热水器底壳模具设计详解.docx
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热水器底壳模具设计详解
插图清单
摘要
Abstract
第1章绪论1第2章拉深5
2.1 工件情况5
2.2热水器底座的工艺分析5
2.3 验证是否一次拉深完成6
2.4 拉深长度计算6
2.4.1 大圆拉深长度计算6
2.4.2小圆拉深长度计算7
第3章 排样9
第4章 工序压力计算10
4.1 落料力计算10
4.2大圆拉深力计算10
4.3小圆拉深力计算10
第5章 冲压设备的选择11
第6章 冲口刃口的尺寸计算12
6.1计算刃口尺寸需遵循的原则12
6.2按凸模、凹模图样分别设计12
6.2.1落料12
6.2.2冲孔13
6.2.3孔心距13
第7章 模具主要零件的设计15
第8章落料、拉深、冲孔复合膜的装配18
总结20
参考文献21
致 谢22
插图清单
图2-1零件图5
图2-2毛坯图7
图2-3第一次拉深图7
图2-4小圆拉深图8
图3-1排样图10
图6-1冲模刃口与工件尺寸及公差分布图12
图7-1凹模图15
图7-2连接板图15
图7-3设计总图16
热水器底壳模具设计
摘要
本设计在绪论部分简单介绍了中国模具行业发展的现状以及发展历史，同时也介绍了国外模具行业的发展状况以及中国与外国的技术方面的差距，最后介绍了中国模具未来的发展方向和模具行业前景。
在接下来的部分首先是对热水器底壳的工艺分析，由其结构特点确定需要进行拉深和落料两道工序，进而确定两道工序的合理顺序以及通过计算检验内外圆是否可通过一次拉深即可完成，最后计算大小圆的拉深长度。
接着设计合理的排样方式，排样对提高利用率和优化工艺流程方便工人的操作以及优化模具的结构，使其尽量简单可靠，当然最重要的是保证冲件的质量有着重要作用。
设计中间部分主要是对落料力、大圆拉深力、小圆拉深力等工序压力的计算，然后由压力大小选择合适的冲压设备并计算凹凸模的冲孔刃口尺寸大小，最后设计出模具的主要零件以及得出设计总图。
在设计的最后部分主要是落料拉深冲孔模具的设计装配。
模具装配作为模具设计的最后一个步骤，它对模具的使用寿命以及零件的质量是至关重要的。
最后冲压的优点显而易见，冲压制造的产品质量好，产品生产率高，由于节约材料，有利于降低成本，也易实现自动化。
关键字:
冲压；模具；模架；凸凹模。
TheDesignofshellmoldforbottomwater
Abstract
ThisdesignintheintroductionpartbrieflyintroducesthecurrentsituationofthedevelopmentChinesemoldindustryanddevelopment,atthesametime,thedevelopmentsituationofforeignmoldindustryandtechnologyChinesewithforeigngapisalsointroduced,finallyintroducedtheindustrydevelopmentdirectionandfutureprospectChinesemoldmold.Inthenextpartistheanalysisofthetechnologyofwaterheaterbottomshell,determinedbyitsstructuralfeaturesneedtobedrawingandblankingtwoprocesses,andtodeterminethereasonableordertwoprocessesandbycalculatingthetestinsideandoutsideroundistobecompletedbyadrawingcanbecalculated,finallydrawingsizeround.Thenthelayoutisreasonabledesign,layouttoimprovetherateofutilizationofthestructureandoptimizationofprocessflowandconvenientoperationandoptimizingthemoldworkers,makeitassimpleandreliable,themostimportantisofcourseplaysanimportantroletoensurethequalityofstamping.
Designofthemiddlepartiscalculationofblankingforce,largedrawingforce,smalldrawingforce,processpressure,andthenbythepressuretochoosesuitablestampingequipmentandpunchingbladecomputingconvexdiemouthsize,thefinaldesignofmaindiepartsandthelayoutdesign.
Inthelastpartofthedesignismainlydesignofassemblyblankingdrawingpiercingdie.Thedieassemblyasafinalstepofmolddesign,theservicelifeofdiesandpartsqualityiscrucial.AtlasttheadvantagesObviouslystamping,stampingmanufacturingproductsofgoodquality,productivityhigh,duetosavematerial,reducecost,butalsoeasytorealizeautomation.
Keywords:
Punch;Mold;Moldbase;Convexandconcavemold.
第1章绪论
目前，中国的冲压模具行业发展方向清晰，其主流为大型、精密、复杂模具的加工制造，由于制造技术的不断更新提升，模具制造业将继续为数字信息，精细的高速度和自动化方向发展，行业的竞争是显而易见的。
由于国内模具较低的价格和质量保证，冲压模具的对外出口的普遍欢迎，冲压模具的进出口总额已经对中国经济发展产生重大影响。
在金属和非金属材料塑性加工工程中，模具是一种必不可少的工艺装备。
模具的使用性能特别是使用寿命反映着一个国家的工业水平。
早在20世纪50年代，美、日等工业发达国家，在开发应用冷冲压新技术的同时，集中了部分优势人才和资金，集合时常的需要，将模具作为一个统一的产业来发展，因而取得了明显的效果。
经过多年的耕耘，不仅在模具精度、具结构、模具寿命、制模周期等方面取得了明显的突破，而且在板才成型的过程模拟、模具优化和可靠性设计等方面形成了新的理论和方法，为适应新的市场环境，进一步实现快速制模，开辟新的技术空间，打下了基础。
国内的模具工业虽起步较晚，但在过去的十多年中也取得了一些进步。
例如冲压模具方面，国内设计制造的部分汽车覆盖件模、空调器散热片级进模、电机定转子双回转叠片高精度硬质合金级进模、集成电路引线筐架多工位级进模，以及带自动冲切、叠压、记数、分组、扭斜和安全保护等功能的铁心精密多功能模，都已达到较高的水平。
但从总体上看，我过与工业发达国家相比仍有较大的差距。
例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低，CAD/CAE/CAM技术的普及率有待提高，许多先进的模具技术应用还不够广泛等等。
特别是在大型、精密、复杂和长寿命模具上，一方面技术差距明显；另一方面产能也不能满足过内的需求，因而仍需大两从过外进口。
所以，为了改变这种被动状态，尽快适应社会主义工业化建设对冲压工艺生产水平提高的需要。
全方位大力做还模具基础、研发和推广工作，是至关重要的。
同时国内冲压模具行业在不断向国外先进水平看齐，与发达国家的差距会越来越小，很多国产精密冲压模具在质量性能上已经可以和国外相当，行业内的总体发展水平得到较为明显的提高，不仅可以自主替代一些进口产品，而且还有一大部分出口到国外的一些发达国家。
按照现在行业内的发展趋势来看，虽然与发达国家的技术还有一定的差距，不过在不就得将来，中国的冲压模具行业必将实现超越，整个行业的技术水平会迈向更高层次。
模具工业的不断发展与进步，对于增强我国市场竞争力，增强我国的综合实力是很有用的。
国内模具行业的结构调整，是经济自然发展的趋势，东部地区经过近年来的发展，逐渐转型为高新技术的基地，而新兴的产业基地将主要承担中低档次产品的生产。
这种较为合理的生产分配，打破了以往僵化的产业局面，使我国的模具行业呈现阶梯发展的结构。
我国拥有久远的冷冲压模具历史，了解它的发展历程有助于我们对于冷冲压模具一个系统而又深刻的认识，同时也有利于我们研发设计冷冲压模具。
冷冲压加工工艺在我国已有悠久的历史。
据文献记载：
我国劳动人民远在青铜时期就发现了金属具有锤击变形的性能，到了战国时代（公元前403一前221年）已经能炼剑淬火。
我们的祖先在2300年前已掌握了锤击金属制造兵器和各种日用品技术。
在漫长的封建社会时期，我国劳动人民在金、银、铜装饰品和日用品的制作中，更是显示出了精巧的工艺技术和高超的艺术水平，令人叹为观止。
近代，从上个世纪20年代开始，金属制品、玩具和小五金等行业就开始使用冲床、压力机等简易机械设备及相应的模具加工产品的毛坯或某些零部件，其中的“刀口模子”专门用于落料、冲孔，“坞工模子”可用于金属拉伸。
由于生产力较为低下，技术水平不够．当时各厂使用的冲压设备功率都不大，甚至大多还是手扳脚踏。
模具加工业以手工为主，故而模具的精度不高，损坏率大。
直到20世纪40年代初，出现水压机冷冲模具。
50年代公私合营后．增添了磨床、铣床和锯床等设备，又配上硬度计、外径内径测定器和块规等较为精密的测量设备，冷冲模具的精度得以提高。
六七十年代，随着产品生产大量使用冲压机床，冷冲模具已从原来单冲落料、单冲孔模具发展为落料、冲孔复合模。
同时由于冷冲模架标准件的出现，使模具设计结构形式多样化，精度也由此提高与此同时．随着热处理技术的进步和检测手段的完善，冷冲模具使用寿命提高5～7倍。
这一时期．还由于成型磨削、电脉冲和线切割机等机床相继使用，又采用硬质合金为模具材料，冷冲模具的制作工艺有了新的发展。
设计人员改进制模工艺，具有自动送料、自动理片和接料装置的复合模具大量问世。
靠模铣床引进后，用石膏、术模或实物即可翻制出相同形状的模芯，使复合托深模具的制作方便了许多，确保了精度。
70年代以后，使用斜度线切割机加工冷冲模具．其凸模（冲头）和凹模可先淬火处理再切割装配，取代了原来冷冲模具制作需要热处理一装配一变形修正的繁琐工艺，模具的精度可达到0．01ram。
可以说这段时间我国的模具产业发展日新月异。
二、冷冲模具工业的现状到了21世纪．随着计算机软件的发展和进步．CAD／CAE／CAM技术日臻成熟，其现代模具中的应用越来越广泛。
目前我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国民经济需求和世界先进水平相比，仍具有较大的差异，一些大型、精密、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具。
目前仍主要依靠进口。
而一些低档次的简单冲模，则已供．过于求，市场竞争非常激烈。
根据中国模具工业协会的统计数据，2009年中国模具进出口总额为38．07亿美元，比上年下降3．03％。
其中进口总额为19．64亿美元，同比减少2％；出口总额为18．43亿美元，同比减少4．1l％。
按模具种类分．进出口最高的仍是塑料橡胶模具，分别占了进出口额的50．12％和70．26％；其次是冲压模具，分别占了进出口额的42．42％和22．07％。
按进口货源地分，进口模具主要来自日本、韩国、德国，其次是中国台湾、美国、加拿大、意大利、新加坡、丹麦和法国；按出口目的地分，中国出口模具的市场主要是香港、美国和日本．其次是德国、印度、中国台湾、法国、巴西、韩国和越南；按出口货源地分，出口模具主要来自广东、浙江和江苏。
从进出口模具价格方面分析．2009年出口冲压模具平均每吨价8894．5美元．比上年上升13．5％；出口塑料橡胶模具平均每套价963美元，比上年上升15．6％。
如果与进口价相比较。
则冲压模具平均每吨进出口之比为1．8：
1；塑料橡胶模具平均每套进出口之比为2．5：
l。
与上年相比，差距明显缩小。
中国模具工业协会的分析指出，从上述价格可看出，中国出El模具的技术含量和附加值比上年又有了上升，与进口模具相比，技术和价格差距也在不断缩小，充分体现出了2009年中国模具产业的技术进步。
在第二十一世纪，随着计算机软件产业的发展和进步，与其他先进制造辅助技术被广泛应用在现代模具制造是一大进步。
当前国内冲压模具在各个技术方面都得到了很大进步与改善，但与国外一些较为先进的国家相比，依然存在很大的差距，一些较为精密复杂的大型冲模依然还是需要依赖进口来满足国内的需求。
而与此同时对于一些简单冲模，则已呈现市场相对饱和的趋势，市场竞争异常激烈。
模具生产技术，模具设计人才，生产的模具和模具材料和模具行业的发展是可持续发展的重要因素。
模具制造技术的进步是影响模具行业发展的决定性因素之一。
因此，以下项目的发展是社会迫切需要的：
1．由于计算机软件的不断发展和完善CAD、CAM、CAE等辅助制造技术的广泛应用，CAD／CAM／CAE技术的条件已经具备传播学习的条件，生产部门应重点加强提高CAD／CAM学习力度，应用范围，进一步提高CAD／CAM／CAE技术。
随着计算机和网络技术的发展，CAD／CAM／CAE技术的日益普及，虚拟制造技术在不久的将来将成为可能。
2．模具扫描及数字化系统：
由于结合快速扫描系统和数控铣床和加工中心，CAD数据可以实现数据的快速采集，不同的格式，用于模具制造业的“逆向工程”可以大大缩短模具开发周期。
3．电火花加工：
电火花加工看似将被高速铣削所取代，但其在模具加工生产上拥有无法被替代的优势。
对其他电火花加工进一步发挥自身优势，不断提高精密电火花加工的生产效率和自动化程度和表面处理设备是其发展的主要方向，以及实施可持续发展战略，绿色加工技术是未来发展的重要趋势。
4．特殊材料以及新的表面处理技术：
优质材料的选用和模具的表面加工处理工艺对提高制件的外观质量、性能以及模具的使用寿命方面十分的重要。
5．模具表面处理的自动化和智能化过程：
对模具使用寿命以及表面质量的控制，产品的外观质量，智能自动化的表面处理方法，而不是目前的手工制作，提高模具生产效率的发展和提高模具表面质量是重要的发展趋势。
接下来我们来分析一下模具的失效原因，失效产生的原因有很多方面，根据资料统计可以明显得出由于制造材料的性能较差而引起的失效占有较大的比重。
另一方面，在整个模具的成本构成中，材料只占有百分之二三十的比重。
由此分析我们可以得出这个结论：
选用优质特性材料以及应用特殊表面处理技术来提高模具的使用寿命是一项有效的措施且具有十分重要的意义。
最后模具行业今后的发展趋势大致包括以下方面：
1.发展高效模具对于大批量生产用模具，应向高效率发展。
如为了适应当前高速压力机的使用，应发展多工位级进模以提高生产效率。
2.发展简易模具对于小批量生产用模具，为降低成本，缩短模具制造周期，尽量发展薄板冲模，锌合金、低熔点合金，环氧树脂等简易模。
3.发展多功能模具为了提高效率和保证制品的质量，要采用多工位级进模及具有组合功能的双色，多色塑料注射模等。
4.发展高寿命模具高效率必然需要高寿命，为了达到高寿命，除模具本身结构优化外，还要对材料的选用和热处理，表面强化技术予以开发和创新。
5.发展高精度模具要实现模具的高精度，在模具的设计与加工中必然要使用高精度加工设备和高技术加工工艺。
要进一步发展数控机床和加工中心的使用，要发展CAD,CAE,CIM等高新技术。
目前，我国的模具工业与国外发达国家相比，精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低，CAD/CAE/CAM技术的普及度不高，许多先进技术应用还不够广泛，特别是在大型，精密，复杂和长寿命模具技术上存在着明显的差距。
第2章拉深
2.1工件情况
如图1-1所示零件，其生产要求如下：
生产批量：
批量生产
材料：
不锈钢
材料厚度：
2mm
图2-1零件图
2.2热水器底座的工艺分析
由热水器底座结构特点易分析得出它需要拉伸和落料两道工序，一般情况下，为了提高生产效率，很多时候这两个工序几乎都是都是同时进行的，不过考虑到其变形特点，不适宜先冲孔，所以选择先进行落料工艺后进行冲孔处理。
该凸缘圆筒形工件，虽然其工件的形状尺寸有特定要求，但没有恒定的厚度要求。
根据这个工件的形状特点，适合采用拉深的工艺制作，进而使用拉深工序加工制作。
对于拉深工序需要注意的一点是需要根据材料的结构及尺寸特点来设计合适的拉深次数。
一般考虑材料的材质以及工件的结构的复杂程度等重要因素之后，选择合理的拉深次数。
首先要根据拉深产品板料的机械性能尤其是板料的强度极限来确定的,第一次拉深处理以后金属材料会发生机械性能的改变也就是加工硬化,加工硬化通常会引起材料自身的硬度有所提高而塑性会随之有所降低,此时想要恢复材料原本的塑性特点就要进行一系列的消除材料应力的热处理,然后方可以进行第二次拉深,依此类推,总而言之当材料需要拉深很大的尺寸时,工艺部工程师通常会采用多次拉深和消除材料内应力热处理的制造工艺来完成材料的拉深成型.一次拉深往往因为材料的拉深强度，应力等原因使拉深的产品在拉深过程中发生破裂从而导致工件的报废；多次拉深是在上一次拉深之后，经消除内部热应力后再拉深，拉深强度，材料的很多特性都允许，所以能很好的拉深出需要的产品！
简单来说就是对于拉深的处理一次成型容易不到位，而且每次拉伸的变化程度是有要求的，不能变化太大，否则容易出现工件报废。
根据工艺分析本工件需要两次拉深才可完成，计算过程先计算外部的拉深，然后再计算内部的拉深，这样可以得到工件的圆形落料尺寸，还可以计算材料的利用率等。
不过最后还需试验拉深是否可以只需一次就可完成。
尺寸Φ170mm，按公差表查得为IT14级，满足拉深工序对工件公差等级的要求。
2.3验证是否经过一次拉深即可完成
查阅设计手册拉深部分，只要拉深的外径与总的外径的比值，大于m1，那么通过一次拉深即可完成。
d/D=150/170=0.88
m1有下表可以查到：
表2-1圆筒形拉深件采用压边装置时的极限拉深系数
拉伸系数
毛坯料相对厚度（t/D）*100%
2.0-1.5
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
工件厚度2,（2/170）%=1.17%,查阅上表，m1值为0.50-0.53，小于0.88，故一次拉深即可完成
2.4拉深计算
2.4.1大圆拉深长度计算
查阅设计手册拉深部分中与凸缘圆筒形拉深工件的毛坯尺寸相关的计算公式为：
图2-2毛坯图
根据设计手册中的公式和图，把尺寸值带人上述公式中，可以计算：
d2取值为170，d1值为150-2=148，高度29，带人上述公式计算如下：
计算值为：
214.6，那么根据计算结果，可以画出需要的工件的第一次拉深后的图如下：
图2-3第一次拉深图
2.4.2小圆拉深长度计算
再由手册查得公式为：
图2-4小圆拉深图
根据设计手册中的公式和图，把尺寸值带人上述公式中，可以计算：
d2取值为214.6，d1值为22，高度11，带人上述公式计算如下：
计算值为：
216.88.
第3章排样
排样简单来说就是将要冲裁的工件合理的排版在板料上的一个方法，适宜的排样能够有效的提高板材的利用率，从而降低成本，还可以提高冲裁件的质量以及模具的使用寿命。
主要是要考虑材料的利用率吧。
尽量使用无废料、少废料排样。
搭边值的选择很重要（保证利用率及强度、刚度）。
硬材料搭边值可小些；软的、形状复杂的、零件大的、厚料要取大些。
值可以查相关的经验设计手册。
影响排样好坏的主要有以下几个因素，一是冲件的外形特点与尺寸，这个因素很难控制，只能通过优化设计流程来改善。
二是冲压设备的性能。
对于同一零件它的排样样式不是一定的，不同的排版方式会有不同的利用率。
材料的有效利用在大批量生产时十分重要，由于其在冲裁件成本中占到了大半部分，应给与高度重视。
特别对贵重的有色金属。
最后排样也需要考虑是否能够适应车间的生产条件以及方便师傅操作等一系列细节问题[16]。
减少工艺废料是提高板材利用率的关键性因素。
减少工艺废料的措施有：
由于冲件的特定形状我们无法有效的管控，所以结构废料的产生式无法避免的，不过在遇到不同尺寸的冲件有相同厚度和材料时，就可以考虑充分利用一下结构废料了，这时较小尺寸的冲件可由结构废料冲制出。
例如，电机转子的定子硅钢片的废料就可用于电机转子硅钢片的制作。
（1）提高利用率。
（2）优化工艺流程方便工人的操作从而降低工人的劳动强度。
（3）优化模具的结构，使其尽量简单可靠，从而提高模具的使用寿命。
（4）保证冲件的质量。
（5）板料的纤维方向对弯曲件的性能有不可忽视的影响，排样时应将其考虑在内。
图3-1排样图
在考虑到该工件落料工序的情况下，为了使冲压操作尽量方便以及模具的结构尽量简单，，宜采用单排排样设计。
查表取搭边值为5。
那么计算材料的利用率如下：
3.14×108.44×108.44/226.88×（216.88+5）=36924/50340=73.3%
第4章工序压力计算
4.1落料力计算
F落=1.3Ltτ
其中的F落 —— 落料力（Ｎ）
Ｌ —— 工件外轮廓周长，Ｌ＝πD＝681mm；
t——材料厚度，t=0.5mm；
τ——材料的抗剪强度（MPa），抗剪强度τ（MPa）525
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