４筒形件及其沖壓模具設計摘要：在設計筒形件時應該把課堂上學到的理論與實際相結合從而設計出更加合理的沖壓模具。單工序模具結構單一，生產效率低。級進模的特點是生產效率高，生產周期短，占用的操作人員少，非常適合大批量生產。所以本文選用拉深、沖導正孔、落結構廢料、級進模，制造出符合要求的工件。在本設計中我還添加了一個空工位，確保工件的合格率從而提高效率。通過計算工藝力以確定模具壓力中心，并根據壓力的大小選擇適合的壓力機的型號。在凸模上面添加導料板和側刃來將條料進行定距，凹模通過墊板與下模座連接來固定。模具采用下出料方式和彈性卸料卸料裝置。關鍵詞：級進模；模具設計；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筒形件及其沖壓模具設計1序言1.1概述沖壓加工作為一個行業在國民經濟的加工工業中占有重要的地位。沖壓件在各個行業中均占相當大的比重，尤其在汽車、電機、儀表、軍工、家用電器等方面所占比重更大。沖壓加工的應用范圍極廣，從精細的電子元件、儀表指針到重型汽車的覆蓋件和大梁、高壓容器封頭以及航空航天的蒙皮、機身等均需沖壓加工。沖壓件在形狀和尺寸精度方面的互換性較好，一般情況下，可以直接滿足裝配和使用要求。此外，在沖壓加工過程中由于材料經過塑性變形，金屬內部組織得到改善，機械強度有所提高，所以，沖壓件具有質量輕、剛度好、精度高和外表光滑、美觀等特點。采用沖壓與焊接或膠接等復合工藝，可以使零件結構更趨合理，加工更為方便，成本更易降低，這是制造復雜形狀結構件的發展方向之一[1]。1.2課題的主要特點及意義該筒形件外形尺寸不是很大，需經多道工序才能成形,并要求有一定的精度,生產批量較大,而其采用的材料為1.5mm的08鋼鋼板,可保證足夠的剛度和強度。因此,采用多工位級進模沖制來實現機械化和自動化，降低成本，提高效率，并獲得高質量的產品。本課題需運用到課本知識和實踐經驗，有較強的綜合性，可提高設計者運用知識的能力，考驗設計者的空間想象能力，并能開闊設計者的思路等。2筒形件的級進模模具設計圖2.1和2.2所示為筒形件的零件的示意圖，材料為08鋼，厚度為1.5mm，產量為大批量生產，要求編制該零件的沖壓工藝方案。2.1零件及其沖壓工藝性分析圖2.1筒形件二維圖圖2.2筒形件三維圖2.1.1沖壓件結構工藝性分析（1）該零件屬于凸緣的圓筒形拉深件，結構對稱，形狀簡單。（2）零件材料的厚度t=1.5mm，根據材料性質適合各種工序的加工。（3）零件高度為20mm，可能需要經過幾次拉深成型，也可能一次拉深成型，由尺寸計算后確定。（4）底孔的直徑為d=2mm,所以符合要求。（5）圓角為R0.5較小，復合要求。2.1.2尺寸、精度分析從圖看，孔的精度為IT12級，四個小孔距精度為IT10級，底部孔的精度為IT12級，其它無要求。2.1.3材料分析材料名稱：08鋼作為不銹鋼耐熱鋼使用最廣泛，為極軟的碳素鋼，強度、硬度很低，而韌性和塑性極高，具有良好的深沖、拉延、彎曲和鐓粗等冷加工性能、焊接性能。但存在時效敏感性，淬硬性及淬透性極低。大多軋制成高精度的薄板或冷軋鋼帶用以制造易加工成形，強度低的深沖壓或深拉延的覆蓋零件和焊接構件。力學性能：抗拉強度σb(MPa):≥325條件屈服強度σs(MPa):≥1952.2沖壓工藝方案2.2.1確定工藝方案首先根據零件形狀確定沖壓工藝類型和選擇工序順序。沖壓該零件需要的基本工序有落料、拉深和沖孔。其中拉伸決定了零件的總體形狀和尺寸，因此選擇合理的拉深方法十分重要。拉深變形的方法比較該零件拉深的方法可采用三種方法：①一次拉深成型②多次拉深成型第一種方法為一次成型，其優點是用一副模具成型，可以提高生產率，減少所需設備和操作人員。缺點是一次拉深為了不影響材料的內部組織和力學性能，都有一個極限拉深系數。第二種方法為多次成型，其優點是可以減少每次拉深的拉深系數，從而對材料的內部組織和力學性能有很好的保護。缺點是要多副模具，對所需設備和操作人員有所提高。第三種方法為一次成型，雖也是用一副模具成型，也可以提高生產率，減少所需設備和操作人員。缺點是拉深需要的拉深模具結構較復雜，這時需要采用雙動壓力機。選擇第一方案，因為第一種方法對模具的要求不高，而且由于工件的因素，所以一次拉深足夠其成型，而不會到達極限拉深系數。確定完拉深成型的方法后就可以確定以下幾種工藝方案，從而選出比較合理的方案，以完成該零件的成型工藝：對零件進行相關的成型工藝性分析，為后續的工作節省時間和避免一些缺陷的發生。工序安排如下：方案一：剪條料→落料→拉深→沖孔。方案二：剪條料→落料、拉深→沖孔。方案三：工序合并，采用帶料級進沖壓。方案性能比較如下表1，考慮零件精度要求高，批量大。從經濟性和工藝性兩方面綜合考慮，故選方案三。表1沖壓工藝方案比較項目方案一方案二方案三模具結構簡單較復雜結構復雜模具壽命壽命長沖件質量有起皺，可以通過壓邊力控制，形狀尺寸精度較差。形狀尺寸精度較好，表面質量好，但生產效率低。表面質量較好，制造精度高，生產效率高。模具數量3套2套1套生產效率低較高最高3主要工藝參數計算3.1毛坯展開尺寸展開尺寸按圖1分段計算。公式由參考書①求回轉體拉伸件表面積和毛坯直徑的方法，毛坯展開長度通過計算得，其毛坯展開為一個直徑為86mm的圓圖3.1展開圖3.2確定排樣的方案和計算材料的利用率確定排樣方案。根據零件的形狀選擇合理的排樣方案，以提高材料的利用率。該零件采用拉深沖孔落料級進模，毛坯形狀為圓形，半徑尺寸較大，為便于送料，采用單排有搭邊排樣方案，搭邊值a和a1由綜合考慮之后取沿邊a=12mm;工作件之間的間距a1=2mm。如圖圖3.2工序圖排樣圖如圖2所示，排樣圖分為9個工位，給工位的工序內容如下：第1工位：沖工藝切口和沖工藝孔第2工位：導正銷導正及首次拉深。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：沖中間孔及四個小孔。第8工位：落料，切斷。②確定板料規格和裁料方式。根據條料的寬度尺寸，選擇合適的板料規格，使剩余的邊料越少越好。所以條料寬度為：式中B—條料的寬度（mm）D—工件垂直于送料方向的最大尺寸（mm）；a1—側搭邊（mm）；裁料方式既要考慮所選板料規格、沖制零件的數量，又要考慮裁料操作的方便性，該零件以縱裁下料為主。每個零件間的步距為：A=B+a=86+2=88mm式中B—平行于送料方向工件的寬度a—兩工件間的搭邊值計算材料消耗工藝定額和材料利用率。η＝nA/Bh×100%=3848-804-4×19.6/88×110×100%=30.6%式中A：沖裁件面積（包括沖出的小孔在內）（mm）；n：一個進距內沖件數目n=1；B：條料寬度（mm）,B=110mm；h：進距（mm）,h=88mm。圖3.3CAD計算數據圖4計算各工序沖壓力和選擇沖壓設備4.1沖壓力的計算4.1.1拉深力的計算（不采用壓邊圈）：式中K—修正系數，取0.5～0.8L—拉深件截面周長t—材料厚度—材料極限強度查《實用手冊》得=325MPa拉深件周長用CAD進行計算得出：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沖孔力的計算：1.中心孔的沖裁力的計算：查參考書③表2-86材料的抗拉強度σb=325MPa由沖裁力公式已知：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（查參考書③表2-2）本設計取0.05則FX=KXF=0.05×55=2.75KN4.1.3落料時的沖裁力1.沖裁力F由沖裁力公式通過CAD計算，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拉深總+F總沖裁+F卸料=80+162+5.35=247.35KN算出所有工序所需要的力后，根據級進模工作的特點和工件的生產需要就可以選擇適合的壓力機。即此壓力機的公稱壓力為353.3KN。4.2選擇壓力機由于選擇的是拉深、沖孔落料級進模，所以才用開式機械壓力機，而且選用曲柄式壓力機。欲使壓力機的精度高，保持良好的工作狀態，最好在公稱壓力的80%一下使用壓力機。由上述數據查參考書②表4-18選壓力機為公稱壓力為1000KN的壓力機。由于該零件是中心對稱零件，所以壓力中心為圓心。根據上述沖壓力的計算和排樣圖設計，初步選用開式曲柄壓力機。該壓力機主要技術規格如下：沖壓設備屬鍛壓機械。常見的冷沖壓設備有機械壓力機。表4.2部分常用開式壓力機的主要技術參數技術參數單位型號J23-4J23-6.3J23-10J23-16J23-25J23-63J23-100滑塊公稱壓力KN40631001602506301000滑塊行程次數次/mm2001601351151007070最大閉合高度mm160170180220250360360閉合高度調節量mm35405060709090立柱間距mm100150180220260250250滑塊地面尺寸左右mm100140170200300300前后mm90120150180340340模柄孔尺寸直徑mm3050深度mm5070墊塊厚度mm35405060708090最大傾斜角°453530工作臺尺寸左右mm2803153604505606301100前后mm1802002403003604201100根據沖壓力的計算和壓力中心的計算，選擇開式壓力機的型號為J23-1000。4.3壓力中心的計算沖裁時的合力作用點或多工序模各工序沖壓力的合力作用點，稱為模具壓力中心。如果模具壓力中心與壓力機滑塊中心不一致，沖壓時會產生偏載，導致模具以及滑塊與導軌的急劇磨損，降低模具和壓力機的壽命。因此，為了保證壓力機和模具正常地工作，必須使沖模的壓力中心與壓力機滑塊中心線相重合。根據數據,裝置中有8個工步，在第4和5個工步中間是壓力中心，由于該零件為對稱的工件，所以通過解析法計算得該模具壓力中心為該零件的中心線。5模具總體結構設計5.1凸模尺寸的計算多工位級進模的凸模、凹模要有統一的基準，各種不同沖壓性質的凸模、凹模必須諧調一致。一般在設計多工位級進模時，將這種關系以凹模各形孔間的坐標位置為基準，以第①工位定出坐標原點，以此至各個工位形孔定出坐標關系。而凸模的安裝位置、卸料板各形孔的位置均要與凹模一致，不得混亂。凸模的工作形狀與對應凹模形孔形狀（包括卸料板的形孔形狀）也應當對應一致。這樣既便于加工，又不容易出現差錯[8]。5.1.1凸模的結構和固定形式本設計中采用用圓形和異形兩種形式的凸模，材料選用Cr12MoV鋼，淬火硬度HRC56-60必要時表面可進行滲碳處理。圓凸模可采用高精度外圓磨床加工，異形凸模可以采用慢走絲線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種方法，可以獲得高尺寸精度、高表面加工質量）[10]。凸模固定方式如圖5-1所示：凸模以過渡配合（m6）固緊在凸模固定板上，頂端形成臺肩，以便固定，并保證在工作時不被拉出，安全可靠。5.1.2凸模工作部分設計的需要長度從圖4中可以看出，由于凸模在安裝過程與使用過程中必須要有一定的長度，這里主要是考慮細小凸模的必要長度。凸模必要的工作長度為式中，—凸模刃模量，mm；—卸料板配合高度，mm；—凸模進入凹模形孔高度，mm；K—必要的安全系數，取1.15～1.3即可。凸模工作部分的長度應根據模具的結構來確定。一般不宜過長，否則往往因縱向彎曲而使凸模工作時失穩。致使模具間隙出現不均勻，從而使沖件的質量及精度有所下降，嚴重時甚至會使凸模折斷。根據模具設計結構形式，凸模的長度為式中，—凸模的長度,mm；—凸模固定板的厚度，mm，這里；取值為25mm;—橡膠的高度，取值為30；—卸料板的厚度，mm，取；—附加長度，mm,一般為,取H=16；將各數據代入式（6-8），并根據實際情況得各凸模長度分別如下：拉深凸模長度L＝118mm；沖小孔凸模長度L＝90mm；落料凸模長度L＝90mm；5.1.3凸模的強度計算（1）凸模承受能力的校核對于圓形凸模式中，—凸模最小直徑，mm；—抗剪強度，MPa，這里對08鋼取＝350MPa；—凸模材料的許用應力，MPa，碳素工具鋼淬火后之許用壓應力一般為淬火前的1.5～3倍，這里＝1800MPa。將各數據代入式（6-9）中得：因此，各凸模設計合理。（2）拉深極限深度的校核錐形零件拉深時，只有在壓力機行程終了，材料才貼靠在凸模上，成形為一定形狀、尺寸的錐形零件。從材料強度出發，錐形件拉深時的極限成形深度Hmax可按以下公式計算：式中，—極限成形深度，mm；—材料抗拉強度和屈服強度；；—錐形件大端直徑，mm；—錐形件錐角，mm；—系數，一般取。所以故，該拉深件的拉伸量在極限拉深以下，完全符合拉深條件。（3）失穩彎曲應力的校核凸模在中心軸向壓力的作用下，保持穩定（不產生彎曲）的最大長度與導向方式有關，由卸料板導向凸模最大允許長度按下式計算：式中，—凸模最大允許長度，mm；—凸模材料彈性模量，對于鋼材可取；—凸模或沖孔直徑，mm；—沖件材料厚度，mm；—沖件材料抗剪強度，；這里對于08鋼取現今對最小凸模直徑進行校核計算，將各數據代入式中得：所以大于凸模長度，故滿足要求。顯然，其它凸模也滿足彎曲校核要求。5.2整體凹模的結構設計考慮本成品零件的結構形狀,本凹模采用矩形局凹模,其材料和凸模一樣為Cr12MoV鋼,熱處理的硬度為58--62HRC內形尺寸即半成品的外形.其輪廓尺寸可按照參考書④第二章公式（2-24）和公式（2-25）計算凹模高度其中k——系數，考慮板料厚度的影響（見參考書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）因為在此級進模中有八個工作工位，凸緣上沖的兩個孔與落料時凹凸模距離較小所添加的一個空工位，所以凹模的凹模周界B為：B=230mm，L=800mm所以凹模輪廓尺寸為800mm×230mm×70mm.選用規格為800×230×70為矩形凹模板、800×230×25矩形固定板和800×230×15的矩形墊板。由于凹模厚度足夠大，可直接用螺釘和銷釘安裝在下模座上。圖5.1凹模5.3、計算凸、凹模的工作部分的尺寸5.3.1沖中心孔時凸、凹模間隙值的確定：模具工作部分尺寸及其公差的計算方法與加工方法有關，基本分為兩類。方法1凸、凹模分開加工是指凸、凹模分別按圖樣加工至尺寸。此種方法適用于圓形或形狀簡單的工件，為了保證凸、凹模間初始間隙小于最大合理間隙值，不僅凸、凹模分別標注公差（凸模，凹模），而且要求有較高的制造精度，以滿足以下條件或取也就是說新制造的模具應該是。所以落料計算公式如下式中、分別為落料凹模、凸模標稱尺寸（mm）；落料件標稱尺寸（mm）；工件制造公差（mm）；凸、凹模最小合理間隙（雙邊)（mm）；、凸、凹模制造公差（mm）,可查表2-10，或取，；系數，是為了使沖裁件的實際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸，與工件制造精度有關，可查表2-11，或按下列關系取：工件精度IT10以上，=1；工件精度IT11～13，=0.75；工件精度IT14，=0.5。沖孔計算公式如下式中、沖孔凸、凹模直徑（mm）；沖孔件標稱尺寸。其余符合意義同上。孔心距計算公式式中凹模孔心距的標稱尺寸（mm）；工件孔心距的標稱尺寸（mm）；工件孔心距的公差。方法2凸模和凹模采用配合加工對于形狀比較復雜或料薄的工件，為保證為保證凸凹模之間的間隙值，必須采用配合加工。所謂配合加工就是先做好其中的一件作為標準件，然后以此標準間來加工另一件，使它們之間保持一定的間隙。因此只在基準件上標注尺寸和制造公差，另一件僅標注基本尺寸并注明配合的間隙值。模具的制造公差不受間隙的限制，一般可取制造工差的。這種加工方法不僅容易保證凸凹模間隙很小，還可以放大基準件的制造公差，使制造容易，故目前一般工廠都采用這種加工方法。對落料來講，應該選凹模為基準件；對沖孔來講，則應選取凸模為基準件。模具在工作過程中會發生磨損，對于一個形狀復雜的工件來說，模具工作部分在工作過程中的磨損情況不同，標準件的刃口尺寸要根據磨損趨勢來進行考慮。根據模具磨損后尺寸變化趨勢，可以把尺寸分為3類：落料時A類：磨損后尺寸增加；B類：磨損后尺寸減小；C類：磨損后尺寸不變：情況1：制件尺寸為時情況2：制件尺寸為時情況2：制件尺寸為時沖孔時A類：磨損后尺寸減小；B類：磨損后尺寸減小；C類：磨損后尺寸不變：情況1：制件尺寸為時情況2：制件尺寸為時情況2：制件尺寸為時工件的標稱尺寸A，B，工件公差Δ，材料厚度t=2,則由[2]表2-11查得x=0.75，Δ=0.54。則所以落料部分根據公式Dd=(D-xΔ)0+δd,Dp=(Dd-Zmin)0-δp則主要尺寸為: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沖孔部分根據公式dp=(d+xΔ)0-δp,dd=(dp+Zmin)0+δd,則主要尺寸為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各凸模的零件圖圖5.2拉深凸模圖5.3落料凸模15.4其余非標準件的零件圖此套模具采用機械方法固定，他主要指采取螺釘固定或過盈配合的方法，把凸模和凹模直接固定于模座，或先固定于固定板，然后由固定板再與模座固定。如圖5.4。圖5.4凸模固定固定板有圓形和矩形兩種，主要用于固定小型凸模和凹模。凸模固定板厚度約取凸模固定小型凸模和凹模。凸模固定板厚度約取凸模固定部分直徑的1-1.5倍，它與凸模采用過渡配合（H7/m6）。壓裝后端面磨平，至于凹模固定板厚度，則根據沖模結構來確定，這里凸模固定板的尺寸為800×230×25mm。圖5.5凸模固定板墊板的作用是直接承受和擴散凸模傳遞的壓力，以降低模座所受的單位壓力，為避免壓出陷痕,這里墊板的尺寸為800×230×15mm。圖5.6墊板5.4.1模架形式的選擇具體情況如下：鑄鐵模架，在凹模面積的對角中心線上，裝有前后四個導柱，其有效區在毛坯進給方向的導套間。受力平衡，上模座在導柱上運動平穩。適用于縱向或橫向送料，使用面寬，常用于級進模或復合模。其凹模周界范圍為。根據凹模外型尺寸,查《中國模具設計大典》選擇的模架上模座下模座模座材料：上模座為HT200；下模座為HT200。模具閉合高度：最大300mm，最小240mm。圖5.7下模座圖5.8上模座拉深模卸料板也起到壓邊的作用，拉深過程中的壓力主要是由壓邊圈承受，所以拉深模卸料板要選擇厚一點H=20mm。選用材料Q235,.彈性卸料板與凸模之間要有一定的間隙，單邊間隙1～2mm.壓邊圈周界尺寸與凹模尺寸一樣。為了在沖壓開始前就將先料壓緊.彈性卸料板如圖5.9所示。圖5.9卸料板5.4.2螺釘所選聯結螺釘均從《中國模具設計大典》（GB/T70.1-2000）查得選取內六角圓柱頭螺釘。固定上模座、上墊板、凸模固定板的螺釘可選內六角圓柱頭螺釘M10（長度60mm），卸料螺釘可選圓柱頭卸料螺釘M10（長度100mm），固定下模座、下墊板、凹模、導料板的螺釘可用內六角圓柱頭螺釘M10（長度60mm）。5.4.3圓柱銷和防轉銷圓柱銷和防轉銷均為GB/T119.1-2000圓柱銷，d=10mm。5.4.4橡膠該零件主要是與卸料板配合進行彈性卸料，使零件順利卸出。這里選擇橡膠墊。6拉深、沖孔、落料級進模裝配圖將工件放在模具上并通過定位后，先進行拉深凸模和凹模共同作用下將圓形零件拉深為一個淺拉深的零件；由導料裝置送往第二個工序進行固定后沖位于整個工件中心的直徑為Φ3的圓；再由導料裝置將其送往第三個工位進行結構廢料的沖切；在第三四步設置一個空工位；第五和六步進行拉深和校正，完成一個工件所需要的拉深工序，第八步切斷。在設計模具時應注意到導料裝置和固定裝置的選用，因為如果工件發生錯移，除了得不到合格零件外，還有可能操壞模具造成重大的經濟損失，這是一個設計師最不應該犯得錯誤。凹模的工作部位要取較小的圓角，同時要打磨得比較光潔，這樣能避免在工件表面留下加工痕跡。另外，由于工件靠凸模卸料，所以要考慮凹模的間隙。圖中凸模固定板之間采用螺釘以防止轉動。圖6.1裝配圖參考文獻[1]王孝培.沖壓手冊（修訂本）[M].北京:機械工業出版社.1990年4月.[2]沖模設計手冊編寫組.