毕业设计（论文）-筒形件级进模设计

４筒形件及其冲压模具设计摘要：在设计筒形件时应该把课堂上学到的理论与实际相结合从而设计出更加合理的冲压模具。单工序模具结构单一，生产效率低。级进模的特点是生产效率高，生产周期短，占用的操作人员少，非常适合大批量生产。所以本文选用拉深、冲导正孔、落结构废料、级进模，制造出符合要求的工件。在本设计中我还添加了一个空工位，确保工件的合格率从而提高效率。通过计算工艺力以确定模具压力中心，并根据压力的大小选择适合的压力机的型号。在凸模上面添加导料板和侧刃来将条料进行定距，凹模通过垫板与下模座连接来固定。模具采用下出料方式和弹性卸料卸料装置。关键词：级进模；模具设计；拉深DesignofCylindricalPartsandTheirStampingDiesAbstract:Inthedesignofcylindricalparts,thetheoryandpracticelearnedinclassshouldbecombinedtodesignamorereasonablestampingdie.Thestructureofsingleprocessdieissingleandtheproductionefficiencyislow.Progressivedieischaracterizedbyhighproductionefficiency,shortproductioncycle,occupiedbyfeweroperators,andisverysuitableformassproduction.Therefore,thispaperchoosesdrawing,punchingthemainhole,droppingstructurewaste,progressivedietoproduceworkpiecesthatmeettherequirements.Inthisdesign,Ialsoaddedanemptypositiontoensuretheeligibilityrateoftheworkpieceandthusimproveefficiency.Thepressurecenterofthedieisdeterminedbycalculatingthetechnologicalforce,andthesuitabletypeofpressisselectedaccordingtothepressure.Aguideplateandasideedgeareaddedtothepunchtofixthestripdistance.Theconcavedieisfixedbyconnectingthecushionplatewiththelowerdiebase.Thedieadoptsthedischargingmodeandtheelasticdischargingdevice.Keywords:progressivedie；molddesign；deepdrawing筒形件及其冲压模具设计1序言1.1概述冲压加工作为一个行业在国民经济的加工工业中占有重要的地位。冲压件在各个行业中均占相当大的比重，尤其在汽车、电机、仪表、军工、家用电器等方面所占比重更大。冲压加工的应用范围极广，从精细的电子元件、仪表指针到重型汽车的覆盖件和大梁、高压容器封头以及航空航天的蒙皮、机身等均需冲压加工。冲压件在形状和尺寸精度方面的互换性较好，一般情况下，可以直接满足装配和使用要求。此外，在冲压加工过程中由于材料经过塑性变形，金属内部组织得到改善，机械强度有所提高，所以，冲压件具有质量轻、刚度好、精度高和外表光滑、美观等特点。采用冲压与焊接或胶接等复合工艺，可以使零件结构更趋合理，加工更为方便，成本更易降低，这是制造复杂形状结构件的发展方向之一[1]。1.2课题的主要特点及意义该筒形件外形尺寸不是很大，需经多道工序才能成形,并要求有一定的精度,生产批量较大,而其采用的材料为1.5mm的08钢钢板,可保证足够的刚度和强度。因此,采用多工位级进模冲制来实现机械化和自动化，降低成本，提高效率，并获得高质量的产品。本课题需运用到课本知识和实践经验，有较强的综合性，可提高设计者运用知识的能力，考验设计者的空间想象能力，并能开阔设计者的思路等。2筒形件的级进模模具设计图2.1和2.2所示为筒形件的零件的示意图，材料为08钢，厚度为1.5mm，产量为大批量生产，要求编制该零件的冲压工艺方案。2.1零件及其冲压工艺性分析图2.1筒形件二维图图2.2筒形件三维图2.1.1冲压件结构工艺性分析（1）该零件属于凸缘的圆筒形拉深件，结构对称，形状简单。（2）零件材料的厚度t=1.5mm，根据材料性质适合各种工序的加工。（3）零件高度为20mm，可能需要经过几次拉深成型，也可能一次拉深成型，由尺寸计算后确定。（4）底孔的直径为d=2mm,所以符合要求。（5）圆角为R0.5较小，复合要求。2.1.2尺寸、精度分析从图看，孔的精度为IT12级，四个小孔距精度为IT10级，底部孔的精度为IT12级，其它无要求。2.1.3材料分析材料名称：08钢作为不锈钢耐热钢使用最广泛，为极软的碳素钢，强度、硬度很低，而韧性和塑性极高，具有良好的深冲、拉延、弯曲和镦粗等冷加工性能、焊接性能。但存在时效敏感性，淬硬性及淬透性极低。大多轧制成高精度的薄板或冷轧钢带用以制造易加工成形，强度低的深冲压或深拉延的覆盖零件和焊接构件。力学性能：抗拉强度σb(MPa):≥325条件屈服强度σs(MPa):≥1952.2冲压工艺方案2.2.1确定工艺方案首先根据零件形状确定冲压工艺类型和选择工序顺序。冲压该零件需要的基本工序有落料、拉深和冲孔。其中拉伸决定了零件的总体形状和尺寸，因此选择合理的拉深方法十分重要。拉深变形的方法比较该零件拉深的方法可采用三种方法：①一次拉深成型②多次拉深成型第一种方法为一次成型，其优点是用一副模具成型，可以提高生产率，减少所需设备和操作人员。缺点是一次拉深为了不影响材料的内部组织和力学性能，都有一个极限拉深系数。第二种方法为多次成型，其优点是可以减少每次拉深的拉深系数，从而对材料的内部组织和力学性能有很好的保护。缺点是要多副模具，对所需设备和操作人员有所提高。第三种方法为一次成型，虽也是用一副模具成型，也可以提高生产率，减少所需设备和操作人员。缺点是拉深需要的拉深模具结构较复杂，这时需要采用双动压力机。选择第一方案，因为第一种方法对模具的要求不高，而且由于工件的因素，所以一次拉深足够其成型，而不会到达极限拉深系数。确定完拉深成型的方法后就可以确定以下几种工艺方案，从而选出比较合理的方案，以完成该零件的成型工艺：对零件进行相关的成型工艺性分析，为后续的工作节省时间和避免一些缺陷的发生。工序安排如下：方案一：剪条料→落料→拉深→冲孔。方案二：剪条料→落料、拉深→冲孔。方案三：工序合并，采用带料级进冲压。方案性能比较如下表1，考虑零件精度要求高，批量大。从经济性和工艺性两方面综合考虑，故选方案三。表1冲压工艺方案比较项目方案一方案二方案三模具结构简单较复杂结构复杂模具寿命寿命长冲件质量有起皱，可以通过压边力控制，形状尺寸精度较差。形状尺寸精度较好，表面质量好，但生产效率低。表面质量较好，制造精度高，生产效率高。模具数量3套2套1套生产效率低较高最高3主要工艺参数计算3.1毛坯展开尺寸展开尺寸按图1分段计算。公式由参考书①求回转体拉伸件表面积和毛坯直径的方法，毛坯展开长度通过计算得，其毛坯展开为一个直径为86mm的圆图3.1展开图3.2确定排样的方案和计算材料的利用率确定排样方案。根据零件的形状选择合理的排样方案，以提高材料的利用率。该零件采用拉深冲孔落料级进模，毛坯形状为圆形，半径尺寸较大，为便于送料，采用单排有搭边排样方案，搭边值a和a1由综合考虑之后取沿边a=12mm;工作件之间的间距a1=2mm。如图图3.2工序图排样图如图2所示，排样图分为9个工位，给工位的工序内容如下：第1工位：冲工艺切口和冲工艺孔第2工位：导正销导正及首次拉深。第3工位：空位。第4工位：空位。第5工位：二次拉深。第6工位：校正。第7工位：冲中间孔及四个小孔。第8工位：落料，切断。②确定板料规格和裁料方式。根据条料的宽度尺寸，选择合适的板料规格，使剩余的边料越少越好。所以条料宽度为：式中B—条料的宽度（mm）D—工件垂直于送料方向的最大尺寸（mm）；a1—侧搭边（mm）；裁料方式既要考虑所选板料规格、冲制零件的数量，又要考虑裁料操作的方便性，该零件以纵裁下料为主。每个零件间的步距为：A=B+a=86+2=88mm式中B—平行于送料方向工件的宽度a—两工件间的搭边值计算材料消耗工艺定额和材料利用率。η＝nA/Bh×100%=3848-804-4×19.6/88×110×100%=30.6%式中A：冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）（mm）；n：一个进距内冲件数目n=1；B：条料宽度（mm）,B=110mm；h：进距（mm）,h=88mm。图3.3CAD计算数据图4计算各工序冲压力和选择冲压设备4.1冲压力的计算4.1.1拉深力的计算（不采用压边圈）：式中K—修正系数，取0.5～0.8L—拉深件截面周长t—材料厚度—材料极限强度查《实用手册》得=325MPa拉深件周长用CAD进行计算得出：L=220mm材料厚度t=1.5mm,K=0.75所以拉深力F=0.75×220×325×1.5=80437.5N≈80KN4.1.2冲孔力的计算：1.中心孔的冲裁力的计算：查参考书③表2-86材料的抗拉强度σb=325MPa由冲裁力公式已知：L=4πd+πd1=20×3.14+4×3.14×4=113mm,t=1.5mm所以：F=325×1.5×113=55107≈55KN2.卸料力FXFX=KXF已知KX=0.04~0.05（查参考书③表2-2）本设计取0.05则FX=KXF=0.05×55=2.75KN4.1.3落料时的冲裁力1.冲裁力F由冲裁力公式通过CAD计算，知：L=220mmt=1.5mm所以：F=220×1.5×325=107250N107KN2.卸料力FX所以所有工序所需的力：F=F拉深总+F总冲裁+F卸料=80+162+5.35=247.35KN算出所有工序所需要的力后，根据级进模工作的特点和工件的生产需要就可以选择适合的压力机。即此压力机的公称压力为353.3KN。4.2选择压力机由于选择的是拉深、冲孔落料级进模，所以才用开式机械压力机，而且选用曲柄式压力机。欲使压力机的精度高，保持良好的工作状态，最好在公称压力的80%一下使用压力机。由上述数据查参考书②表4-18选压力机为公称压力为1000KN的压力机。由于该零件是中心对称零件，所以压力中心为圆心。根据上述冲压力的计算和排样图设计，初步选用开式曲柄压力机。该压力机主要技术规格如下：冲压设备属锻压机械。常见的冷冲压设备有机械压力机。表4.2部分常用开式压力机的主要技术参数技术参数单位型号J23-4J23-6.3J23-10J23-16J23-25J23-63J23-100滑块公称压力KN40631001602506301000滑块行程次数次/mm2001601351151007070最大闭合高度mm160170180220250360360闭合高度调节量mm35405060709090立柱间距mm100150180220260250250滑块地面尺寸左右mm100140170200300300前后mm90120150180340340模柄孔尺寸直径mm3050深度mm5070垫块厚度mm35405060708090最大倾斜角°453530工作台尺寸左右mm2803153604505606301100前后mm1802002403003604201100根据冲压力的计算和压力中心的计算，选择开式压力机的型号为J23-1000。4.3压力中心的计算冲裁时的合力作用点或多工序模各工序冲压力的合力作用点，称为模具压力中心。如果模具压力中心与压力机滑块中心不一致，冲压时会产生偏载，导致模具以及滑块与导轨的急剧磨损，降低模具和压力机的寿命。因此，为了保证压力机和模具正常地工作，必须使冲模的压力中心与压力机滑块中心线相重合。根据数据,装置中有8个工步，在第4和5个工步中间是压力中心，由于该零件为对称的工件，所以通过解析法计算得该模具压力中心为该零件的中心线。5模具总体结构设计5.1凸模尺寸的计算多工位级进模的凸模、凹模要有统一的基准，各种不同冲压性质的凸模、凹模必须谐调一致。一般在设计多工位级进模时，将这种关系以凹模各形孔间的坐标位置为基准，以第①工位定出坐标原点，以此至各个工位形孔定出坐标关系。而凸模的安装位置、卸料板各形孔的位置均要与凹模一致，不得混乱。凸模的工作形状与对应凹模形孔形状（包括卸料板的形孔形状）也应当对应一致。这样既便于加工，又不容易出现差错[8]。5.1.1凸模的结构和固定形式本设计中采用用圆形和异形两种形式的凸模，材料选用Cr12MoV钢，淬火硬度HRC56-60必要时表面可进行渗碳处理。圆凸模可采用高精度外圆磨床加工，异形凸模可以采用慢走丝线切割加工或成形磨削加工（成形磨削是模具零件成形表面精加工的一种方法，可以获得高尺寸精度、高表面加工质量）[10]。凸模固定方式如图5-1所示：凸模以过渡配合（m6）固紧在凸模固定板上，顶端形成台肩，以便固定，并保证在工作时不被拉出，安全可靠。5.1.2凸模工作部分设计的需要长度从图4中可以看出，由于凸模在安装过程与使用过程中必须要有一定的长度，这里主要是考虑细小凸模的必要长度。凸模必要的工作长度为式中，—凸模刃模量，mm；—卸料板配合高度，mm；—凸模进入凹模形孔高度，mm；K—必要的安全系数，取1.15～1.3即可。凸模工作部分的长度应根据模具的结构来确定。一般不宜过长，否则往往因纵向弯曲而使凸模工作时失稳。致使模具间隙出现不均匀，从而使冲件的质量及精度有所下降，严重时甚至会使凸模折断。根据模具设计结构形式，凸模的长度为式中，—凸模的长度,mm；—凸模固定板的厚度，mm，这里；取值为25mm;—橡胶的高度，取值为30；—卸料板的厚度，mm，取；—附加长度，mm,一般为,取H=16；将各数据代入式（6-8），并根据实际情况得各凸模长度分别如下：拉深凸模长度L＝118mm；冲小孔凸模长度L＝90mm；落料凸模长度L＝90mm；5.1.3凸模的强度计算（1）凸模承受能力的校核对于圆形凸模式中，—凸模最小直径，mm；—抗剪强度，MPa，这里对08钢取＝350MPa；—凸模材料的许用应力，MPa，碳素工具钢淬火后之许用压应力一般为淬火前的1.5～3倍，这里＝1800MPa。将各数据代入式（6-9）中得：因此，各凸模设计合理。（2）拉深极限深度的校核锥形零件拉深时，只有在压力机行程终了，材料才贴靠在凸模上，成形为一定形状、尺寸的锥形零件。从材料强度出发，锥形件拉深时的极限成形深度Hmax可按以下公式计算：式中，—极限成形深度，mm；—材料抗拉强度和屈服强度；；—锥形件大端直径，mm；—锥形件锥角，mm；—系数，一般取。所以故，该拉深件的拉伸量在极限拉深以下，完全符合拉深条件。（3）失稳弯曲应力的校核凸模在中心轴向压力的作用下，保持稳定（不产生弯曲）的最大长度与导向方式有关，由卸料板导向凸模最大允许长度按下式计算：式中，—凸模最大允许长度，mm；—凸模材料弹性模量，对于钢材可取；—凸模或冲孔直径，mm；—冲件材料厚度，mm；—冲件材料抗剪强度，；这里对于08钢取现今对最小凸模直径进行校核计算，将各数据代入式中得：所以大于凸模长度，故满足要求。显然，其它凸模也满足弯曲校核要求。5.2整体凹模的结构设计考虑本成品零件的结构形状,本凹模采用矩形局凹模,其材料和凸模一样为Cr12MoV钢,热处理的硬度为58--62HRC内形尺寸即半成品的外形.其轮廓尺寸可按照参考书④第二章公式（2-24）和公式（2-25）计算凹模高度其中k——系数，考虑板料厚度的影响（见参考书④表2-2）k取0.31；b——凹模刃口的最大尺寸，mm。凹模壁厚（C取30mm）因为在此级进模中有八个工作工位，凸缘上冲的两个孔与落料时凹凸模距离较小所添加的一个空工位，所以凹模的凹模周界B为：B=230mm，L=800mm所以凹模轮廓尺寸为800mm×230mm×70mm.选用规格为800×230×70为矩形凹模板、800×230×25矩形固定板和800×230×15的矩形垫板。由于凹模厚度足够大，可直接用螺钉和销钉安装在下模座上。图5.1凹模5.3、计算凸、凹模的工作部分的尺寸5.3.1冲中心孔时凸、凹模间隙值的确定：模具工作部分尺寸及其公差的计算方法与加工方法有关，基本分为两类。方法1凸、凹模分开加工是指凸、凹模分别按图样加工至尺寸。此种方法适用于圆形或形状简单的工件，为了保证凸、凹模间初始间隙小于最大合理间隙值，不仅凸、凹模分别标注公差（凸模，凹模），而且要求有较高的制造精度，以满足以下条件或取也就是说新制造的模具应该是。所以落料计算公式如下式中、分别为落料凹模、凸模标称尺寸（mm）；落料件标称尺寸（mm）；工件制造公差（mm）；凸、凹模最小合理间隙（双边)（mm）；、凸、凹模制造公差（mm）,可查表2-10，或取，；系数，是为了使冲裁件的实际尺寸尽量接近冲裁件公差带的中间尺寸，与工件制造精度有关，可查表2-11，或按下列关系取：工件精度IT10以上，=1；工件精度IT11～13，=0.75；工件精度IT14，=0.5。冲孔计算公式如下式中、冲孔凸、凹模直径（mm）；冲孔件标称尺寸。其余符合意义同上。孔心距计算公式式中凹模孔心距的标称尺寸（mm）；工件孔心距的标称尺寸（mm）；工件孔心距的公差。方法2凸模和凹模采用配合加工对于形状比较复杂或料薄的工件，为保证为保证凸凹模之间的间隙值，必须采用配合加工。所谓配合加工就是先做好其中的一件作为标准件，然后以此标准间来加工另一件，使它们之间保持一定的间隙。因此只在基准件上标注尺寸和制造公差，另一件仅标注基本尺寸并注明配合的间隙值。模具的制造公差不受间隙的限制，一般可取制造工差的。这种加工方法不仅容易保证凸凹模间隙很小，还可以放大基准件的制造公差，使制造容易，故目前一般工厂都采用这种加工方法。对落料来讲，应该选凹模为基准件；对冲孔来讲，则应选取凸模为基准件。模具在工作过程中会发生磨损，对于一个形状复杂的工件来说，模具工作部分在工作过程中的磨损情况不同，标准件的刃口尺寸要根据磨损趋势来进行考虑。根据模具磨损后尺寸变化趋势，可以把尺寸分为3类：落料时A类：磨损后尺寸增加；B类：磨损后尺寸减小；C类：磨损后尺寸不变：情况1：制件尺寸为时情况2：制件尺寸为时情况2：制件尺寸为时冲孔时A类：磨损后尺寸减小；B类：磨损后尺寸减小；C类：磨损后尺寸不变：情况1：制件尺寸为时情况2：制件尺寸为时情况2：制件尺寸为时工件的标称尺寸A，B，工件公差Δ，材料厚度t=2,则由[2]表2-11查得x=0.75，Δ=0.54。则所以落料部分根据公式Dd=(D-xΔ)0+δd,Dp=(Dd-Zmin)0-δp则主要尺寸为:86mm:Dd1=(86-0.75×0.54)0+δd=85.5950+0.02DP1=(38.095-Zmin)0-δp=85.5350-0.020查表得δd=δp=0.02mm冲孔部分根据公式dp=(d+xΔ)0-δp,dd=(dp+Zmin)0+δd,则主要尺寸为Φ6的孔:dp1=(6+xΔ)0-δp=6.020-0.02dd1=(dp+Zmin)0+δd=(6.02+0.065)0+δd=6.0850+0.0205.3.3各凸模的零件图图5.2拉深凸模图5.3落料凸模15.4其余非标准件的零件图此套模具采用机械方法固定，他主要指采取螺钉固定或过盈配合的方法，把凸模和凹模直接固定于模座，或先固定于固定板，然后由固定板再与模座固定。如图5.4。图5.4凸模固定固定板有圆形和矩形两种，主要用于固定小型凸模和凹模。凸模固定板厚度约取凸模固定小型凸模和凹模。凸模固定板厚度约取凸模固定部分直径的1-1.5倍，它与凸模采用过渡配合（H7/m6）。压装后端面磨平，至于凹模固定板厚度，则根据冲模结构来确定，这里凸模固定板的尺寸为800×230×25mm。图5.5凸模固定板垫板的作用是直接承受和扩散凸模传递的压力，以降低模座所受的单位压力，为避免压出陷痕,这里垫板的尺寸为800×230×15mm。图5.6垫板5.4.1模架形式的选择具体情况如下：铸铁模架，在凹模面积的对角中心线上，装有前后四个导柱，其有效区在毛坯进给方向的导套间。受力平衡，上模座在导柱上运动平稳。适用于纵向或横向送料，使用面宽，常用于级进模或复合模。其凹模周界范围为。根据凹模外型尺寸,查《中国模具设计大典》选择的模架上模座下模座模座材料：上模座为HT200；下模座为HT200。模具闭合高度：最大300mm，最小240mm。图5.7下模座图5.8上模座拉深模卸料板也起到压边的作用，拉深过程中的压力主要是由压边圈承受，所以拉深模卸料板要选择厚一点H=20mm。选用材料Q235,.弹性卸料板与凸模之间要有一定的间隙，单边间隙1～2mm.压边圈周界尺寸与凹模尺寸一样。为了在冲压开始前就将先料压紧.弹性卸料板如图5.9所示。图5.9卸料板5.4.2螺钉所选联结螺钉均从《中国模具设计大典》（GB/T70.1-2000）查得选取内六角圆柱头螺钉。固定上模座、上垫板、凸模固定板的螺钉可选内六角圆柱头螺钉M10（长度60mm），卸料螺钉可选圆柱头卸料螺钉M10（长度100mm），固定下模座、下垫板、凹模、导料板的螺钉可用内六角圆柱头螺钉M10（长度60mm）。5.4.3圆柱销和防转销圆柱销和防转销均为GB/T119.1-2000圆柱销，d=10mm。5.4.4橡胶该零件主要是与卸料板配合进行弹性卸料，使零件顺利卸出。这里选择橡胶垫。6拉深、冲孔、落料级进模装配图将工件放在模具上并通过定位后，先进行拉深凸模和凹模共同作用下将圆形零件拉深为一个浅拉深的零件；由导料装置送往第二个工序进行固定后冲位于整个工件中心的直径为Φ3的圆；再由导料装置将其送往第三个工位进行结构废料的冲切；在第三四步设置一个空工位；第五和六步进行拉深和校正，完成一个工件所需要的拉深工序，第八步切断。在设计模具时应注意到导料装置和固定装置的选用，因为如果工件发生错移，除了得不到合格零件外，还有可能操坏模具造成重大的经济损失，这是一个设计师最不应该犯得错误。凹模的工作部位要取较小的圆角，同时要打磨得比较光洁，这样能避免在工件表面留下加工痕迹。另外，由于工件靠凸模卸料，所以要考虑凹模的间隙。图中凸模固定板之间采用螺钉以防止转动。图6.1装配图参考文献[1]王孝培.冲压手册（修订本）[M].北京:机械工业出版社.1990年4月.[2]冲模设计手册编写组.