拉深冲孔复合模具设计.docx
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拉深冲孔复合模具设计
拉深冲孔复合模具设计
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1绪论
1.1冲压的概念、特点及应用
冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，用以生产各种板料零件,具有很多独特的优势，其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机械自动化及生产效率高等优点，是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技术，在制造业中具有很强的竞争力，被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活的生产之中。
在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后，已经形成了冲压学科的成形基本理论。
以冲压产品为龙头，以模具为中心，结合现代先进技术的应用，在产品的巨大市场需求刺激和推动下，冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的用。
冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压或冲压件）的一种压力加工方法。
冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。
冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方一隶属于材料成型工程术。
冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。
冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。
冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。
冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才能得出冲压件。
与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。
主要表现如下。
（1）冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。
这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。
（2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。
（3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。
（4）冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。
但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。
所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益。
冲压地、在现代工业生产中，尤其是大批量生产中应用十分广泛。
相当多的工业部门越来越多地采用冲压法加工产品零部件，如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。
在这些工业部门中，冲压件所占的比重都相当的大，少则60%以上，多则90%以上。
不少过去用锻造=铸造和切削加工方法制造的零件，现在大多数也被质量轻、刚度好的冲压件所代替。
因此可以说，如果生产中不谅采用冲压工艺，许多工业部门要提高生产效率和产品质量、降低生产成本、快速进行产品更新换代等都是难以实现的。
1.2冲压的基本工序及模具
由于冲压加工的零件种类繁多，各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相同，因而生产中采用的冲压工艺方法也是多种多样的。
概括起来，可分为分离工序和成形工序两大类；分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压（俗称冲裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。
上述两类工序，按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉深和成形四种基本工序，每种基本工序还包含有多种单一工序。
在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时，若用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。
这时在工艺上多采用集中的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，称为组合的方法不同，又可将其分为复合-级进和复合-级进三种组合方式。
（1）复合冲压——在压力机的一次工作行程中，在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方法式。
（2）级进冲压——在压力机上的一次工作行程中，按照一定的顺序在同一模具的不同工位上完面两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。
（3）复合-级进——在一副冲模上包含复合和级进两种方式的组合工序。
冲模的结构类型也很多。
通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等；按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。
但不论何种类型的冲模，都可看成是由上模和下模两部分组成，上模被固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。
工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压力机滑块带动上模下压，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便产生分离或塑性变形，从而获得所需形状与尺寸的冲件。
上模回升时，模具的卸料与出件装置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下一次冲压循环。
2零件冲压工艺方案的制定
该零件为电器开关网芯，如图2-1所示,该零件生产属于中、大批量生产，零件结构紧凑，材料是H62普通黄铜，厚度为1.2mm,H62抗拉强度为410-630MPa,伸长率：
（δ10/%）≥10,有良好的力学性能，热态下塑性好，冷态下塑性也可以，切削性好，易钎焊和焊接，耐蚀，但易产生腐蚀破裂,此外价格便宜。
工件成型需
图2-1零件图
要冲孔、落料和拉伸，则有：
（1）先拉深、落料再冲孔两道工序；
（2）先冲孔、落料再拉深两道工序；
（3）冲孔、落料、拉深级进模设计。
比较确定方案：
方案一：
此方案可以采用复合模可提高生产效率，保证工件尺寸的精度要求，模具制造不是很困难，成本可大大降低。
方案二：
此方案是先冲孔、落料再进行拉伸这样工件可能会不好定位被拉伸变形，工件精度要求不容易达到。
方案三：
采用级进模，安全性好，但是考虑到级进模结构复杂，工件精度加工精度不高,对称度和位移误差较大,以及加工难度较大，装配位置精度要求高，按照实际生产，级进模成本也高。
综上所述该工件成型采用第一种方案。
拉伸、落料复合模+冲孔模两幅模具进行成型。
3拉伸、落料复合模设计
3.1零件的工艺分析
工件如图3-1所示，材料为H62，板厚1.2mm，制件精度为IT10级.，形状简单，尺寸不大，大批量生产，属普通冲压件。
图3-1零件图
3.2工件工艺性分析
根据制件的材料、厚度、形状及尺寸，在冲压工艺设计和模具设计时，应特别注意以下几点：
（1）该制件为落料拉深件，在设计时，毛坯尺寸要计算准确；
（2）冲裁间隙、拉深凸凹模间隙应符合制件的要求；
（3）各工序凸凹模动作行程的确定应保证各工序工作稳妥、连贯。
3.3工艺方案的分析和确定
3.3.1工艺方案分析
根据制件的工艺性分析，其基本工序有落料、拉深两种。
拉深件的毛坯尺寸及拉深次数确定
（1）毛坯直径D的计算
拉深相对高度h/d=16/31.2>0.5h<20.由《冲压模具课程设计》表4-1可得
修边余量：
δ=1.2mm.
毛坯直径D按下式计算:
D=（4A/π）1/2=（4Σa/π）1/2（3-1）
式中A——拉伸件的表面积，mm2；
a——分解成简单几何形状的表面积,mm2.
（2）确定是否用压边圈
毛坯相对厚度t/D×102=1.9查表得出可不用压边圈。
（3）拉深次数n的计算
n=1+lg（dn/m1D）/lgmn（3-2）
式中n——拉伸次数；
dn——工件直径，mm;
D——毛坯直径，mm;
m1——第一次拉伸系数；
mn——以后各次的平均拉伸次数.
采用查表法，当t/D=1.9，H/D=16-4.5/31.2=0.37
由《冲压模具课程设计》表4-8查得n=1。
采用一次拉伸
（4）确定拉伸直径
由《冲压模具课程设计》表4-5查得拉伸极限系数为m1=0.72,拉伸直径：
d=0.72×63=45.36mm.
（5）底部的圆角半径
R=4.5mm.
（6）拉伸高度
拉伸比k=D/d
H=0.25（DK-d）+0.43r/d（d+0.32r）（3-3）
将数据代入的H=12.53mm.
3.3.2工艺方案的确定
因制件有落料、拉深两道工序，可进行单工序模具设计也可以采用复合模具设计还可以选择连续模具设计，故可通过表3-1进行三种模具的比较:
表3-1单工序模、复合模和连续模的比较
比较项目
单工序模
连续模
复合模
工件尺寸精度
较低
一般IT11级以下
较高，IT9级以下
工件行位公差
工件不平整，同轴度、对称度及位置度误差大
不太平整，有时要较平，同轴度、对称度及位移度误差较大
工件平整，同轴度、对称度及位置度误小
冲压生产率
低，冲床一次行程内只能完成一个工序
高，冲床在一次行程内能完成多个工序
教高，冲床在一次行程内可完成两个以序
实现操作机械化、自动化的可能性
较易，尤其适合于多工冲床上实现自动化
较易，尤其适应于单机上实现自动化
难，工件与废料排除较复杂，只能在单机上实现部分机械化作
对材料的要求
对条料宽度要求不严，可用边角料
对条料或带料宽度要求严格
对条料宽度要求不严，可用边角料
生产安全性
安全性较差
比较安全
安全性较差
模具制造的难易程度
较易，机构简单，制造周期短，价格低
形状简单件，比用复合模制造难度低
形状复杂件，比用级进模的制造难度低
应用
通用性好，适于中、小批量生产和大型件的大量生产
通用性较差，适合于形状简单，尺寸不大，精度要求不高件的大批量生产
通用性较差，适于形状复杂、尺寸不大、精度要求较高件的大批量生产
3.4排样图设计
3.4.1排样方式的确定
搭边是指排样时冲件之间以及冲件与条料边缘之间留下的工艺废料。
搭边虽然是废料，但在冲裁工艺中却有很大的作用：
补偿定位误差和送料误差，保证冲裁出合格的零件；增加条料刚度，方便条料送进，提高生产效率；避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉人模具间隙,提高模具寿命。
搭边值要合理确定，从节省材料出发搭边值越小越好，但搭边值小于一定数值后对模具寿命和剪切表面质量不利。
由《冲压模具课程设计》表2-15查的搭边值a=1.2,工件间值a1=1.0.
冲裁件在板、条等材料上的布置方法称为排样。
排样的合理与否，影响到材料的经济利用率，还会影响到模具结构、生产率、制件质量、生产操作方便与安全等。
因此，排样是冲裁工艺与模具设计中一项很重要的工作。
冲压件大批量生产成本中，毛坯材料费用占60%以上，排样的目的就在于合理利用原材料,毛坯排样图如图3-2所示：
图3-2排样图
3.4.2材料利用率的计算
（3-4）
式中N——一张料上的冲压总数目；
L——板料长度，mm;
B——板料宽度，mm.
板料规格选用1.6×1000×2000mm；
（1）采用纵裁时:
每板的条数n1=1000/66=15条余零
每条的工件数n2=2000/23=86件余零
每板的工件数n=n1×n2=15×86=1290个
利用率为：
η=1290×20×61/（1000×2000）×100%=79%
（2）采用横裁时:
每板的条数：
n1=2000/66=30条余零
每条的工件数：
n2=1000/23=43件余零
每板的工件数：
n=n1×n2=30×43=1290个
利用率：
η=1290×20×61/（1000×2000）×100%=79%
经计算横裁.纵裁时板料利用率相同都为79%,故采用横裁或纵裁都可以。
4模具总体结构设计
模具总体结构如图4-5所示，凡属模具，无论其结构形式如何，一般都是由固定和活动两部分组成。
固定部分是用压铁、螺栓等紧固件固定在压力机的工作台面上，称下模；活动部分一般固定在压力机的滑块上，称上模。
上模随着滑块作上下往复运动，从而进行冲压工作。
一套模具根据其复杂程度不同，一般由数个、数十个甚至更多的零件组成。
但无论其复杂程度如何，或是那一种结构形式，根据模具零件的作用又可以分成五个类型的零件。
（1）工作零件是完成冲压工作的零件，如凹模、凸模、凹凸模等。
见图4-1凸模，图4-2凹模：
图4-1凸模
图4-2凹模
（2）定位零件这些零件的作用是保证送料时有良好的导向和控制送料的进距，如挡料销、定距侧刀、导正销、定位板、导料板、侧压板等。
见图4-5中的件6.
（3）卸料、推件零件这些零件的作用是保证在冲压工序完毕后将制件和废料排除，以保证下一次冲压工序顺利进行。
如推件器、卸料板、废料切刀等，见图4-3中的推件器，图4-4卸料版：
.
图4-3推进器
图4-4卸料版
（4）导向零件这些零件的作用是保证上模与下模相对运动有精确的导向，使凸模、凹模间有均匀的间隙，提高冲压件的质量。
如导柱、导套、导板等，件图4-5中的导柱20、导套18.
（5）安装、固定零件这些零件的作用是使上述四部分零件联结称“整体”，保证各零件间的相对位置，并使模具能安装在压力机上。
如上模板、下模板、模柄、固定板、垫板、螺钉、圆柱销等，见图4-5中的件23、1、14、2、5、7、17.
4.1定位装置
定位部分零件的作用是是毛坯（条料或块料）送料时有准确的位置，保证冲出合格制件，不至冲缺而造成浪费。
本模具中采用固定挡料销。
因为板料厚度t=1.2mm,属于较小厚度的板材,且制件尺寸不大,固采用侧面两个固定挡料销定位导向,在送料方向由于受凸模和凹模的影响,为了不至于削弱模具的强度,在送给方向采用一个弹簧挡料装置的活动挡料销.固定挡料销结构简单，常见的为圆头形式。
图4-5模具结构示意图
1-下模板2-内六角螺钉3-顶杆4-凹模5-内六角螺钉6-挡料销7-圆柱销8-卸料板9-拉伸凹模10-内六角螺钉11-推件器12-内六角螺钉13-推杆14-模柄15-挡料销16-凸模17-圆柱销18-导套19-圆柱销20-导柱21-圆柱销22-内六角螺钉23-上模板
4.2出料装置
4.2.1推件装置
推件有弹性和刚性两种形式，但本零件厚度为1..2mm，若用弹性卸料，当冲裁较厚时推件的力量不足，又由于刚性推件装置已能保证工件所有尺寸精度，又考虑到刚性推件装置结构紧凑，维护方便，故用刚性推件装置。
推件是靠压力机的横梁作用，推杆的长度根据压力机相应尺寸来确定，一般在推件位置时（即滑块在上死点时），推杆要超出滑块孔的高度5-10mm，推件的行程即为横梁的行程。
4.2.2卸料装置
卸料装置也有刚性卸料和弹性卸料两种形式。
对于卸料力要求大、卸料板与凹模间又要求有较大的空间位置时，可采用刚性卸料，此形式卸料力大，但无压料作用，毛坯材料厚度大于0.8mm以上时采用。
由于刚性推件装置的推件力较大、工作可靠，所以应用十分广泛，不但用于倒装式冲模中的推件，而且用于顺装式中冲模中的卸料件或推出废料，尤其对于冲裁板料较厚的冲模，宜用这种推件装置。
4.2.3导向装置
在这里采用两导柱导向模具，导柱与导套制成小间隙配合为H7/h6。
5模具零件的设计与计算
5.1凸、凹模的设计
5.1.1落料凸凹模刃口尺寸计算
查手册，由制件外形尺寸可得，制造公差为△=0.12mm;
精度IT10级，x=1。
凸模δp=0.020mm,凹模δd=0.030mm.
（1）凹模：
Dd=（Dmax-xΔ）0δa（5-1）
=（63-1×0.12）+0.0300
=62.88+0.0300
（2）凸模:
Dt=（Dmax-Zmin）0δt（5-2）
=（D-x△-Zmin）0δt
=（63-1×0.12-0.246）-0.0200
=62.63-0.0200
5.1.2拉深凸凹模工作部分的尺寸计算
查手册:
凸模δp=0.080mm,凹模δd=0.12mm
制件要求外形尺寸:
（1）凹模:
Da=（D-0.75△）0+δd
（5-3）
=（45-0.75×0.12）0+0.12
=44.910+0.12mm
（2）凸模:
查手册,拉深模单边间隙Z=（1.3~1.5）t=2.5mm.
Dt=（D-0.75△-2Z）0-δp（5-4）
=（45-0.75×0.12-2×2.5）0-0.080
=44.910-0.080mm
以上各式中δa、δt——凹模、凸模的制造偏差值，mm;
Zmin、Zmin——最小、最大合理间隙，mm;
DT、DA——落料凸、凹模的刃口尺寸，mm;
dT、dA——冲孔凸、凹模的刃口尺寸，mm；
Dmax——落料件的最大极限尺寸，mm;
dmin——冲孔件孔的最小极限尺寸，mm;
x——磨损系数，其值在0.5-1之间；
Δ——制件的制造公差，mm.
5.2冲裁力的计算
（1）落料力的计算
查手册，H62,τ=420MPa
F冲=Ltτ（5-5）
=（29+56）×1.2×3×420=128520kN
（2）卸料力的计算
查手册K1=0.04~~0.05，取K1=0.04。
F卸=K1F冲（5-6）
=0.04×128520=5140.8kN
（3）拉深力的计算
查手册20钢σb=420MPa,K2=0.04
F拉=LtσbK2（5-7）
=0.04×3.14×45.36×1.2×420
=2871kN
式中F冲、F卸、F拉——冲压力、卸料力、拉伸力,kN；
K1、K2——卸料力、拉伸力系数；
τ——材料抗剪强度,MPa；
L——冲孔周边长度，mm;
t——材料厚度，mm;
b——材料的抗拉强度,MPa.
（4）压力机总压力
F总=F落+F卸+F拉（5-8）
=128520+5140.8+2871
=136532kN
（5）凹模周界尺寸计算
因制件外形简单,制件尺寸也不大,而且只有一个工位,故应采用整体式圆形凹模比较合理.
A.凹模具厚度尺寸:
H=
（5-9）
=13.9mm
由于冲裁轮廓线全长L=251.2>50mm,故应乘以修正系数K
查手册,K=1.37
H凹模=1.37×13.9=19mm
B.凹模外形尺寸计算:
凹模具壁厚W=1.2H（5-10）
=1.2×19
=22.8mm
则凹模外形尺寸D为制件最大尺寸和凹模双边壁厚之和即:
D=L+2W（5-11）
=45+2×22.8
=90.6mm
根据冷冲压典型组合尺寸有关标准，凹模外径D取146mm。
6冲压设备的选用
6.1压力中心的确定
冲裁时的合力作用点或工序模各工序冲压力的合力作用点，成为压力中心。
设计时模具压力中心应于压力机滑块中心一致，如果不一致，冲压时，冲压时会产生偏裁，导致模具以及压力机滑块与导轨的急剧磨损，降低模具和压力机的实用寿命。
由于该制件的毛坯及各工序件都为长方形轴对称图形，而且只有一个工位，因此压力中心必定与制件的几何中心重合。
6.2模架的选取
选择模架结构时要根据工件的受力变形特点，坯件定位、出件方式，材料送进方向，导柱受力状态，操作是否方便等方面进行综合考虑。
模架尺寸要根据凹模的轮廓尺寸考虑，一般在长度上及宽度上都应比凹模达0~40mm。
模板厚度一般等于凹模厚度的1~1.5倍.选择模架时还要注意到模架与压力机的安装关系,例如模架与压力机工作台孔的关系,模座的宽度应比压力机工作台孔的孔径每边约大40~50mm。
冲压模具的闭合高度应大于压力机的最小装模高度，小于压力机的最大装模高度等。
通常中、小型冲模常采用后侧式、对角式或对称式的导柱型模架。
综上所述，选择滑动导向型后侧导柱式模架。
上模座：
160
125
35标记：
160
125
35GB/T2855.5；
下模座：
160
125
40标记：
160
125
40GB/T2855.6。
导柱：
选取d＝25mm，L=150mm的B型导柱，标记为：
导柱B25
150
45GB2861.2；
6.3压力机的确定
根据上述冲压力的计算，初步选用型号为J23-16开式双柱可倾压力机。
该型号压力机主要技术规格如下：
公称压力160kN;
滑块行程55mm;
最大闭合高度220mm;
最大装模高度180mm;
连杆调节量45mm;
选择模架：
上模座：
240x294x40（GB2855.6-81）
下模座：
254x240x45（GB2855.6-81）
导柱：
28x160（GB2861.2-81）
28x160（GB2861.2-81）
导套：
42x85x28（GB/T2861.6-81）
42x85x28（GB/T2861.6-81）
模柄：
A60x100
6.4模具闭合高度的校核
冲裁模总体结构尺寸必须与所选用的压力机相适应，即模具的总体平面尺寸应该与压力机工作台或垫板尺寸和滑块下平面尺寸相适应；模具的封闭（闭合）高度应与压力机的装模高度或封闭高度相适应。
所谓模具的闭合高度
是模具在最低工作位置时，上、下模座之间的距离。
它应与压力机的装模高度相适应，模具闭合高度
。
故所选压力机装模高度与模具闭合高度满足下式：
（5-12）
还可以看出
取在：
，这样可以避免连杆调节过长，螺纹接触面积过小而被压坏。
技术要求：
（1）外形锐边倒钝角；
（2）在适当位置安装吊棒；
（3）导柱与导套的配合为H7/H6；
（4）卸料板与落料凹模的单边间隙为0.4mm；
（5）挡料销与凹模的配合为H9/d9.
7冲孔模设计
7.1冲压件的工艺分析
图7-1零件图
零件如图7-1：
如图所示；
生产批量：
大批量；
材料：
H62；
材料厚度：
1.2mm。
该零件形状简单、对称，是由圆筒组成的。
由表查出，冲裁件内外所能达到的精度为IT11，将以上精度与工件简图中所标注的尺寸公差相比较,可认为该工件的精度要求能够在冲裁加工中得到保证.其他尺寸标注,生产批量等情况,也均符合冲裁的工艺要求,故决定采用冲孔模进行加工,且一次冲压成形.
7.2冲孔工序的计算
（1）冲孔力
F冲=Lt
b（7-1）
=（109.13Χ1.2Χ420）N=55kN
（2）卸料力
F
=K
F（7-2）
K
由表2-2查的K
=0.02，将以上数据代入得1.1kN
式中F冲、F
——冲孔力、卸料力，kN;
L——冲孔周边长度，mm;
t——材料厚度，mm;
b——材料的抗拉强度，MPa；
K卸—
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