电机风罩拉深成形模设计.docx
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电机风罩拉深成形模设计
电机风罩拉深成形模设计
摘要
本文介绍了电机风罩拉深成形模设计的全过程，首先对电机风罩零件进行了工艺分析，工艺设计以及参数计算，模具总体方案设计，确定了该模具加工工艺流程，排样设计与计算，冲压力以及压力中心的计算，对模具的凸，凹模设计计算以及设计工艺工程确定。
冲模结构形式以及非标准零件加工工艺过程，并对所设计的模具进行了分析说明。
采用CAD软件制图绘制了冲压模的二维装配图和非标准零件图。
采用模具生产电机风罩，极大提高了生产效率，产品质量，产品精度等问题。
更大程度上节约生产成本。
关键词：
拉深成形模；设计；电机风罩
1绪论
模具是工业生产的基础工艺装备，在机械、仪表、电子、通讯、汽车和航空航天等产品中，60%-80%的零部件都要依靠模具成型。
用模具生产的制件所达到的精度、复杂程度以及一致性都比其他加工工艺要具有更高的优势。
由于模具成型的制件具有高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗等这些优点，使得模具工业在制造业中越来越处于重要地位。
模具以成为一些国家工业产品的发展和增强市场竞争力的可靠的技术基础。
日本把模具视为“进入富裕时代的原动力”，欧洲则把模具工业称为“金属加工工业的帝王”，是“其他工业的入门”。
各国对模具工业的发展非常重视，模具制造也摆脱从属地位，发展成为独立的、专业化模具生产体系，在国民经济发展中扮演者很重要的角色。
20世纪80年代以来，我国模具工业发展十分迅速。
国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。
这些年来，我国的模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展。
在模具工业总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。
由于模具发展的良好势头以及国家的重视，使得国内一些大学在国家政策和一些企业的支持下，成立相应的模具研究中心以及与模具相关的专业，进行了多种模具的研究和设计以及模具教学等工作。
例如，1994年，国家在上海交通大学建立模具工程研究中心，在郑州工学院建立的橡塑模具国家工程研究中心等，对冲压模、级进模、塑料模、压铸模、橡胶模、玻璃模、挤压模进行了相关的研究，使得我国模具设计制造水平有了很大的提高，带来了较大的社会和经济效益，并且提高了我国的模具特别是中、低档模具在国际市场上的占有率，模具出口前景很好。
虽然我国在模具方面已经取得了比较不错的成绩，但是就模具发展的现状来说，不是那么可观，与国际水平和工业先进国家存在着较大的差距。
尤其是在精密、大型、复杂、长寿命模具方面，技术实力显得过于薄弱。
我国现在每年还要从境外进口20多亿美元的模具，这些大都是国内尚不能自行生产的高中档模具。
国内中高档模具的自配率只占50%左右；大型、复杂、精密、长寿命等技术含量较高的模具只占到模具总量的30%左右；我国模具行业全员劳动生产率还较低，平均只有15万元/人·年左右；模具商品化和模具标准件使用覆盖率也较低，只有50%左右；模具生产专业化水平还较低，这些都说明我国的模具工业还不够强大。
拉深模在冲压生产中具有举足轻重的作用，拉深模不仅可以加工旋转体零件、盒形件及其他形状复杂的薄壁零件，还可以与其他冲压成型工艺相结合，制造极为复杂的零件，它广泛用于汽车、电子、仪表、兵器、航空航天等各类工业部门和日常生活用品的生产。
我国在拉深模方面已经取得了比较可喜的成绩，但就拉深模的现状来说，与国际水平和工业先进国家存在着较大的差距，尤其是在精密、大型、复杂、长寿命拉深模方面，技术实力显得过于薄弱。
我国现在每年还要从欧美日等地区或国家进口拉深模具，这些大都是国内尚不能自行生产的高中档拉深模具。
拉深模的发展方向主要体现在以下几个方面：
（1）拉深模材料向综合性能高、切削性能好、以及系列化方向发展。
新的模具表面处理工艺得到了相应的开发和应用。
（2）拉深模的设计将继续广泛采用现代信息处理技术，例如CAD/CAE/CAM，这些技术的开发和应用，同时三维可视化设计、虚拟加工以及装配，都最大限度的节约了人力和物力，大大的缩短了模具的设计、生产制造周期，减少了生产成本，提高了经济效益。
（3）数控技术的开发和广泛应用，将极大的提高拉深模的生产制造水平，从而可进行高精度、高复杂程度的拉深模具的加工制造。
本文介绍了电机风罩拉深成形模设计的全过程，首先对电机风罩零件进行了工艺分析，工艺设计以及参数计算，模具总体方案设计，确定了该模具加工工艺流程，排样设计与计算，冲压力以及压力中心的计算，对模具的凸,凹模设计计算以及设计工艺工程确定。
冲模结构形式以及非标准零件加工工艺过程，并对所设计的模具进行了分析说明。
采用CAD软件制图绘制了冲压模的二维装配图和非标准零件图。
采用模具生产电机风罩，极大提高了生产效率，产品质量，产品精度等问题。
更大程度上节约生产成本。
2工艺方案及参数计算
2.1零件的工艺分析
因为此次设计主要是做电机风罩的落料拉深工序，不做冲孔工序，所以此零件加工需要先落料后对其进行拉深，因此工件的工艺性，既是指冲裁件对冲压工艺的适应性，也是拉深件对冲压工艺的适应。
需要工件的结构，形状，尺寸，公差等技术要求是否符合冲压标准要求。
工艺性是否合理。
对制件的质量，模具寿命和生产率有很大的影响。
2.2零件尺寸的确定
图2-1零件图
图2-1零件为电机风罩，其形状为圆筒形材料，落料为圆形毛坯，具有良好的工艺性。
材料为08F钢，其厚度为1.00mm。
08钢属于优质碳素结构钢，具有较高的塑性和良好的拉深成型性能，适合。
在零件图上，制件为中小型零件，尺寸
，
为IT12级，其余尺寸为标注公差，可以按照自由公差计算和处理。
零件为轴对称旋转体，且D/d，h/d都不太大，拉深工艺性较好，圆角半径R2，R12都大于等于两倍料厚，适合于拉深成型。
2.3毛坯尺寸的计算
由零件的主要尺寸
、
、H、L、t、h。
可根据公式2-1（查参考文献[1]得）。
落料毛坯圆形件直径
。
=
（2-1）
式中：
A-零件底部
=120mm；
B-零件顶部
=150mm；
L-零件下部斜边长度L=30mm；
h-零件高度h=78mm。
=248mm
2.4冲裁工艺方案的确定
该零件是罩类零件，形状就是一个圆盖。
在冲裁时它包括落料和拉深两个基本工序。
可采用以下三种工艺方案：
（1）先落料，再拉深，采用单工序模生产。
（2）落料－拉深复合冲压，采用复合模生产。
（3）拉深－落料连续冲压，采用连续模生产。
其三种方案的性能见表3-2。
表2-1单工序冲裁模、级进冲裁模和复合冲裁模性能
比较项目
单工序模
复合模
连续模
冲压精度
较低
较高
较高
冲压生产率
低，压力机一次行程内只能完成一个工序
较高，压力机一次行程内可完成二个以上工序
高，压力机在一次行程内能完成多个工序
实现操作机械化自动化的可能性
较易，尤其适合于多工位压力机上实现自动化
难，制件和废料排除较复杂，只能在单机上实现部分机械操作
容易，尤其适应于单机上实现自动化
生产通用性
通用性好，适合于中小批量生产及大型零件的大量生产
通用性较差，仅适合于大批量生产
通用性较差，仅适合于中小型零件的大批量生产
冲模制造的复杂性和价格
结构简单，制造周期短，价格低
复杂性和价格都较高
复杂性和价格低于复合模
由于零件的结构简单，制造相对比较简单，操作也方便，为提高生产率，综合以上三种方案确定采用落料拉深复合模的方式冲裁。
2.5拉深系数
拉深系数是指拉深前后拉深件筒部直径（或半成品筒部直径）与毛坯直径的比值。
有些部件只需一次拉伸成型，有些则需要多次拉深才能得到所要的制件形状。
拉深系数可以用来表示拉深时材料的变形程度，拉深系数m的数值越小，则变形程度越大，越不易于一次成型。
由于该制件只需要反向拉深即可成形，因此可由公式2-2计算得出其拉深系数。
其实际的拉深系数为：
m=d/D=150/248=0.6（2-2）
2.6压边圈的设计
解决拉深工作中的起皱问题的主要方法是采用防皱压边圈，但至于是否需要压边圈，可按表2-2的条件决定。
表2-2压边圈的确定
拉深方法
第一次拉深M1
第二次拉深M2
第三次拉深M3
第四次拉深M4
用压边圈
<1.5
<0.6
<1.0
<0.8
可用可不用压边圈
1.5～2.0
0.6
1.0～1.5
0.8
不用压边圈
>2.0
>0.6
>1.5
>0.8
因此根据拉深系数,可以得出需要采用压边圈。
2.7修边余量及拉深次数
表2-3无凸缘圆筒形拉深件的修边余量б（mm）
工作高度h
工作的相对高度h/d
>0.5～0.8
>0.8～1.6
>1.6～2.58
>2.5～4
≤10
1.0
1.2
1.5
2
>10～20
1.2
1.6
2
2.5
>20～50
2
2.5
3.3
4
>50～100
3
3.8
5
6
>100～150
4
5
6.5
8
>120～200
5
6.3
8
10
>200～250
6
7.5
9
11
>250
7
8.5
10
12
因为拉深件需要计算其修边余量，由表2-3得毛坯修边余量为3mm。
表2-4无凸缘圆筒形拉深件的最大相对高度h/d
拉深次数n
毛坯相对厚度h/d
2～1.5
<1.5～1
<1～0.6
<0.6～0.3
<0.3～0.15
<0.15～0.08
1
0.9～0.7
0.8～0.6
0.7～0.57
0.62～0.5
0.52～0.45
0.46～0.38
2
1.8～1.5
1.6～1.3
1.36～1.1
1.13～0.9
0.96～0.83
0.9～0.7
3
3.5～2.7
2.8～2.2
2.3～1.8
1.9～1.5
1.6～1.3
1.3～1.1
4
5.6～4.3
4.3～3.5
3.6～2.9
2.9～2.4
2.4～2.0
2.0～1.5
5
8.9～6.6
6.6～5.1
5.2～4.1
4.1～3.3
3.3～2.7
2.7～2.0
在确定制件拉深次数选择查表法，根据毛坯直径
、h、t。
查表2-4得此工件可实行一次拉深。
由修边余量可以最终确定毛坯的落料的尺寸。
可用公式（2-3）得
（2-3）
mm
2.8确定排样、裁剪方案
在冲压落料的工作中，节约金属和减少废料具有非常重要的意义，特别是在大批量
生产中，较好的确定冲压件的形状尺寸和合理的排样是降低成本的有效措施之一。
在冲裁时制件与制件之间、制件与板料或条料边缘之间的余料被称为搭边。
搭边的作用是：
补偿定位误差，保证冲出合格的制件；保持条料具有一定的刚性，便于送料；
保护模具，以免模具过早的磨损而报废；同时也提高了生产效率。
由于该制件属于圆形制件，排样方案采用横向排样，如图2-2所示。
图2-2排样图
根据零件的尺寸以及参考文献[2][7-10]可以查取：
搭边值为
b=2mm
进距方向为
a=1.2mm
于是有：
进距方向长度H为
H=D+a=254+1.2=255.2mm（2-4）
条料宽度B1为
B1=D+2b=254+4=258mm（2-5）
板料的规格拟用1mm*800mm*2100mm的轧制薄钢板。
由于毛坯面积较大，所以横裁和纵裁的利用率相同，从送料方便考虑，采用横裁方案。
裁板条数
n1=A/B=2100/258=8条，余36mm
每条个数
n2=（B-a）/H=（800-1.2）/255.2=3个，余33.2mm（2-6）
每板总个数
n=n1*n2=8*3=24个
材料利用率的计算：
一个进距内制件的实际面积与所需板料面积之比的百分率，用η表示。
η=F/F0*100%=F/AB*100%（2-7）
式中：
A-在送料方向，排样图中相邻两个制件对应点的距离（mm）；
B-条料宽度（mm）；
F-一个步距内制件的实际面积（mm2）；
F0-一个步距内所需毛面积（mm2）。
由已知数据可得：
一个步距内材料利用率
故材料总利用率为
η=F/F0*100%=72.35%
2.9计算工艺力、初选设备
2.9.1计算工艺力
（1）落料力
平刃凸模落料力的计算公式为
=KLtτ（2-8）
式中：
-冲裁力（N）；
L-冲裁件的周边长度（mm）；
t-材料厚度（mm）；
τ-材料的抗剪强度（MPa）；
K-系数，系数K是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀，刃口的磨损。
板料力学性能和厚度波动等因素的影响而给出的修正系数，一般取K=1.3。
由参考文献[2]中表4-7可查得材料08F的τ=270Mpa。
因此，该制件的落料力的大小为
=KLtτ=1.3*254
*1*270
=279943.56N
（2）卸料力
一般情况下，冲裁件从板料切下以后受弹性变形及收缩影响，会使落料件梗塞在凹模内，而冲裁后剩下的板料则箍紧在凸模上，从凸模上将废料卸下来所需要的力称卸料力。
影响这个力的因素较多，主要有材料的力学性能、模具间隙、材料厚度、零件形状尺寸以及润滑情况等。
精确计算卸料力的大小是很困难的，一般采用公式（2-9）计算：
卸料力
F卸=K1*F（2-9）
式中：
F-冲裁力（N）；
K1-顶件力及卸料力系数。
刚性材料的卸料系数一般取0.04～0.05，为方便计算
取0.05
由已知数据及上述公式可求得：
F卸=13997.18N
（3）压边力
在进行拉深时，有许多因素会影响到拉深件的质量，甚至影响到拉深工艺能否顺利完成。
常见的拉深工艺问题主要是平面凸缘部分的起皱和筒壁危险断面的拉裂。
为了保证毛坯在拉深的过程中不产生起皱现象，为此需要施加一定的压边力。
压边力的大小对拉深件的质量是有一定影响的：
如果过大，就要增加拉深力，可能会使制件拉裂；反之，如果压边力过小就会使工件边缘或者凸缘起皱，所以必须选择合适的压边力。
合适的压边力范围一般应以冲件既不起皱，又使得冲件的侧壁和口部不至产生显著的变薄为原则。
压边力的大小与很多因素有关，在实际生产中，可以根据近似的经验公式（2-10）进行计算。
=Fq=π（D2-d2）q/4（2-10）
式中：
-压边力（N）；
F-毛坯在压边圈上的投影面积（mm2）；
q-单位压边力（MPa），这里取q=2；
D-毛坯直径（mm）；
d-冲件的外径（mm）。
由已知参数和上述公式，可求得：
=16981.12N
（4）拉深力
拉深力在生产中常用以下经验公式（2-11）进行计算：
采用压料装置：
首次拉深：
（2-11）
以后各次拉深：
式中：
F-拉深力；
t-板料厚度；
-拉深后工件直径；
-拉深件材料抗拉强度；
-修正系数。
（
可由参考文献[1]表4.4.6查得
取0.8）
故拉深力：
（5）顶件力
顶件力是将落料件逆着冲裁方向顶出凹模刃口时所需要的力。
顶料力的经验公式为：
F顶=K顶F（2-12）
式中：
F顶-顶料力（N）；
F-冲裁力（N）；
K顶-顶料力系数，其值取为0.08。
由已知参数和公式（2-12）可以求得：
F顶=0.08*F=22395.48N
2.9.2拉深功的计算
拉深所需的功可按下式计算：
W=CFmaxh/1000（2-13）
式中：
Fmax-最大拉深力（N）；
h-拉深深度（mm）；
W-拉深功（N/m）；
C-修正系数，一般取为C=0.6～0.8。
所以
W=0.7*113040*78/1000=6171N/m
2.9.3初选压力机
压力机吨位大小的选择，首先要以冲压工艺所需的变形力为前提，要求设备的名义压力要大于所需的变形力，而且还需要一定的压力储备。
从提高设备的工作刚度、冲压零件的精度及延长设备的寿命的观点出发，要求设备容量有较大的剩余。
在此次设计中，所需的总压力为
F=F落+
+F压+F卸+F顶（2-14）
=446356N=446.356kN
因为此制件为拉深件，选压力机时需要是总压力的1.8倍，由于该制件是中小型零件，且精度要求不高，因此选用开始可倾压力机，它具有工作台三面敞开，操作方便，成本低廉的优点。
由于冲裁、拉深复合模的压力行程特点是在开始阶段即需要很大的压力，而在拉深阶段所需要的反倒比较小。
因此按总压力来选取压力机，很可能出现总的压力满足要求，但是在开始阶段冲裁时已经超载。
同时，选用拉深压力机还应该对拉深功进行校核，否则会出现压力机在力的大小满足要求，但是功率可能过载，飞轮转速降低，从而引起电动机转速降低过大，损坏电动机。
因此精确确定压力机压力应该根据压力机说明书中给出的允许工作负荷曲线，并校核功率。
但是在一般条件下，可以根据生产车间的实际条件，在现有压力机中选取。
在这里根据总压力为446.356kN，从参考文献[3]中提供的压力机公称压力序列中选取1000kN的压力机，型号为J23-100。
3模具尺寸结构设计
3.1模具结构形式的选择
采用落料、拉深复合模具，首先要考虑落料凸模（兼拉深凹模）的厚度是否过薄。
经计算可得出该圆筒形件的凹凸模壁厚为：
b=（254-150）/2=52mm
模具落料采用正装式，拉深部分采用反装式，模具采用先落料后拉深。
拉深凸模低于落料凹模一个料厚以上。
采用弹性压边圈，弹顶器装于下模座下。
因为板料厚，卸料力大，所以采用固定卸料装置。
从导向精度和运动平稳性以及具体规格考虑，采用中间导柱模架。
3.2模具工作部分尺寸的计算
3.2.1落料
冲裁模刃口多为直角，故冲裁模刃口尺寸是指冲裁后所得到毛坯光洁而平滑的表面的尺寸，所以落料件的外径应等于凹模内径尺寸，冲孔件的内径尺寸应等于冲头的外径尺寸。
模具两刃口的尺寸总有一个作为基准尺寸。
在设计和制造模具时，可根据工件的精度要求，决定把凸模或者凹模两者之一作为基准尺寸，把间隙取在另外的模具上。
故在本设计中，将落料凹模作为基准。
模具工作部分在加工时要注意经济上的合理性，精度太高，则制造困难，成本高；精度过低，则不利于保证制件的精度要求，造成模具或者制件的不合格。
因此，模具的加工精度应根据制件的精度要求来确定。
冲裁件的尺寸精度取决于凸、凹模刃口部分的尺寸。
冲裁间隙的合理也是要靠凸、凹模刃口部分的尺寸来保证和实现的。
所以在确定刃口部分的尺寸时相当重要的。
在决定模具刃口尺寸及制造公差时，需考虑以下几点原则：
（1）落料时，落料件尺寸决定于凹模尺寸，以凹模为基准，间隙取在凸模上，冲裁间隙通过减小凸模刃口的尺寸来获得。
（2）冲孔时，冲孔件尺寸决定于凸模尺寸，以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口的尺寸来计算。
（3）在确定模具刃口制造公差时，要既能保证工件的精度要求，又要保证合理的间隙数值。
一般模具制造精度比工件精度高2-4级。
落料凸、凹模刃口尺寸计算：
Dd=（Dmax-x△）0+δd（3-1）
Dp=（Dd-Zmin）0-δp=（Dmax-x△-Zmin）0-δp（3-2）
式中：
Dd-落料凹模直径（mm）；
Dp-落料凸模直径（mm）；
Dmax-落料件最大极限尺寸（mm）；
△-制件公差；
x-磨损系数。
其值与冲裁件制造精度有关，一般：
当冲裁件的精度在IT10以上时，x=1；
当冲裁件的精度在IT11-IT13时，x=0.75；
当冲裁件的精度在IT14时，取x=0.5；（这里X取0.5）
δd、δp-凹模、凸模的制造偏差，一般取IT6-IT7。
查文献[3]表2.4.1得δd=0.045,δp=0.03。
Zmin-凸凹模最小合理间隙（mm）。
确定冲裁模间隙时，根据参考文献[3]表2.3.3，Zmin取为14%t，即Zmin=0.1mm；Zmax=20%t，即Zmax=0.14mm。
所落下的料按未注公差的自由尺寸IT12级选取极限偏差，故落料件的尺寸取为
Dd=（Dmax-x△）0+δd=（254-0.5*0.52）0+0.045
=253.740+0.045mm
Dp=（Dd-Zmin）0-δp=（Dmax-x△-Zmin）0-δp
=（253.74-0.1）0-0.03
=253.640-0.03mm
校核：
|δd|+|δp|≤Zmax-Zmin（3-3）
有0.045+0.03=0.075≤0.14-0.1=0.4
所以不满足条件。
因此，只有缩小δd，δp。
提高制造精度，才能保证间隙在合理范围内。
由此可取：
mm
mm
落料凹模的外形尺寸的确定：
凹模厚度：
H=Kb（3-4）
凹模壁厚：
C=（1.5～2.0）H
式中：
b-冲裁件做大外形尺寸（mm）；
K-系数，考虑坯料厚度t的影响，其值可取K=0.15；
故
H=20mm
C=（57～76）mm
调整到符合标准，凹模外径设计尺寸为φ386mm。
3.2.2拉深
拉深时，因为零件是标注外形尺寸，故拉深件的外径尺寸最大为
mm。
最小为
mm。
以凹模为基准，先计算确定凹模的工作尺寸，然后通过减小凸模尺寸来保证凸、凹模间隙。
由公式（3-5）计算顶端凸凹模尺寸：
Dd=（Dmax-0.75△）0+δd（3-5）
Dp=（Dmax-0.75△-Z）0-δp（3-6）
式中：
△-制件公差；
δd、δp-凹模、凸模的制造偏差；根据参考文献[3]表4-15，可分别取为0.08，0.05；
Z-拉深模间隙（mm）；可根据参考文献[3]表4-14，取Z=2*（1t）=2mm。
Dd=（Dmax-0.75△）0+δd
=（150-0.75*0.52）0+0.08
=149.610+0.08mm
Dp=（Dmax-0.75△-Z）0-δp
=（150-0.75*0.52-2）0-0.05
=147.610-0.05mm
底端凸凹模尺寸：
Dd=（Dmax-0.75△）0+δd
=（120-0.75*0.52）0+0.08
=119.610+0.08mm
Dp=（Dmax-0.75△-Z）0-δp
=（120-0.75*0.52-2）0-0.05
=117.610-0.05mm
3.3模架的选用
由凹模外形尺寸
386mm，选择中间导柱模架。
在按其标准选择具体结构尺寸如下：
上模板400*60HT250
下模板400*75ZG450
导柱45*29020钢
导套45*150*5820钢
压入模柄φ60*115Q235
模具闭合高度Max=350mm，Min=305mm
该副模具没有漏料问题，故不必考虑漏料孔尺寸。
3.4模具的闭合高度
所谓的模具闭合高度H是指模具在最低工作位置上，上下模之间的距离，它应与压力机得装模高度相适应。
模具的实际闭合高度，一般为：
H模=上模座厚度+垫板厚度+固定板座厚度+冲头长度
-冲头进入凹模深度+凹模厚度+下模座厚度（3-7）
该副模具使用上垫板厚度为10mm，凹模厚度为97mm，冲头长度为125mm，冲头进入凹模的深度为81mm，凹模固定板16mm
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