa=110.39KN。5.4、压边力P=P式中D___毛胚直径（mm）；d___第一次拉深后工件的直径（mm）；r___拉深凹模圆角半径（mm）；P___单位压边力（Mpa）；查表得P=2.5Mpa，取r=6mm。D=77.3mm，d=37.5mm。代入上式得P=×2.5Mpa=6917.89≈6.92kN。5.5、冲孔力P=KLt式中K___修正系数；L___冲孔的周长；t___材料厚度；___材料抗剪强度；查表得K=1.3,L=3.14×19mm=59.66mm,t=2.5mm,=/1.3=289Mpa。把以上数据代入上式得P=1.3×59.66mm×2.5mm×289Mpa=56035.655≈56.036kN。5.6、推件力P=nKP式中n___冲孔时卡在凹模内的废料数；K___推件力系数；P___冲孔力；查表得K=0.05，取n=3，把K=0.05，n=3，P=56.036kN。代入上式得P=3×0.05×56.036kN=7.9554kN。5.7、顶件力P=KP式中K___顶件力系数；P___拉深力；查表得K=0.06，P=110.39KN，代入上式得P=0.06×110.39KN=6.6234kN。所以综上可得，落料拉深模得总冲裁力P=P+P+P+P+P=227.977kN+220.39kN+13.679Kn+6.92kN+6.623kN=365.589kN。P=P+P=56.036kN+7.9554kN=63.9914kN。

6冲压设备的选择为了使压力机能安全工作，取P≥（1.6～1.8）P所以落料拉深的压力机P≥（1.6～1.8）P=1.6×365.589kN=584.9424kN。冲孔压力机P≥（1.6～1.8）P=1.7×63.9914kN=108.78538kN。故落料拉深模选用630kN的开式压力机。其主要技术参数如下。公称压力：630kN滑块行程：130mm最大封闭高度：360mm最大封闭高度调节量：80mm工作台尺寸：480mm×710mm工作台垫板孔尺寸：250模柄孔尺寸：50mm×80mm工作台垫板厚度：80mm冲孔模选用150kN的开式压力机。

7模具零件主要工作部分的尺寸计算7.1、落料凸、凹模尺寸得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，精度容易保证，所以拟采用分别加工。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。查表2.4得间隙值Z=0.360mm，Z=0.500mm。查表2.5得凸、凹模制造公差：=0.020mm，=0.030mm。校核：Z-Z=0.140mm，而+=0.050mm满足Z-Z≥+的条件。查表2.6得：IT11级时磨损系数x=0.75根据设计原则,落料时以凹模为设计基准。由书式（2.3）和（2.4）得D=(D-x)D=(D-Z)式中D、D—落料凹凸模尺寸；D—落料件的最大基本尺寸；x—磨损系数；Δ—工件制造公差；Z—最小合理间隙；δ、δ—凸、凹模的制造公差。把D=77.3mm，x=0.75,Δ=0.20,=0.020mm，=0.030mm，Z=0.360mm代入上式得D=（77.3mm–0.75×0.20）=77.15mmD=（77.15mm–0.360mm）=76.79mm7.2.冲孔凸、凹模尺寸的计算查表2.4得间隙值Z=0.360mm，Z=0.500mm。查表2.5得凸、凹模制造公差：=0.020mm，=0.025mm。校核：Z-Z=0.140mm，而+=0.045mm满足Z-Z≥+的条件。所以采用分别制造法加工。查表4.6得IT11级x=0.75设计加工时，以凸模为设计基准，由式2.5和2.6得d=（d+xΔ）d=（d+Z）式中d、d—冲孔凸凹模尺寸；—冲孔件的最小基本尺寸；x—磨损系数；Δ—工件制造公差；Z—最小合理间隙；δ、δ—凸、凹模的制造公差。把=19mm,x=0.75,Δ=0.2,Z=0.360mm,=0.020mm，=0.025mm代入上式得d=（19mm+0.75×0.2）=19.15mmd=（19.15mm+0.360）=19.51mm7.3.拉深凸、凹模尺寸的计算由于外形尺寸精度较高，所以以凹模为基准进行设计加工，由式4.35和4.36得D=(D–0.75)D=(D-0.75-Z)式中：D、D—凹、凸模的尺寸；D__零件外径的最大极限尺寸；Δ—零件的公差；δ、δ—凹、凸模制造公差；Z—拉深模双面间隙。查表得Δ=0.2，δ=δ=0.016mm,因为工件的精度要求较高，为了拉深后的回弹小，表面光洁，所以采用负间隙拉深模，其单面间隙值为=（0.9～0.95）t=0.94×2.5=2.35mm所以取Z=4.7mm代入上式得D=(D–0.75)=（40.175–0.75×0.2）=40.025D=(D-0.75-Z)=（40.175-0.75×0.2–4.7）=35.325凸、凹模的圆角半径得计算考虑到实际采用的拉深系数均接近其极限值，故拉深凹模圆角半径应大些，可按公式，计算拉深凸模和凹模的圆角半径r=0.8×=2.828mm所以取r=3mm

8模具的结构设计8.1、模具工作部分的计算8.1.1、拉深模的间隙深间隙对拉深过程有较大的影响。它不仅影响拉深件的质量与尺寸精度，而且影响拉深模的寿命以及拉深是否能够顺利进行。因此，应该综合考虑各种影响因素，选取适当的拉深间隙值，既可保证工件的要求，又能使拉深顺利进行。由前面计算的：Z/2=2.35mm8.1.2、拉深模的圆角半径凸模、凹模的选用在制件拉深过程中有着很大的作用。凸模圆角半径的选用可以大些，这样会减低板料绕凸模的弯曲拉应力，工件不易被拉裂，极限拉深因数会变小些；凹模的圆角半径也可以选大些，这样沿凹模圆角部分的流动阻力就会小些，拉深力也会减小，极限拉深因数也会相应减小。但是凸、凹模的圆角半径也不易过大，过大的圆角半径，就会减少板料与凸模和凹模端面的接触面积及压边圈的压料面积，板料悬空面积增大，容易产生失稳起皱。拉深凸凹模的圆角半径已有前面计算得出结果：r=3mm8.1.3、凸凹模工作部分的尺寸和公差拉深以凹模为基准，模具的制造公差按IT6级选取。由前面计算得凹模的尺寸和公差为：D=(D–0.75)=（40.175–0.75×0.2）=40.025凸模的尺寸和公差为：D=(D-0.75-Z)=（40.175-0.75×0.2–4.7）=35.3258.2、模具各部件的设计8.2.1、模柄因为模具尺寸不是太大，综合考虑选用垂直度和同轴度较好的压入式模柄，根据JB/T7646.1选取基本尺寸标准为40mm的模柄，具体如下图所示：8.2.2、垫板因为凸凹模和落料凹模都为圆形，所以采用圆形垫板，由JB/T7653—1994的规定，选取规格为160mm×8mm的垫板如下8.2.3、拉深凸模固定板凸模固定板主要用来固定拉深凸模，使其在工作过程中保持稳定和精度，所以根据JB/T7653—1994选取规格标准为160mm×18mm的凸凹模固定板，为了使其均匀固定，需要在其上加工三个螺纹孔和三个销钉孔，又因为拉深加工需要压边圈，所以还需要在凸模固定板上加工三个顶杆孔，使压边圈起到压边作用，另外还要加工固定凸模的阶梯孔，如下图所示：8.2.4、凸凹模固定板凸凹模固定板是用来固定凸凹模，使其在工作过程中能稳定的工作，保持模具的精度，它通过螺钉与上模座进行紧固连接，同时通过销钉进行定位，以保证安装位置的精度，另外卸料螺钉通过安装在固定板的弹簧达到弹性卸料的目的，所以需要在凸凹模固定板上加工三个螺钉孔和两个销钉孔，另外还要加工一个固定凸凹模的阶梯孔和三个卸料螺钉孔，各部分工作尺寸如下图所示：8.2.5落料凹模落料凹模是模具的主要工作零件，需要较高的强度和精度，所以凹模材料选用Cr12，淬火硬度为：58—62HRC，凹模刃口尺寸为77.15mm，可通过镗、铣削、磨削等加工方法进行加工制造，安装时通过螺钉与销钉和下模座进行连接和定位，所以凹模上要加工螺钉孔和销钉孔，刃口部分采用阶梯孔形式，以方便安装压边圈，如下图所示：8.2.6、拉深凸模拉深凸模是模具的主要工作零部件，用于工件的拉深成形，需要很高的精度以保证工件的精度，同时对强度要求也较高，综合考虑拉深凸模材料采用Cr12，凸模刃口尺寸为35.325mm，圆角半径为3mm，其外形可通过车削、磨削等进行加工，与凸模固定板采用过盈配合，以进行紧固安装。8.2.7、卸料板卸料板是模具的主要卸料零件，它与卸料螺钉、弹簧组成弹性卸料装置，以卸除卡在凸凹模上的条料，使工作快速进行，与凸凹模之间采用间隙配合，卸料板需加工卸料螺钉孔与卸料螺钉进行连接，8.2.8、压边圈在拉深工序中，为保证拉深件的表面质量，防止拉深过程中材料的起皱，常采用压边圈用合适的压边力使毛坯的变形区部分被压在凹模平面上，并使毛坯从压边圈与凹模平面之间的缝隙中通过，从而制止毛坯的起皱现象。压边圈的内形与拉深凸模间隙配合，一般与顶料杆(三根以上)、橡皮等构成弹性卸料系统。8.2.9、凸凹模凸凹模即是落料的凸模又是拉深的凹模，做为模具的主要成形零部件，凸凹模的精度和强度都有较高的要求，其凸模和凹模部分的刃口尺寸分别为76.79mm和35.325mm，其外部形状可以通过车削、镗削、磨削等加工方法进行加工制造，材料可选用Cr12，淬火硬度为58—62HRC，8.2.10、模具其它部件的选用模具其它部件的选用见表2—1表2—1模具其它部件的选用序号名称数量材料规格/mm标准热处理1销钉240Crφ10×602打杆140φ11×15040～45HRC3螺钉345M12×604打料块140φ40×4040～45HRC5卸料螺钉340CrM12×8530～35HRC6螺钉345M12×957顶杆3T8AM10×9040～45HRC8销钉340Crφ10×909弹簧32090×67010橡皮1

9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不大，且工件精度要求较高，为了工作过程稳定和保证工件精度，选用中间导柱模架。再按其标准选择具体结构尺寸见表5-1。表3-1拉深落料模架规格选用名称尺寸材料热处理上模座160×160×40HT200下模座160×160×45HT200导柱28×170、32×17020渗碳58～62HRC导套28×100×38、32×100×3820渗碳58～62HRC最小闭合高度H=180mm,最大闭合高度H=220mm。模具的闭合高度H=上模座厚+垫板厚+凸凹模厚+凸模厚+下模座厚+垫板厚-（料厚+工件高度）=40mm+8mm+64mm+50mm+45mm+10mm–(2.5mm+14mm)=200.5mm因为模具的封闭高度H应该介于压力机的最大封闭高度Hmax和最小封闭高度Hmin之间，一般取：Hmax-5mm≥H≥Hmin+10mm由此可知，要使工件能顺利的加工和从模具上取出，必须要模具有足够的封闭高度Hmax≥H+5