模具毕业设计9Y12型拖拉机轮圈落料与首次拉深模设计.docx
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模具毕业设计9Y12型拖拉机轮圈落料与首次拉深模设计
湖南工学院
毕业设计任务
题目：
湖南Y12型拖拉机轮圈落料与首次
拉深模设计
学生姓名：
专业班级：
模具班
院系：
机械工程系
指导老师：
起止时间年4月11日至2006年5月31日
目录
引言………………………………………………………………………………2
毕业设计任务书……………………………………………………………………3
毕业设计指导书……………………………………………………………………4
设计说明书…………………………………………………………………………8
一、设计课题………………………………………………………………………8
二、设计过程………………………………………………………………………9
（一）、零件的工艺性分析……………………………………………………9
（二）、工件的毛坯面积的计算………………………………………………10
（三）、第一工序件尺寸计算…………………………………………………12
（四）、落料与首次拉深模设计程序…………………………………………13
⒈工序件的工艺分析………………………………………………………13
⒉工序件工艺方案的确定…………………………………………………14
⒊排样……………………………………………………………………15
⒋模具的压力中心的确定…………………………………………………15
⒌冲压设备的选择…………………………………………………………15
5.1落料力的计算………………………………………………………15
5.2拉深力的计算………………………………………………………16
5.3压边力的计算………………………………………………………16
⒍主要工作部分尺寸的计算………………………………………………18
6.1落料刃口尺寸计算…………………………………………………18
6.2拉深工作部分尺寸计算……………………………………………19
6.3拉深凹模的圆角半径………………………………………………20
⒎模具主要零件的结构设计………………………………………………20
7.1落料凹模的结构设计………………………………………………21
7.2固定卸料板的结构设计……………………………………………21
7.3其它非标准零件的结构设计………………………………………22
⒏压力机的校核……………………………………………………………25
⒐模具的动作分析…………………………………………………………26
⒑模具的安装………………………………………………………………26
（三）参考文献…………………………………………………………………28
设计体会…………………………………………………………………………29
引言
本说明书为机械类冷冲压模具设计说明书，是根据冷冲压模具设计指导一书上的设计过程及相关工艺规定所编写的。
本说明书的内容包括：
毕业设计任务书、毕业设计指导书、毕业设计说明书、毕业设计体会、参考文献等。
编写本说明书时，力求符合设计步骤，详细说明了冷冲压模具的设计方法和基本步骤，以及各种参数的具体计算过程和计算方法，如冷冲压工序件的成型工艺、模具刃口尺寸、压力设备的选择等。
本说明书在编写的过程中，得到了曾立平教授和郭雪娥教授以及相关老师和同学的悉心指导和热情帮助，在此一并表示谢意！
由于本人知识水平和能力有限，在本说明书中难免有各种各样的问题和错误，敬请各位老师和同学批评指正。
设计说明书
一、设计课题:
湖南Y12型拖拉机轮圈的落料与首次拉深模设计
零件名称：
湖南Y12型拖拉机轮圈
生产批量：
大批量
材料：
Q235钢板
板料厚度：
t=3mm
零件简图：
如下图所示
二、设计过程
（一）零件的工艺性分析
这是一个有底的且带锥形阶梯的阶梯型壳形零件,大端跟小端的直径相差较大，在其底部有两条对称的加强筋和均布的18个直径为Φ13mm的孔，结构比较复杂，但其高度不大，零件的尺寸精度也不高，零件壁厚为3mm、没有壁厚均匀的要求，材料为Q235钢板，各处的圆角半径见上图，经分析，该零件各处的圆角半径，材料性能及尺寸精度符合拉深工艺的各项要求，可以用拉深的方法来完成零件壳形部分的成型，再利用冲孔，切边来完成零件的加工。
根据工件的加工工艺分析，初步拟定零件按如下的步骤来完成加工：
落料——拉深——冲孔——切边
根据带锥形阶梯的阶梯形零件的工艺性要求，零件的阶梯形部分不能一次拉深成形，应该先拉深其大端直径的阶梯部分，接着拉深其锥形阶梯部分，最后拉深其小端直径的阶梯部分。
因为零件的加工工序比较多，如果利用单工序模，则所需的模具比较多，模具的设计、生产成本比较高，再者该零件为大批量生产，如果用单工序模则零件的生产成本会比较高，零件的生产效率也比较底，但是如果采用复合模或者级进模，则模具的设计和加工难度大，模具的维修也会比较麻烦，但是零件的生产效率会较单工序模成倍的提高，零件的生产成本也会在此因素下大副的降低。
综合考虑到模具的生产成本和加工难易，零件的生产批量及生产效率，为了使产品所获得的经济效率最高，决定将落料和大端直径阶梯拉深成形这两道工序复合，利用一副模具完成（落料、拉深复合模）；小端直径阶梯和其底部的加强筋这两道工序复合，利用一副模具完成（拉深、成形复合模）；零件的锥形阶梯部分利用一副模具完成（拉深模）；零件底部中心的Φ100的孔及均布的18个Φ13的小孔部分利用一副模具来完成（冲孔模）还可顺便完成零件的整形；零件的修边工作（即13+1.0尺寸的保证）则利用后续机械加工来保证。
综上所叙，决定用三副模具来完成此零件的落料、拉深工序和一副模具来完成零件的冲孔工序，加上修边工序，总共需5道工序来完成该零件的加工。
第一副模具为落料，拉深复合模，用于工件大端直径阶梯部分成型，加工后工件的尺寸和形状如下图1所示：
图1第一步工序件
第二副模具为拉深模，用于工件锥形阶梯部分成型，加工后工件的尺寸和形状如下图2所示：
图2第二步工序件
第三副模具为拉深成形模，用来完成工件底部阶梯和加强筋部分成型，加工后工件的尺寸和形状如下图3所示：
图3第三步工序件
第四副模具为冲孔模，用来完成工件底面18×Φ13小孔和Φ100孔的加工。
（二）计算工件的毛坯面积
该零件不属于基本的旋转体，其旋转母线比较复杂，故采用复杂旋转体零件表面积计
算的方法，将其分解为几个简单的基本旋转体分别计算其面积，再累加为该工件的毛坯面积，根据该工件的结构分析可以得出，其底部加强筋的表面积不需要算入整个工件的毛坯面积之中。
先作出计算毛坯的分析图：
以工件壁厚的中性层画出工件图，其各类尺寸如图4所示：
图4毛坯计算分析图
如图所示将母线分解成圆弧ab、bc、de、fg、gh和直线Lcd、Lef、Lhj，设各段圆弧所对应的圆心角分别为：
α1、α2、α3、α4、α5
①：
计算各段圆弧所对应的圆心角
α1＝arccos[12.52+12.52—（11.52+11.52）1/2]/2×12.5×12.5
α2＝90°
α3＝90°
α4＝70°
α5＝90°
②：
求各段圆弧的长度lab、lbc、lde、lfg、lgh和各段直线段的长度lcd、lef、lhj
因为圆弧ab不是基本的圆弧段，其圆弧的一个端点与其圆心的连线既不平行也不垂直于旋转轴，将圆弧ab延长为圆弧bk，使得k点与圆弧ab圆心Ｏ的连线垂直于旋转轴ＯＯ１，则圆弧bk为基本圆弧段，圆弧bk对应的圆心角为α６，则根据几何关系可得：
α６＝arccos（1/12.5）=85.4
lak=（α６／１８０）π×Ｒ＝（８５.４／１８０）×３.１４×１２.５
=８.６mm
取圆弧bk等于圆弧ab，则圆弧ab的弧长lab=18.6mm
lbc=α2/180πRbc=90/180×3.14×5.5=8.653mm
lde=α3/180πRde=90/180×3.14×8.5=13.345mm
lfg=α4/180πRfg=70/180×3.14×6.5=7.94mm
lgh=α5/180πRgh=90/180×3.14×7.5=11.775mm
lcd=15.05mm
lef=4.1mm
lhj=343/2=171.5mm
③：
求各段圆弧和直线段的旋转半径rab、rbc、rcd、rde、ref、rfg、rgh、rhj
如图4可知：
圆弧bc、de、fg、gh、ak都是基本圆弧段，其圆弧的一个端点与其圆心的连线都垂直与旋转轴OO1，其中圆弧bc、fg、的圆心在其重心和OO1轴的一侧；圆弧de、gh、ak的圆心在其重心和OO1轴的中间，取圆弧ab的旋转半径等于圆弧ak的旋转半径，则：
rab=rak=C+ar=208.8+180/（π*α６）Sinα６×12.5=217.2mm
rbc=C—ar=209.8—180/（π*α2）Sinα2×5.5=206.3mm
rde=C+ar=194.5+180/（π*α3）Sinα3×8.5=199.9mm
rfg=C—ar=185.5—180/（π*α4）Sinα4×6.5=180.5mm
rgh=C+ar=171.5+180/（π*α5）Sinα5×7.5=176.3mm
rcd=204mm
ref=185mm
rhj=85.75mm
表1毛坯计算附表（mm）
序号
l
r
lr
序号
l
r
lr
圆弧ab
18.6
217.2
4039.92
圆弧fg
7.94
180.5
1433.17
圆弧bc
8.653
206.3
1781.4005
圆弧gh
11.775
176.3
2075.93
直线cd
15.05
204
3070.2
直线hj
171.5
87.75
15049.1
圆弧de
13.345
199.9
2667.66
∑lr=30875.8805
直线ef
4.1
185
758.5
根据复杂旋转体拉深件的表面积计算原理，毛坯表面积与拉深件表面积相等原则，则有：
π/4×D*D=A1+A2+A3+……+An-1+An
=2π（l1r1+l2r2+l3r3+……+ln-1rn-1+lnrn）
则毛坯的直径D为：
D=8（l1r1+l2r2+l3r3+……+ln-1rn-1+lnrn）
=8Σlr
≈497（mm）
该零件为阶梯形工件，所涉及到的工艺加工方法主要为拉深，考虑到修边方面修边余量的影响，决定在算得的理论直径值的基础上多给引入5%的金属，则实际上的毛坯尺寸为D=509.3mm，取为D=510mm
（三）计算第一工序件的工序尺寸
为了计算第一次拉深工序尺寸，需要利用等面积法，即整个零件的毛坯面积与第一次拉深工序零件的毛坯面积相等，求出第一次拉深工序件的拉深高度。
参照常见旋转体拉深件毛坯直径计算公式中的无凸缘圆筒形件的毛坯计算公式：
D=（d2+4dH-1.72rd-0.56r2）1/2
可以得出第一次拉深工序的拉深高度H
H=
（D2-d2+1.72rd+0.56r2）/4d
公式中：
H——拉深工序件的拉深高度
D——拉深工序件毛坯的直径，D=510mm
d——拉深工序件的拉深直径，以中性层计算d=442.6mm
r——拉深工序件的圆角半径，以中性层计算r=12.5mm
将以上的各个数值代入以上公式中，得出：
H=41.7mm
具体计算的时候取为：
H=42mm
以上公式和计算依据来自于华北航天工业学院《冲压工艺与模具设计》2005年2月第1版——机械工业出版社。
（四）落料与首次拉深模设计程序
1、工序件的工艺分析
第一步所要求成形的工序件为无凸缘圆筒形工件，要求其外形尺寸为φ445.6mm，工序件的形状满足拉深的工艺要求，可以运用拉深工序进行加工。
工序件底部的圆角半径r=11mm，大于拉深凸模圆角半径r凸=10.8～18mm<见表2，拉深凹模的圆角半径>首次拉深凹模的圆角半径r凹=6t=6×3=18mm,而r凸=（0.6～1）r凹=10.8～18mm，满足首次拉深对圆角半径的要求。
而尺寸φ445.6mm为未注公差尺寸，按相关规定，对于未注公差，军用品按IT13、民用品按IT14级进行换算。
满足拉深工序对工序件公差等级的要求。
Q235的拉深性能一般。
表2拉深凹模的圆角半径（mm）
拉深件形式
毛坯相对厚度t/D×100%
2.0～1.0
<1.0～0.3
<0.3～0.1
无凸缘
（4～6）t
（6～8）t
（8～12）t
有凸缘
（8～12）t
（12～15）t
（15～20）t
注：
⒈当毛坯较薄时，取较大值，当毛坯较厚时，取较小值。
⒉钢料取较大值，有色金属取较小值。
以上计算依据和表格来自于模具实用技术丛书编委会《冲模设计应用实例》
1999年5月第1版——机械工业出版社。
1此工序件毛坯的直径为以上算出的毛坯直径，为D=510mm
毛坯的相对厚度：
t/D×100%=3/510×100=0.58
2判断工序件的拉深次数
工序件总的拉深因数为：
m总=d/D=442.6/510=0.86
由相对厚度可以从表3中查得首次拉深的极限拉深因数为m1=0.54，因为m总＞m1，所以此工序件只需一次拉深便可成形。
③判断是否需要压边。
因为0.045（1-m）=0.045×（1-0.86）=0.0063，而t/D=0.0058＜0.045（1-m）=0.0063，故需要加压边圈。
注：
用普通平端面凹模拉深时，不加压边圈的条件
首次拉深：
t/D≥0.045（1-m）
以后各次拉深：
t/d≥0.045（1/m-1）
表3无凸缘圆筒件用压边圈拉深时的拉深因数
拉深因数
毛坯的相对厚度t/D×100%
2～1.5
1.5～1.0
1.0～0.6
0.6～0.3
0.3～0.15
0.15～0.08
m1
0.48～0.50
0.50～0.53
0.53～0.55
0.55～0.58
0.58～0.60
0.60～0.63
m2
0.73～0.75
0.75～0.76
0.76～0.78
0.78～0.79
0.79～0.80
0.80～0.82
m3
0.76～0.78
0.78～0.79
0.79～0.80
0.80～0.81
0.81～0.82
0.82～0.84
m4
0.78～0.80
0.80～0.81
0.81～0.82
0.82～0.83
0.83～0.85
0.85～0.86
m5
0.80～0.82
0.82～0.84
0.84～0.85
0.85～0.86
0.86～0.87
0.87～0.88
注：
⒈表中数值适用于深拉深钢（08、10、15F）及软黄铜（H62、H68）。
当拉深塑性差的材料时（Q235、Q215、20、25、酸洗钢、硬铝、硬黄铜等），应取比表中数值大（1.5～2）%。
⒉在第一次拉深时，凹模圆角半径大时（r凹=8t～15t）取小值，凹模圆角半径小时（r凹=4t～8t）取大值。
⒊工序间进行中间退火时取小值。
2、工序件工艺的确定
本工序件采用落料-拉深复合模进行加工，所以本工序件首先需要落料，制成直
径D=510mm的圆片，紧接着以D=510mm的圆板料为毛坯进行拉深，拉深成外径为445.6IT14、底部内圆角为r=11mm的无凸缘圆筒形件。
3、排样
该工件排样根据落料工序设计，考虑到工序件的尺寸较大以及模具结构简单和操作方便，故采用单排排样设计，由表4查得搭边值a=2.5mm、a1=2mm，采用双排挡料销挡料。
则条料宽：
b=510mm+2a=515mm
条料的进距为：
h=510mm+a1=512mm
冲裁单件材料的利用率为：
η=nA/bh×100%=πD*D/4bh×100%
=77.4%
表4冲裁金属材料的搭边值（mm）
料
厚
手送料
自动送料
圆形
非圆形
往复送料
a
a1
a
a1
a
a1
a
a1
～1
1.5
1.5
2
1.5
3
2
＞1～2
2
1.5
2.5
2
3.5
2.5
3
2
＞2～3
2.5
2
3
2.5
4
3.5
＞3～4
3
2.5
3.5
3
5
4
4
3
＞4～5
4
3
5
4
6
5
5
4
＞5～6
5
4
6
5
7
6
6
5
＞6～7
6
5
7
6
8
7
7
6
8以上
7
6
8
7
9
8
8
7
注：
冲非金属材料（皮革、纸板、石棉等）时，搭边值应取1.5～2
4、确定模具的压力中心
因为此工序件为规则形状（圆形）故其压力中心为其圆心
5、冲压设备的选择
因为此工序件为大批量生产的大型拉深件，考虑到模具的结构要求简单，调整、操作及维修方便，工艺稳定性等各方面的因素，决定选用双动拉深压力机，但是具体到到底需要哪种型号的双动拉深压力机，还需要进行进一步的计算。
计算工序压力
5.1落料力的计算
按式：
F落=1.3Ltτ
式中F落——落料力
L——工件的外轮廓周长，L=πD=3.14×509=1598.26mm
t——材料厚度，t=3mm
τ——材料的抗剪切强度（MPa）。
根据有关工具书附录可查得
τ=310MPa
落料力则为：
F落=1.3Ltτ=1.3×1598.26×3×310=1932296（N）
5.2拉深力的计算
按式：
F拉=kπdtσb
式中F拉——拉深力（N）
d——拉深件的直径，d=443.375mm
t——材料厚度（mm）
σb——材料的强度极限（MPa），根据有关工具书附录可查
得σb=380MPa
k——修正系数，由表5查得k=0.35
拉深力则为：
F拉=kπdtσb=0.35×3.14×443.375×3×380
=555487（N）
表5修正因数K的数值
m1
0.55
0.57
0.60
0.62
0.65
0.67
0.70
0.72
0.75
0.77
0.80
k1
1.00
0.93
0.86
0.79
0.72
0.66
0.60
0.55
0.50
0.45
0.40
m2
0.70
0.72
0.75
0.77
0.80
0.85
0.90
0.95
k2
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.70
0.60
0.50
注：
表中k1为首次拉深的修正因数k，k2为再次拉深的修正因数k。
5.3压边力的计算
按式：
F压＝π/4[D*D-（d1+2r凹）*（d1+2r凹）]P
式中F压——压边力（N）
P——单位压边力，由表6查得P＝3.0MPa
r凹——凹模圆角，r凹＝6t＝18mm
则压边力为：
F压＝π/4[D*D-（d1+2r凹）*（d1+2r凹）]P
＝59403（N）
表6在双动压力机上拉深时单位压边力的数值
制件复杂程度
单位压边力P/MPa
制件复杂程度
单位压边力P/MPa
难加工件
3.7
易加工件
2.5
普通加工件
3.0
注：
在实际加工过程中，应根据计算的压边力，在试模中加以调整，使工件既不起皱也不被拉裂
则总的冲压力为：
Ｆ总＝F落＋F拉＋F压＝1932296＋555487＋59403
＝2547186（Ｎ）
＝2547（kＮ）
对于浅拉深可按 Ｆ压≥（1.6～1.8）Ｆ总 估算压力机的公称压力来选择压力机，则压力机的公称压力 Ｆ压≥（4075～4584.6）kN，参照有关压力机的技术参数，选用公称压力为6300ＫＮ的J45-315型闭式单点双动机械压力机。
其主要的技术参数如下：
总公称压力/kN6300
内滑块公称压力/kN3150
内滑块公称压力行程/mm30
外滑块公称压力/kN3150
内滑块行程/mm850
外滑块行程（或工作台行程）/mm425
行程次数/次/min5.5～9
低速行程次数/次/min
内滑块最大装模高度/mm1120
外滑块最大装模高度/mm1070
内滑块装模高度调节量/mm300
外滑块装模高度调节量/mm300
最大拉深高度/mm400
立柱间距/mm1930
内滑块尺寸/mm左右1000前后1000
外滑块尺寸/mm左右1550前后1600
垫板尺寸/mm左右1800前后1600厚度220
气垫压力（压紧力/顶出力）/kN1000/120
气垫行程/mm400
主电动机功率/kW75
6、主要工作部分尺寸计算
模具的主要工作部分为落料凹模、落料凸模、拉深凹模、拉深凸模，它们的工作关系如图7所示：
对于工序件的未注公差，按有关规定，军用品为IT13，民用品为IT14，此处用IT14级计算，相关数值可以在相关的公差表格中查知。
根据表7查得，冲裁模
刃口双面间隙为：
Zmin=0.36mm
Zmax=0.42mm
表7落料、冲孔模刃口始用间隙
材料名称
45、T7、T8（退火）等
10、15、20、硅钢片等
Q215、Q235、纯铜等
力学性能
HBS≥190
σb≥600MPa
HBS=140～190
σb=400～600MPa
HBS=70～140
σb=300～400MPa
厚度t
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