端盖冲压成形工艺与模具设计.docx

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端盖冲压成形工艺与模具设计

毕业设计（论文）题目

摘要

本设计题目为端盖冲压成形工艺与模具设计，体现了板类冲压零件的设计要求、内容及方向，有一定的设计意义。

通过对该零件模具的设计，进一步加强了设计者冲压模具设计的基础知识，为设计更复杂的冲压模具做好了铺垫并吸取了更深刻的经验。

本设计运用冲压成型工艺及模具设计的基础知识，首先分析了工件的成形工艺及模具成形结构对制件质量的影响。

介绍了端盖冲压模具设计时要注意的要点，通过对制件进行工艺分析，可确定制件的成形加工用一套复合模即可。

从控制制件尺寸精度出发，对端盖冲压模具的各主要尺寸进行了理论计算，以确定各工作零件的尺寸，从模具设计到零部件的加工工艺以及装配工艺等进行详细的阐述，并应用CAD进行各重要零件的设计。

关键词：

复合模；工艺分析；模具零部件的加工工艺。

英文题目

ABSTRACT

Thetopicofthisdesignistheshellcoverstampsforminghandicraftanddesignfordie.Therequirement，contentanddirectionofthedesignofthestampsformingplatepartsareembodiedonthisstampingdiedesign.Thedesigner’sfoundationknowledgeofthestampingdiedesignisreinforcedandisabletodesignmorecomplexstampingdiethroughthedesign.

Thisdesigntheelementaryknowledgewhichdesignsusingthestampingformationcraftandthedie,firsthasanalyzedtheworkpieceformedcraftandthedieformingstructuretotheworkpiecequalityinfluence.Introducedtheshellcoverfillingpiecestampingdiedesignwhenmustpayattentiontothemainpoint,throughcarriesonthecraftanalysistotheworkpiece,maydeterminetheworkpiecetheformedprocessingusessetofsuperposabledies.Embarksfromthecontrolworkpiecesizeprecision,countershellcoverfillingpiecestampingdieeachmaindimensionhascarriedonthetheoreticalcalculation,bydeterminedeachworkcomponentsthesize,designsfromthedietothesparepartprocessingcraftaswellastheassemblycraftandsooncarriesonthedetailedelaboration,andcarriesoneachimportantcomponentsusingCADthedesign.

Keywords:

compounddie；processanalysis；processingofdieparts.

前　言

冲压加工是现代机械制造业中先进高效的加工方法之一。

冲压加工的应用十分广泛，不仅可以加工金属材料，而且可以加工非金属材料。

在现代制造业，比如汽车、拖拉机、农业机械、电机、电器、仪表、化工容器、玩具以及日常生活用品的生产方面，都占有十分重要的地位。

当然，冲压加工在我国也存在着一些问题和不足。

如机械化、自动化程度低、生产集中度低、冲压板材自给率不足、品种规格不配套、科技成果转化慢、先进工艺推广慢、专业人才缺乏、大、精模具依赖进口等，因此，我们将还有很长的路要走。

课题来源于生产实际，探讨冲压加工中较常见零件的工艺方法和结构设计。

课题涉及知识面较广，且设计要求较高，对学生的设计能力，特别是思考能力是一个很好的锻炼。

课题研究内容包括机械工程学科的力学，冲压工艺与模具设计，材料学，机械原理，机械设计，公差与互换性，机械制造工艺等知识，特别锻炼学生规范性设计的能力。

使学生能得到全面的锻炼。

课题要求学生具备较强的机构设计能力和创新能力，对学生是一个挑战。

课题为典型的机械设计类课题，涉及机械知识全面，与工程机械专业方向结合紧密。

此次课程设计主要目的是为了培养学生的综合运用所学知识的能力以及团队合作的能力。

需要学生把所学的知识重新温习一遍，并且能够灵活运用，同时要求学生要学会主动积极的去查阅手册，来了解冲压模设计所学要的各项数据。

最终通过一组成员的共同努力来设计出符合实际生产要求的冲压模具。

第1章绪论

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型工艺、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。

1.1国内模具的现状和发展趋势

1.1.1国内模具的现状

我国冲压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。

低档模具过剩，高档模具供不应求，甚至有的依赖进口，因此，模具企业必须找准自己的弱点，尽快缩短与国外的差距。

（1）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。

（2）人才严重不足，科研开发及技术攻关方面投入太少

模具行业是技术密集、资金密集的产业，随着时代进步和技术发展，能掌握和运用新技术的人才异常短缺，高级模具钳工及企业管理人才也非常紧缺。

由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关不够重视，因而总体来看模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少，民营企业贷款困难也影响许多企业的技术改造，致使科技进步不大。

（3）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。

（4）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，其余为自产自用。

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。

（5）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用覆盖率达70%以上，而我国才达到45％。

1.3有凸缘圆筒形件多次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。

有凸缘圆筒形件是最典型的拉深件，其工作过程很简单就一个拉深，根据计算确定它不能一次拉深成功.因此，需要多次拉深。

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。

要改变模具的高度，只有从改变导柱和导套的高度,改变导柱和导套的高度的同时,还要注意保证导柱和导套的强度.导柱和导套的高度可根据拉深凸模与拉深凹模工作配合长度决定．设计时可能高度出现误差，应当边试冲边修改高度。

第2章端盖冲压工艺的分析

2.1拉深件工艺分析

图2-1零件图

工件名称：

端盖

生产批量：

大批量

材料：

10#钢

料厚：

2mm

如右图1所示：

工件为有凸缘圆筒形零件，且在凸缘上均匀分布4个相同的小孔，中间有一大孔。

故可得知此工件为：

落料拉深冲孔所得，其加工工艺过程为：

落料－拉深－冲孔—切边。

2.1.1设计要点

设计确定拉深模结构时为充分保证制件的质量及尺寸的精度，应注意以下几点：

a.拉深高度应计算准确，且在模具结构上要留有安全余量，以便工件稍高时仍能适应。

b.拉深凸模上必须设有出气孔，并注意出气孔不能被工件包住而失去作用。

有凸缘拉深件的高度取决胜于上模行程，模具中要设计有限程器，以便于模具调整。

c.对称工件的模架要明显不对称，以防止上、下模位置装错，非旋转工件的凸、凹模装配位置必须准确可行，发防松动后发生旋转，偏移而影响工件质量，甚至损坏模具。

d.对于形状复杂，需经过多次拉深的零件，需先做拉深模，经试压确定合适的毛坯形状和尺寸后再做落料模，并在拉深模上按已定形的毛坯，设计安装定位装置。

2.2工艺计算

2.2.1计算毛坯尺寸

1.计算工件凸缘相对直径，确定修边余量

（1）由工件图可知t=2mm＞1mm,故按板厚中径尺寸计

dt=75mmd=42mmH=22mm。

凸缘相对直径dt/查表4.3.2[2]得修边余量

ΔR=3.0mm故按实际外径dp=75+3.0×2＝81mm计算。

（2）计算毛坯直径D有表4.33[2]得

≈100

2.2.2确定工件是否能一次拉深成形

板料的相对厚度

d/D=42/100=0.42查表4.5.1[2]得极限拉深系数为0.58～0.48。

零件0.42＜0.58～0.48，故可以一次拉深成形。

2.2.3确定是否用压边圈

板料的相对厚度

d/D100=2/100100=2由表4.4.4[2]查得可用可不用压料装置为了保证制件质量，采用弹性压料装置。

2.2.4落料排样设计

1、确定零件的排样方案

设计模具时，条料的排样很重要。

由于是圆形，所以采用直排，材料的利用率较高。

图2-2排样图

2、条料宽度、导尺间宽度和材料利用率的计算

查表2.5.2[2]得搭边值a1=1.0mm,a=1.2mm。

条料宽度的计算：

拟采用无侧压装置的送料方式，得

条料宽度

（2.5.5）

导料板间距离

（2.5.6）

D—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；

a—侧搭边值；

△—条料宽度的单向（负向）偏差，见表2.5.3[2]；查得△＝0.6

c—导料板与最宽条料之间的间隙；其最小值见表2.5.5[2]查得cmin=0.5mm。

代入数据计算，取得条料宽度为B＝103.8mm。

3．材料利用率的计算：

根据一般的市场供应情况，查表1-2[3]950mm×1500mm×1.5mm的冷轧薄钢板。

每块可剪1500mm×78.5mm规格条料12条，材料剪切利用率达99.2%。

由材料利用率通用计算公式式（2.5.1）[2]。

=

式中A—一个步距内冲裁件的面积，mm2；

n—一个进距内的冲裁件数量；

B—条料宽度，mm；

s—进距，mm。

得

=

×100%=73.6%

一张板料上总的材料利用率

式（2.5.2）[2]

式中n—一张板材上冲裁件的总数目；

A1—一个冲裁件的实际面积，mm2；

n—一个进距内的冲裁件数量；

B—板料宽度，mm；

L—板料长度mm。

得

可见材料的利用率较高。

2.2.5主要工作零件的尺寸计算

1.冲裁凸、凹模尺寸的计算

（1）落料凸、凹模尺寸的计算

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[2]。

根据设计原则,落料时以凹模为设计基准。

由式（2.4.1）和（2.4.2）[2]得

（2.4.1）

（2.4.2）

式中DA、DT—落料凹凸模尺寸；

Dmax—落料件的最大基本尺寸；

x—磨损系数；

Δ—工件制造公差；

Zmin—最小合理间隙；

δA、δT—凸、凹模的制造公差。

查表2.3.3[2]得Zmin=0.246mmX=0.5查表2.4.1[2]δA＝0.035mmδT=0.025mmΔ＝0.75mm

代入数据得

A

校核：

查表2.3.2[2]得Zmax=0.360mmZmia=0.246mm

δA+δt=（0.035+0.020）mm=0.055mm＜（0.360-0.246）mm＝0.114mm

（2）冲孔凸凹模尺寸的计算

根据设计原则,落料时以凸模为设计基准。

由式（2.4.3）和（2.4.4）[2]得

（2.4.3）

（2.4.4）

式中Dd、Dp—冲孔凹凸模尺寸；

Dmin—空的最大基本尺寸；

X—磨损系数；

Δ—工件制造公差；

Zmin—最小合理间隙；

δp、δd—凸、凹模的制造公差

大孔计算：

由式（2.4.3）和（2.4.4）得；

查表2.3.3[2]得Zmin=0.246mmX=0.75查表2.4.1[2]δp＝0.020mmδd=0.025mmΔ＝0.1

校核：

查表2.3.2[2]得Zmax=0.360mmZmia=0.246mm

δA+δt=（0.025+0.020）mm=0.045mm＜（0.360-0.246）mm＝0.114mm

小孔计算：

由式（2.4.3）和（2.4.4）得；

查表2.3.3[2]得Zmin=0.246mmX=0.75查表2.4.1[2]δp＝0.020mmδd=0.020mmΔ＝0.05

校核：

查表2.3.2[2]得Zmax=0.360mmZmia=0.246mm

δA+δt=（0.025+0.020）mm=0.045mm＜（0.360-0.246）mm＝0.114mm

2.拉深凸凹模尺寸的计算

由于尺寸标注在零件内形，所以以凸模为基准，工作部分尺寸为[2]：

（4.8.12

（4.8.13）

式中：

、

—凹、凸模的尺寸；

dmin—拉深件内径的最小极限尺寸；

Δ—零件的公差；

δA、δT—凹、凸模制造公差；

Z—拉深模双面间隙。

查表Δ＝0.3mm查表[5]δd=0.03mmδp=0.015mm

由公式（4.8.8）[2]得

＝（1～1.1）t

t—板料厚度mm。

Z=2×（1～1.1）×2=4～4,4mm取Z=4.15mm

则

2.2.6选取凸模与凹模的圆角半径

因为圆角R＝2mm属于过渡尺寸，要求不高且R＝2mm＝t可以一次成形，为简单方便，设计生产中直接按工件尺寸作为拉深凸、凹模该处尺寸。

2.2.7主要零部件设计

1.由于工件形状简单对称，所以模具的工作零件均采用整体结构，拉深凸模、落料凹模、落料凸模拉深凹模的结构如零件图所示。

由落料凹模厚度：

H=Kb（≥15）式（2.9.3）[2]

凹模壁厚：

C＝（1.5～2）H（≥30～40）式（2.9.4）[2]

式中：

b—凹模刃口的最大尺寸mm；

K—系数考虑板料厚度的影响查表2.9.5[2]K＝0.22～0.35

则H＝（0.22～0.35）×100＝（22～35）mm

取H＝30mm。

C＝（1.5～2）×25＝（45～60）mm

根据上述计算查表4－13[4]选用标准凹模板200×200×30－CrWMnJB/T7643.1。

凹模刃口h：

由书表2.9.4[2]得h≥6mm取h=6mm。

2.为了实现先落料后拉深，模具装配后，应使拉深凸模的端面比落料凹模端面低，其长度L可按下式计算：

L=H固+H垫+H凹-H低

式中：

—拉深凸模固定板的厚度mm；

—落料凹模的厚度mm；

H垫—垫板的厚度mm；

—装配后，拉深凸模的端面低于落料凹模端面的高度，根据板厚大小，决定

＝3mm。

L=10+50+30-3=87mm

拉深凸模上一般开有出气孔，这样会使卸件容易些，否则凸模与工件由于真空状态而无法卸件。

查表，本凸模出气孔的直径为φ5mm。

3.落料凸模拉深凹模的长度可由下式计算：

L=H固+H垫+H缷+h

式中：

—落料凸模拉深凹模固定板的厚度mm；

—卸料板的厚度mm；

h—拉深凸模深入凹模的深度mm。

L=20+75+20+23=138mm

关于工作零件图可参考零件图

2.3压力、压力中心计算及压力机的选用

因为本制件是轴对称零件，所以不用计算压力中心。

2.3.1压力计算

1．冲裁力的计算

由于本模具落料时采用刚性卸料装置，同时又没有冲裁件卡在凹模内，所以落料力就是冲裁力。

由式（2.6.1）[2]得

（2.6.1）

式中：

L—冲裁周边长度；

t—材料厚度；

—材料抗剪强度；

K—系数。

一般取1.3。

由表1.3.6[2]查得

＝260～340M／Pa。

取

＝300M／Pa。

则

F冲裁=1.3×3.14×100×2×300≈245KN

2．拉深力的计算

采用压料圈由式（4.4.8）[2]得

式中：

t—材料厚度；

d—拉深后的工件直径；

—拉深件材料的抗拉强度。

—修正系数；

由表1.3.6[2]查得

＝300～440M／Pa。

取

＝400M／Pa。

由表4.4.6[2]查得K1＝0.86

则

F拉伸=3.14×42×400×2×0.86=90.73KN

2.3.2压力机的选用

压力机的工作行程需要考虑工件的成形和方便取件，因此，工作行程应足够大。

F=2F冲裁=2×245=490KN

根据拉深力的计算结果和工件的高度，选择压力机：

J21-63

．

公称压力/KN

滑块行程/mm

行程次数/min

最大装模高度/mm

630

100

45

400

连杆调节长度/mm

模柄孔尺寸/mm

工作台尺寸mm×mm

电动机功率/KN

80

φ50×70

480×710

5.5

第3章模具的结构设计

3.1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较大，为了工作过程稳定，选用中间导柱模架。

再按其标准选择具体结构尺寸见表3-1。

表3-1模架规格选用

名称

尺寸

材料

热处理

上模座

300×300×40

HT200

下模座

300×300×45

HT200

导柱

28×270、32×270

20钢

渗碳58～62

导套

28×110×45、32×110×45

20钢

渗碳58～62

模具的闭合高度：

H闭合=H上+H固+H垫+H缷+H固+H垫+H落+H下=45+10+20+75+20+30+50+10+50=310

H开合=H闭合+H缷+3H制件=310+20+66=396

由此可见模具的实际开模高度远远大于所采用模架的最大闭合高度，所以此制件不能采用标准模架。

为了节省加工时间，只有在模具标准模架的基础上进行修改。

因为

要使模具具有足够的封闭高度，只有改变导柱和导套的高度：

导柱：

28×400、32×400；导套：

28×400×43、30×400×43