模具设计油杯说明书 2.docx
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模具设计油杯说明书2
设计说明书
1.1原始资料
一、设计题目
模具总装图一张
全部模具零件图纸（其中至少有一张电脑绘图）
所有图纸折合成0号图不得少于3张。
零件的工艺性
1.2零件材料及其冲压工艺性分析
1.2.1零件材料的分析
冷冲压模具包括冲裁、弯曲、拉深、成形等各种单工序模和由这些基本工序组成的复合模、级进模等各种模具。
设计这些模具时，首先要了解被加工材料的力学性能。
材料的力学性能是进行模具设计时各种计算的主要依据。
故在分析零件冲压成形工艺，设计冲压模具前，必须要了解和掌握材料的一些力学性能，以便设计。
现将油杯零件材料为10号钢的力学性能主要参数及其概念叙述如下：
（1）应力：
材料单位面积上所受的内力，单位是N/mm
，用Pa表示。
10
Pa=1MPa；1MPa=1N/mm
；10
Pa=1GPa。
（2）屈服点σs：
材料开始产生塑性变形时的应力值，单位是N/mm
。
弯曲、拉深、成形等工序中，材料都是在达到屈服强度时进行塑性变形而完成该工序的成形的。
经查表取σs=206MPa。
（3）抗拉强度σb。
材料受到拉深作用，开始产生断裂时的应力值，单位是MPa。
σb=294～432MPa。
（4）抗剪强度τb。
材料受到剪切作用，开始产生断裂时的应力值，单位是MPa。
取τb=255～333MPa。
（5）弹性模量E。
材料在弹性范围内，表示受力与变形的指标，弹性模量大，表示材料受力后变形较小，或者说，产生一定的变形需要较大的力。
E=194x10
MPa。
（6）屈服比σs/σb。
是材料的屈服强度与抗拉强度之比，其值越小，表示材料允许的塑性变形区越大，在拉深工序中，材料的屈服比较小时，所需的压边力和所需克服的摩擦力相应的减小，有利于提高成形极限。
（7）伸长率δ。
在材料性能实验时，试件由拉伸试验机拉断后，对接起来测量长度，其伸长量与原长度之比称为伸长率，其数值用“％”表示，其数值越大表示材料的塑性越好。
经查表可得，材料为10号钢的伸长率δ=29％。
综上所述，对油杯零件材料10号钢的力学性能分析，主要是为了便于模具设计中各参数的计算，故在后序的模具设计中各参数的计算均以上面所取的数值进行计算。
1.2.2零件工艺性的分析
冲压件工艺性是指冲压零件在冲压加工过程中加工的难易程度。
虽然冲压加工工艺过程包括备料—冲压加工工序—必要的辅助工序—质量检验—组合、包装的全过程，但分析工艺性的重点要在冲压加工工序这一过程里。
而冲压加工工序很多，各种工序中的工艺性又不尽相同。
即使同一个零件，由于生产单位的生产条件、工艺装备情况及生产的传统习惯等不同，其工艺性的涵义也不完全一样。
这里我们重点分析零件的结构工艺性。
该零件为油杯，结构简单，对称，是典型的拉深件。
在拉深过程中要注意控制拉深程度，加工时，根据零件的结构，形状等一些技术要求，应考虑以下几点：
（1）拉深件圆角半径：
拉深件的圆角半径要适合，应尽量大些，以便于成形和减少拉深次数，避免在拉深过程中出现失稳现象即拉裂。
拉深件底与壁的圆角半径应满足r1≥t。
而在此设计中圆角半径R2＞t，故满足设计要求。
（2）考虑拉深件厚度不均匀的现象：
在拉深过程中，一般为不变薄拉深，从理论分析上说是不符合的，在拉深过程中壁厚应有少量的变化，如果在拉深件精度要求不高时，一般可以忽略不计，而在此设计当中我们应该考虑壁厚不均匀现象问题，加工出符合图样要求的零件。
（3）拉深件的孔位布置：
根据示图所示，该零件的孔位布置合理，处于中心部位。
在冲孔时，要注意孔与拉深件的同心度的问题，孔到拉深底部边缘的距离d≤d1-2r1-t。
根据零件图，初步分析可以知道油杯零件的冲压成形需要多道工序才能完成，首先进行正拉深，形成外形尺寸形状，其次底部要成型。
综上所述，油杯由平板毛坯冲压成形应包括的基本工序有：
冲裁（落料、成型）、拉深等，由于是多道工序，多套模具成形，还要特别注意各工序间的定位。
1.3确定工艺方案和模具形式
在冲压分析的基础上，找出工艺与模具设计的特点与难点，根据实际情况提出各种可能的冲压工艺方案，内容包括工序性质，工序数目，工序顺序及组合方式等，有时同一种冲压零件也可能存在多个可行的方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量生产效率，设备占用情况，模具制造的难易程度和模具的使用寿命的高低，生产成本，操作方便与安全程度等方面进行综合分析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案，故在一定的条件下，以最简单的方法，最快的速度，最少的劳动量，最少的费用，可靠的加工出符合图样各项要求的零件，在保证加工质量的前提下，选择经济合理的工艺方案。
确定工艺方案及模具形式：
1、根据对冲压零件的形状、尺寸、精度及表面质量要求的分析结果，确定冲压所需的基本的工序，如落料、冲孔、拉深、整形等。
2、根据初步工艺计算，确定工艺数目，如冲压次数、拉深次数等。
3、根据个工序的变形特点、质量要求等确定工序顺序。
一般可按照下列原则进行：
1）、对冲带孔的或有缺口的冲裁件，如选用简单模，一般先落料，再冲孔或切口，使用级进模，则先冲空孔或切口后落料
2）、对于到孔的拉深件，一般先拉深，后冲孔，但孔的位置在零件底部且孔径尺寸要求不高时，也可先冲孔后拉深。
3）、对于形状复杂的拉深件，为便于材料变形和流动，应先形成内部形状，再拉深外部形状。
4）、整形或校平工序，应在冲压件基本成型以后进行。
4、根据生产批量和条件（冲压加工条件和模具制造条件）确定工序组合。
生产批量大时，冲压工序应尽可能组合在一起，用复合模具；小批量生产用单工序简单模。
由于油杯冲压成形需要的多道工序完成，因此选择合理的成形工艺方案十分重要，考虑到生产批量大，应在生产合格零件的基础上尽量提高生产效率，降低生产成本。
要提高生产成本，应该尽量选择合理的工艺方案，选择复合能复合的工序，但复合程度太高，模具的结构复杂，安装调试困难，模具成本高，同时可能降低模具的强度，缩短模具寿命。
根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序，冲压该零件需要的基本工序有落料、成型、拉深。
工序的组合方案及比较
方案一：
1）落料；
2）拉深；
3）成型。
方案二：
1）落料与拉深复合；
2）成型。
方案三：
1）落料；
2）拉深与成型复合。
方案四：
1）落料、拉深与成型复合。
方案一：
复合程度较低，模具结构简单，安装、调试容易，但生产道次多，效率低，不适合大批量生产。
故很少使用。
方案二：
将落料与拉深进行复合，工序少，生产效率较高，但模具结构较复杂，安装、调试难于控制，同时模具强度较低。
方案三：
将拉深与成型复合
方案四：
复合程度最高，模具结构复杂，安装调试困难，模具成本提高，同时可能降低模具的强度，缩短模具的寿命。
根据以上四个冲压工艺方案的比较，四种冲压工艺方案各有其优点和缺点，为了提高生产率，保证模具结构简单，冲压件尺寸稳定、精度高，故在此设计中选择方案四进行冲制油杯。
2.主要工艺参数的计算
2.1落料尺寸的计算
由于板料在扎压或退火时所产生的聚合组织而使材料引起残存的方向性，反映到拉深过程中，就使桶形拉深件的口部形成明显的突耳。
此外，如果板料本身的金属结构组织不均匀、模具间隙不均匀、润滑的不均匀等等，也都会引起冲件口高低不齐的现象，因此就必需在拉深厚的零件口部和外缘进行修边处理。
这样在计算毛坯尺寸的时候就必需加上修边余量然后再进行毛坯的展开尺寸计算。
根据零件的尺寸取修边余量的值为4.6mm。
查表5—7，《冲压工艺与模具设计实用技术》
在拉深时，虽然拉深件的各部分厚度要求发生一些变化，但如果采用适当的工艺措施，则其厚度的变化量还是并不太大。
在设计工艺过程时，可以不考虑毛坯厚度的变化。
毛坯尺寸按公式
…………………………………2.1
所以
=168
2.2确定排样方案
2.2.1确定排样、裁板方案
冲裁件在板料、条料或带料上的布置方法称为排样。
排样是否合理，直接影响到材料的利用率、零件质量、生产率、模具结构与寿命及生产操作方式与安全。
因此，在冲压工艺和模具设计中，排样是一项极为重要的、技术性很强的工作。
加工此零件为大批大量生产，冲压件的材料费用约占总成本的60%~80%之多。
因此，材料利用率每提高1%，则可以使冲件的成本降低0.4%~0.5%。
在冲压工作中，节约金属和减少废料具有非常重要的意义，特别是在大批量的生产中，较好的确定冲件的形状尺寸和合理的排样的降低成本的有效措施之一。
由于材料的经济利用直接决定于冲压件的制造方法和排样方式，所以在冲压生产中，可以按工件在板料上排样的合理程度即冲制某一工件的有用面积与所用板料的总面积的百分比来作为衡量排样合理性的指标。
同时属于工艺废料的搭边对冲压工艺也有很大的作用。
通常，搭边的作用是为了补充送料是的定位误差，防止由于条料的宽度误差、送料时的步距误差以及送料歪斜误差等原因而冲出残缺的废品，从而确保冲件的切口表面质量，冲制出合格的工件。
同时，搭边还使条料保持有一定的刚度，保证条料的顺利行进，提高了生产率。
搭边值得大小要合理选取。
根据此零件的尺寸查表19.1—18，《冲压模具设计》取
搭边值为
进距方向
于是有
进距
………………………2.2
条料宽度
…………………2.3
板料规格拟用1.0mm×600mm×1200mm热轧钢板（表18.3—24，《冲压模具设计》）。
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，我们可以采用横裁。
裁板条数
条余128mm
每条个数
个余92mm
每板总个数
2.2.2材料利用率
依据（P203，《冲压工艺与模具设计实用手册》）
2.2.3计算零件的净重G
……………………………………2.4
依据（P264，《冲压工艺模具学》）
式中
—密度，低碳钢取
。
内的第一项为毛坯面积，第二项为底孔废料面积，第三项（）内为切边废料面积。
其排样如图2.1所示：
图2.1排样图
2.3计算拉深次数
在考虑拉深的变形程度时，必需保证使毛坯在变形过程中的应力既不超过材料的变形极限，同时还能充分利用材料的塑性。
也就是说，对于每道拉深工序，应在毛坯侧壁强度允许的条件下，采用最大的变形程度，即极限变形程度。
极限拉深系数值可以用理论计算的方法确定。
即使得在传力区的最大拉应力与在危险断面上的抗拉强度相等，便可求出最小拉深系数的理论值，此值即为极限拉深系数。
但在实际生产过程中，极限拉深系数值一般是在一定的拉深条件下用实验的方法得出的，我们可以通过查表来取值。
该工件拉深一个过程，因此可以计算其拉深系数来确定拉深次数。
其实际拉深系数为：
…………………………2.5
材料的相对厚度为
…………………2.6
凸缘的相对直径为
…………………………2.7
凸缘的相对高度为
……………………………2.8
由表5—21，《冲压工艺与模具设计实用手册》可以查出，
表5—22，《冲压工艺与模具设计实用手册》可以查出
8
因为凸缘的相对高度0.4444小于最大相对高度0.58，且实际拉深系数0.58大于最小极限拉深系数0.48，所以拉深过程可以一次拉深成功。
2.4拉深冲压力的计算
由于该零件为轴对称件，故不必进行压力中心的计算。
2.4.1落料过程
（1）落料力
平刃凸模落料力的计算公式为
…………………………………………2.9
依据（P175，《冲压工艺与模具设计实用手册》）
式中P—冲裁力（N）
L—冲件的周边长度（mm）
t—板料厚度（mm）
—材料的抗冲剪强度（MPa）
K—修正系数。
它与冲裁间隙、冲件形状、冲裁速度、板料厚度、润滑情况等多种因素有关。
其影响范围的最小值和最大值在（1.0～1.3）P的范围内，一般k取为1.25～1.3。
在实际应用中，抗冲剪强度
的值一般取材料抗拉强度
的0.7～0.85。
为便于估算，通常取抗冲剪强度等于该材料抗拉强度
的80%。
即
因此，该冲件的落料力的计算公式为
…………………………………………2.10
（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。
从凸模上将冲件或废料卸下来所需的力称卸料力。
影响这个力的因素较多，主要有材料力学性能、模具间隙、材料厚度、零件形状尺寸以及润滑情况等。
所以要精确地计算这些力是困难的，一般用下列经验公式计算：
卸料力
………………………………2.11
式中F——冲裁力（N）
——顶件力及卸料力系数，
其值可查（表19.1—12，《冲压模具设计》）取
为0.04。
因此
2.4.2、拉深过程
（1）拉深力
带凸缘圆筒形零件的拉深力近似计算公式为
………………………………2.12
式中
—圆筒形零件的凸模直径（mm）
—系数，查（表5—3，《冲压工艺与模具设计实用手册》）取0.8
—材料的抗拉强度（MPa）
因此
（2）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，因而会使制件拉裂，而压边圈的压力过小就会使工件的边壁或凸缘起皱，所以压边圈的压力必须适当。
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致产生显著的变薄为原则。
压边力的大小和很多因素有关，所以在实际生产中，可以根据近似的经验公式进行计算。
…………………………………2.13
依据（P328，《冲压工艺与模具设计实用手册》）
式中D—毛坯直径（mm）
d—冲件的外径（mm）
q—单位压边力（MPa）（表5—20，《冲压工艺与模具设计实用手册》）q的值取2.5。
所以
（3）顶件力
顶件力的计算公式可按下式：
=
………………………………………2.14
式中
——顶件力（N）；
——顶件力系数；查表2-8
=0.06
=
=0.06
120576
=7234.56
（4）拉深功的计算
拉深所需的功可按下式计算
……………………………2.15
依据（P45，《冲压工艺模具学》）
式中
——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
2.4.3成型过程
采用平头凸模对塑性较好的低碳钢板、软铝板进行胀形所能达到的深度h见表5-1《冲压工艺与模具》。
采用刚性凸模对平板毛胚进行胀形时所需的胀形力F按下式估算
胀形力
……………………………………2.16
=
式中L--胀形区周边长度
t--板料厚度
K–考虑变形程度大小的系数，一般取K=0.7～1
--板料抗拉强度
拉深力出现在落料力之后，因此最大冲压力出现在冲裁阶段，选用落料拉深成型复合模结构，最大冲压力为：
Fmax=F+F1+F2…………………………2.17
=219448+10972+7234
=237654N
2.5冲压设备的选择
为安全起见，防止设备的超载，对于冲裁工序，压力机的公称压力P应大于或等于冲裁时总冲压力的1.1～1.3倍。
即：
P≥（1.1～1.3）Fmax………………………2.18
取P=1.3Fmax
P=1.3Fmax
=309KN
所以可以选择吨位为630KN以上的压力机，考虑到拉深成形的行程比较大，选定压力机还应参考压力机说明书所给出的允许工作负荷曲线。
参照书末表C-1可选取公称压力为630KN的开式压力机，该压力机与模具设计的有关参数为：
表2.1
名称
量值
公称压力（10KN）
63
发生公称压力时滑块离下极点距离/mm
8
滑块行程
固定行程/mm
120
调节行程/mm
120
12
标准行程次数（不小于）/（次/min）
70
最大闭合高度/mm
固定台和可倾/mm
360
活动台位置
最低/mm
460
最高/mm
220
闭合高度调节量/mm
90
滑块中心到机身距离（喉深）/mm
260
工作台尺寸/mm
左右
710
前后
480
工作台孔尺寸/mm
左右
340
前后
180
直径
230
立柱间距离（不小于）/mm
340
模柄孔尺寸（直径x深度）/mm
Φ50x70
工作台板厚度/mm
90
3、模具设计
3.1模具结构的设计
模具结构形式的选择采用落料、拉深、成型复合模，首先要考虑落料凸模（兼拉深凹模）的壁厚是否过薄。
本次设计中凸凹模的壁厚为
………………………3.1
能够保证足够的强度，故采用复合模。
如前所述，模具设计包括模具结构形式的选择和设计，模具结构参数计算，模具图的绘制等内容。
现对落料、拉深、成型模设计步骤如下：
模具结构如图3.1所示
图3.1落料、拉深、成型复合模
1——下模座、2——螺钉、3——固定板、4—螺钉、5——导柱、6——销钉、
7——上模座、8——导套、9——销钉、10——垫板、11——凸缘模柄、
12——打杆、13——螺钉、14——螺钉、15——推件块、16——凸凹模、
17——固定卸料板、18——导料板、19——压边圈、20——落料凹模、
21——拉深凸模、22——推杆、23——销钉
如图3.1所示，送料时条料沿两个导料板18进行导料，由挡料销24定距。
开始工作时，首先由凹模20和凸凹模16完成落料，紧接着由凸模19和凸凹模进行拉深。
拉深结束后，在回程由推件块15将工件从凸凹模内推出。
压边圈19间作兼作顶板，在拉深过程中起压边作用，拉深结束后又能将工件顶起，使其脱离凸模。
当压力机的闭合高度不够时，对模具可作如下改动：
将模柄11换成凸缘式模柄，去掉垫板10；如果闭合高度仍不够，可去掉固定板，将凸模直接嵌入下模座上。
该模具采用了中间导柱模架进行导向，这是为了保证均匀的冲裁间隙，提高模具的刃模寿命，并使模具的调试简单化。
因此兼有冲裁加工的拉深模都采用模架进行导向。
落料、拉深、成型复合模比单工序模可提高生产率，但模具较复杂，装配难度也较大。
由于计算的拉深件的毛坯尺寸不一定准确，常需经试模修正，因此应在拉深件毛坯经单工序模生产验证合格之后，为提高生产率，才设计落料、拉深、成型复合模。
对于较小的拉深件，从安全考虑，新设计拉深模也可以取落料与拉深、成型复合模的方案。
在变形程度允许的条件下，可适当加大毛坯尺寸，以提高模具的可靠性。
对于非圆形拉深件，新设计模具不宜采用落料与拉深、成型复合的方案，因为其毛坯尺寸计算的可靠性更差。
除非工件的变形程度较小，允许将毛坯尺寸加大，才考虑设计落料、拉深、成型复合模。
3.2模具的闭合高度
根据以上落料、拉深和成型复合模结构图可知，模具的闭合高度hm为：
Hm=下模板厚度+上模板厚度+垫板厚度+凸凹模长度+凹模高度+凸模固定板+凸凹模进人凹模的深度
=65+50+25+40+20+70+60
=330mm
查所选设备的参数；压力机的最大的闭合高度为360mm，最小闭合高度为270mm，则模具的装模高度应该满足下式要求：
Hmax-5>hm
Hmin+10………………………3.2
即：
355>330
280
故满足设计要求。
3.3模具工作部分尺寸及公差计算
由模具结构图便知，该模具工作部分尺寸及公差计算，主要包括落料凸、凹模刃口尺寸及公差计算、拉深模和成型模工作部分尺寸的计算。
3.3.1落料凸、凹模刃口的尺寸及公差的计算：
冲裁模刃口是尖锐锋利的，多为直角，故冲裁模刃口尺寸是指冲头与凹模的直径尺寸。
由于剪切面是工具的侧面与材料接触并挤光而得到的平滑面，所以落料件的外径尺寸应等于凹模内径尺寸。
模具两刃口尺寸中总有一个基准尺寸，设计和制造模具时，可分别根据工件的精度要求，决定第一件为基准件，把间隙取在另一件上。
故落料件以凹模为基准。
模具工作部分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；精度太低，则又可能加工不出合格的产品。
因此，模具的精度应随工件的精度要求而定，这样才会有好的经济性。
一般模具精度比工件精度至少高两个级别。
对于落料
……………………3.3
…………………3.4
依据（P22，《冲压工艺模具学》）
式中
—落料凸模直径（mm）
—落料凹模直径（mm）
D—工件外径的公称尺寸（mm）
—冲裁工件要求的公差
X—系数，为避免多数冲裁件尺寸都偏向于极限尺寸，此处可取X=0.5。
、
—凹、凸模制造偏差,查表其值分别为+0.040、-0.030
（表2-7，《冷冲模设计》）
—实用间隙最小值，可以通过查表1—2，《冲压工艺模具学》
选取
所落下的料（即为拉深的坯料）按未注公差的自由尺寸IT14级选取极限偏差，故落料件的尺寸取为
，还必须满足下列公式
……………………3.5
依据（P22，《冲压工艺模具学》）
有
所以满足条件。
…………………………3.6
…………………3.7
3.3.2拉深凸、凹模刃口的尺寸及公差的计算
由式
……………………………3.8
……………………3.9
依据（P54，《冲压工艺模具学》）
以上各式中，查表可知
分别为+0.025、-0.035。
间隙C查表（表2—10，《冲压工艺模具学》）
有
…………………………3.10
4、冲模零件的设计
4.1落料凹模的设计
4.1.1凹模的尺寸计算
凹模工作部分的尺寸计算，参见前面的主要工艺参数的计算。
其他部分结构寸的计算如下：
（1）凹模壁厚C
凹模壁厚C是指凹模刃口到凹模外边缘的最短距离。
凹模壁厚将直接影响凹模板的外形尺寸，即长度与宽度（LxB）。
故在设计过程中应选择合适的凹模壁厚C。
凹模壁厚C值主要考虑布置连接螺钉孔和销钉孔的需要，同时也能保证凹模强度和刚度，在选择凹模壁厚时，还应注意以下几点：
工件落料时取表中较小值，反之取较大值；型孔为圆弧时取小值、为直边时取中值、为尖角时取大值；当设计标准模具或虽然设计非标准模具，但凹模板毛坯需要外购时，应将计算的凹模外形尺寸LXB按模具国家标准中凹模板的系列尺寸进行修正，取较大规格的尺寸。
所以根据以上的要求查表9-6得零件毛坯直径为Φ168，板料厚度为1mm的凹模壁厚C为45mm。
（2）凹模厚度H
凹模板的厚度H主要不是从强度需要考虑的，而是从连接螺钉旋入深度与凹模刚度的需要考虑的。
凹模板的厚度一般应不小于10mm，特别小型的模具可取8mm。
随着凹模板外形尺寸的增大，凹模板的厚度也应相应的增大。
整体凹模板的厚度可按如下的经验公式估算：
H=K1xK2x（0.1F）1/3…………………………4.1
式中F——冲裁力（N）；在前面计算冲裁力得：
F=219448N；
K1——凹模材料修正系数，合金工具钢K1=1，碳素工具钢K1=1.3；该凹模的材料为T12，故取K1=1.3；
K2——凹模刃口周边长度修正系数，见表2-18凹模厚度按刃口长度修正系数K2可得：
K2=1.37；
把K1=1.3；K2=1.37；F=219448N；代入H=K1xK2x（0.1F）1/3
可得
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