宽缘圆筒件冲压工艺与模具设计.docx

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宽缘圆筒件冲压工艺与模具设计

宽缘圆筒件冲压工艺与模具设计

专业：

材料成型及控制工程

班级：

2

姓名：

引言3

1文献综述5

1.1冲压工艺发展概况5

1.2模具工业发展概况6

1.3实例分析9

2方案论证14

2.1冲压工艺分析14

2.2冲压工艺方案论证15

3工艺计算16

3.1排样及材料利用率计算16

3.2半成品计算16

4落料拉深模具设计18

4.1模具结构设计18

4.2工作零件尺寸设计18

4.3力能计算及设备选择21

5切边模具设计26

5.1模具结构设计26

5.2工作零件尺寸设计27

5.3力能计算及设备选择28

6弯曲模具设计30

6.1模具结构设计30

6.2工作零件尺寸设计31

6.3弯曲力计算32

6.4冲压设备的选择33

7冲压件成本分析34

7.1成本项目分析34

7.2降低冲压件成本的主要途径35

7.3单价材料成本计算36

8三维建模研究37

8.1SolidWorks2008新功能简介37

8.2工件三维建模38

8.3弯曲模垫板三维建模39

8.4弯曲模凸模三维建模40

结论41

致谢42

参考文献43

摘要

冲压工艺是金属塑性成型的基本方法之一，它是利用冲模在冲床上对金属（或非金属）板料施加压力使其分离或变形，从而得到具有一定形状,并且满足一定使用要求的零件的加工方法。

本文是关于宽缘圆筒件的冲压工艺与模具设计。

该工件所用材料是08钢。

工件尺寸和精度要求符合冲压工艺要求，利用一般冲压工序即可。

本论文分析了08钢拉深件的成型工艺，计算了拉深件的毛坯形状尺寸和拉深次数，并在此基础上确定了合理的冲压工序，分为三道工序，分别为：

工序一落料和拉深，工序二切边，工序三弯曲。

此方案的特点是模具结构简单，制造成本低，操作方便，并且尺寸和精度能够达到要求，具有良好的性价比。

工件采用曲柄压力机进行冲压。

本文进行冲压工艺设计，并且进行了多道工序模具设计，阐述了模具设计方法和步骤，同时进行了模具主要零部件的设计以及模具成本分析。

关键词：

冲压；复合模；模具结构；工艺分析

Abstract

Stampingisoneofthefundamentalmethodsaboutmetalplasticmoldingwhichisthroughpressuredieinthebedofmetal（ornon-metallic）sheetputpressurefortheseparationordeformation,sothatcanbemadeacertainshape,andtomeetcertainrequirementstousepartsoftheprocessingmethods.

Thispaperisaboutthewideedgeofaroundshellstampingprocessanddiedesign.Theworkpiecematerialis08steel.Workpiecesizeandaccuracyofstampingprocess,fuifilgeneralstampingprocess.InthispaperIanalyzedthe08piecesofsteeldeepmoldingprocess,thecalculationoftheDeeproughshapeandsizeandDrawingnumber,andonthatbasisIdeterminedareasonablestampingprocesses,dividedintothreeprocessesofablankingprocessanddrawing,secondaryTrimmingandbending.Thecharacteristicsofthisprogramissimplemold,low-costmanufacture,easyoperation,thesizeandaccuracyiseasyfitforthestamdand.

Theworkpieceisstampedbycrankpress.Thispaperisaboutstampingprocessdesign,andamulti-channelprocessesmoldweredesigned,elaboratedmolddesignmethodsandsteps,meanwhilethemajorcomponentsofmolddieweredesignedandcostanalysis.

Keywords:

Stamping;Compositemolding;Diestructure;Technicalanalysis.

引言

本文是进行宽缘圆筒件的冲压成形工艺及其模具设计。

工件如图1所示：

图1工件图

冲压是一种金属塑性加工方法，利用冲模在压力机上对板料施加压力使其产生塑性变形或分离，以获得具有一定形状和尺寸的零件。

冲压加工要求被加工材料具有较高的塑性和韧性，较低的屈强比和时效敏感性，一般要求碳素钢伸长率δ≥16%、屈强比σs/σb≤70%，低合金高强度钢δ≥14%、σs/σb≤80%。

否则，冲压成形性能较差，工艺上必须采取一定的措施。

模具是冲压加工的主要工艺装备。

冲压件的表面质量、尺寸公差、生产率以及经济效益等与模具结构及其合理设计的关系很大。

冲压模具按照冲压工序的组合方式不同分为：

单工序的简单模、多工序的连续模和复合模。

冲压设备主要有机械压力机和液压机。

在大批量生产中，应尽量选用高速压力机或多工位自动压力机；在小批量生产中，尤其是大型厚板冲压件的生产中，多采用液压机。

模具与压力机是决定冲压质量、精度和生产效率的两个关键因素。

先进的压力机只有配备先进的模具，才能充分发挥作用，取得良好效益。

冲压工艺与模具设计技术是一门从事现代塑性加工所必须掌握的重要内容，该技术的理论性和实用性均很强。

通过此次设计可以解决同类件的冲压问题。

鉴于以上所述的冲压三要素，该设计应详细论述宽缘圆筒件的成形工艺特点、所采用的模具结构、冲压加工的具体方法及选用何种性能的压力机。

1文献综述

1.1冲压工艺概述

冲压加工是借助于常规或专用冲压设备的动力，使板料在模具里直接受到变形力并进行变形，从而获得一定形状,尺寸和性能的产品零件的生产技术。

板料，模具和设备是冲压加工的三要素。

冲压加工是一种金属冷变形加工方法。

所以，被称之为冷冲压或板料冲压，简称冲压。

它是金属塑性加工（或压力加工）的主要方法之一，也隶属于材料成型工程技术。

冲压工艺是制造业中最常用的一种材料成形加工方法，且在现代汽车、拖拉机、电机、电器、仪表以及飞机、导弹、炮弹和各种民用轻工等行业中已成为主要的生产工艺之一。

1.1.1冲压加工的优点

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[1]。

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。

（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。

1.1.2冲压加工的缺点

冲压加工也有其不足之处，主要缺点为[1]：

（1）需要有专用的模具，其制造周期长、费用高。

因此，在生产批量小时，经济上不合适。

（2）需要制作精度较高、相适应于冲压工艺要求（满足相应的应力状态、符合一定的变形要求）的模具，因此，有时不能制造出精度要求极高的零件。

此外冲压加工时产生噪音和振动两种公害，且操作者的安全事故时有发生。

1.2模具工业发展概述

1.2.1我国模具工业的现状

模具作为提高生产率，减少材料和消耗，降低产品成本，提高产品质量和市场竞争力的重要手段，已越来越受到各工业部门的重视。

随着工业技术不断向前发展，要求模具在更苛刻、更高速度的工作条件下，对模具的精度越来越高，使用寿命越来越长。

为了满足这些要求，国内外都在模具材料的研究和开发上作了巨大的努力，也在这方面取得了不少成果。

模具生产技术的高低，以成为衡量一个国家产品的制造水平的重要标志。

我国已成为世界上净出口模具最多的国家。

目前，国内外模具工业发展很快，其产值已超过机床工业的产值。

我国模具工业作为一个独立的、新型的工业，正处于飞速发展阶段，已成为国民经济的基础工业之一，其发展前景十分广阔。

1.2.1冲模

大型冲模覆盖件模具为代表。

我国已能生产部分轿车覆盖件模具。

如东风汽车公司冲模厂，已设计制造了富康轿车部分内覆盖件模具。

一汽模具中心生产了捷达王轿车外覆盖件模具。

轿车覆盖件模具，具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点。

可代表覆盖件模具的水平。

在设计制造方法，手段上面已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步。

但在制造质量、精度、制造周期和成本方面，与国外相比还存在一定的差距。

标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种。

有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动叠片多功能模具，已达到国际水平。

其他如48、54、68条腿集成电路柜架多工工位级进模、电子枪硬质合金多工进级进模、别克轿车安全带座式工位级进模、空调器散热片多工位级进模，均达到国外同类产品水平[2]。

但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，仍存在一定差距。

1.2.2压铸模

汽车和摩托车工业的快速发展，推动了压模生产的发展。

汽车发动机缸罩、盖板、变速器壳体和摩托车发动机缸机、齿轮箱壳体、制动器、轮毂等铝合金铸件模具以及自动扶梯级压铸模等，我国均已能生产。

技术水平有所提高，使汽车、摩托车上配套的铝合金压铸模大部分实现了国产化。

在模具设计时，注意解决热平衡问题，合理确定浇注系统和冷动系统，并根据制作要求，采用了液压轴芯和二次增压等结构。

总体水平有了较大提高。

压铸模制造精度可达0.02-0.05mm（国外为0.01-0.03mm），型腔表面粗糙度为Ra0.4-0.2μm（国外为Ra0.02-0.01μm），模具制造周期为中小型的3-4个月，中等复杂的4-8个月，大型的8-12个月，约为国外的1倍。

模具寿命：

铝合金铸件模具一般为4-8万次，个别可超过10万次，国外可达8-15万次以上[3]。

1.2.3模具制造的相关技术

模具制造的相关技术与工艺的发展，对模具水平的提高起到了重要作用。

模具抛光技术引起重视，机械磨抛光、超声波抛光、电化学抛光及述几种方法的复合抛光，已开发出专用机械，专用工具，得到广泛的应用。

挤压珩磨抛光已用应用。

但面不广，大型高效自动抛光专用设备有待开发。

模具花纹的蚀刻技术，工艺水平提高较快，能制作各类模具的装饰纹，且仿真性越来越好。

模具强化技术进一步发展。

除原来已推广的电火花强化机外，又开发了电刷镀强化设备。

模具修复技术也有了进步。

除电刷镀修复模具外，又引进和开发了多种脉冲焊接机，修复效果较好。

1.2.4我国模具技术的发展趋势

当前，我国工业生产的特点是产品品种多、更新快和市场竞争激烈。

在这种情况下，用户对模具制造的要求是交货期短、精度高、质理好、价格低。

因此，模具工业的发展的趋势是非常明显的[4]。

1.模具产品发展将大型化、精密化

模具产品成形零件的日渐大型化，以及由于高效率生产要求的一模多腔（如塑封模已达到一模几百腔）使模具日趋大型化。

随着零件微型化，以及模具结构发展的要求（如多工位级进模工位数的增加，其步距精度的提高）精密模具精度已由原来的5μm提高到2～3μm，今后有些模具加工精度公差要求在1μm以下，这就要求发展超精加工。

2.多功能复合模具将进一步发展

新型多功能复合具是在多工位级进模基础上开发出来的。

一套多功能模具除了冲压成形零件外，还可担负转位、叠压、攻丝、铆接、锁紧等组装任务。

通过这种多劝能模具生产出来的不再是单个零件，而是成批的组件

3.模具标准件的应用将日渐广泛使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本。

因此，模具标准件的应用必将日渐广泛。

4.模具使用优质材料及应用先进的表面处理技术将进一步受重视。

5.在模具设计制造中将全面推CAD/CAM/CAE技术。

6.模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展。

1.3实例分析

1.3.1高正方形盒形件拉深工艺分析及模具结构设计[5]

高正方形盒形件可以看成由直边部分及圆角部分组成。

盒形件拉深变形时，圆角部分近似圆筒形件的拉深，直边部分近似板料弯曲。

因此盒形件的拉深成形是圆角部分拉深和直边部分弯曲两种变形方式的复合。

高正方形盒形件拉深工艺计算：

盒形件拉深过程的应力和变形比较复杂，沿周边也是不均匀分布的，其不均匀度随相对高度及角部的相对圆角半径的大小而变化，这两个比值决定了圆角部分材零件侧壁转移的程度及侧壁高度的增补量，所以盒形件毛坯尺寸及其工序尺寸的计算比普通拉深件复杂得多，其计算步骤如下:

由相对圆角半径r角/B=3/19=0.16及对高度拉深工艺。

画出落料、四次拉深工序图如图2所示。

按计算毛坯剪料，在模具上试制拉深件，根据拉深件是否破裂或发生材料堆聚，修整毛坯尺寸，直到获得合格的拉深件。

经过调试确定最后的毛坯尺寸再制造模具。

图2高正方形盒形件多次拉深工序图

1.3.2车门外板定冲压成形工艺分析及工艺确定[3]

车门外板产品质量要求制件外观光顺平滑，不允许有波纹、皱纹，凹陷、拉痕以及其它破坏表面美感的缺陷。

制件的装饰棱线，要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀，与相邻覆盖件的装饰棱线衔接处应吻合，不允许参差不齐。

车门内外板组装时窗口翻边吻合，表面挺括，刚性好。

车门外板两面棱线、筋条等，只能在拉深工序中形成，否则很难保证其几何形状的一致性和表面光滑。

车门外板拉深件工艺制定的合理性，是保证其表面质量、增强刚性的关键。

确定冲压成形工艺主要内容包括:

冲压方向、送料方向、成形面工艺补充、压料面、拉深件的侧壁形状、工艺圆角、拉深筋等。

1.3.2.1车门外板成形工艺分析

车门外板是一种平坦浅拉深件。

由于外观表面质量要求高，因此要求对变形材料进行充分成形，才能拉制出光滑并具有刚性的零件。

如果冲压件变形不充分，导致贴模度很差，成形后在零件表面上残留着鼓包和皱折。

某些部位刚性较差，受振动后就会产生空洞声。

并造成制件的早期损坏。

通常汽车表面件拉深时既有曲面形状的内部胀形和外周拉深的复合变形特点，也有变形沿零件的周边分布不均匀的特点。

应综合考虑这几方面因素的相互关系和影响，并根据零件几何形状的特点予以灵活地运用。

由于车门外板的表面曲率小，其拉深变形所需的径向拉应力的数值如果不大，零件在模具内的形状在出模后不能保持下来，即回弹变形大，或者说根本不能紧密地贴模.靠调整毛坯的尺寸或者增大压边力，以达到产生较大且均匀的径向拉应力的方法是可行的，但不经济。

在这种情况下，能够保证得到比较均匀并符合要求的径向拉应力的有效措施，是采用拉深筋或拉深槛。

加强拉深筋的作用，基本上不使毛坯的周边产生拉深变形，而主要由毛坯的中间部分的胀形机理使毛坯成形。

毛坯受力状态下的形状在出模卸载后仍可保留，所以成形精度高。

车门外板在成形时，凸模表面与毛坯以大表面接触，由于平面上的拉应力很低，材料得不到充分的塑性变形，这使材料变形不足，对增强制件的刚性不利。

车门外板的装饰线有利于提高冲压件表面的刚性，但不利于美观;流行的车门外板表面是平坦的，或是带有浅形的装饰线，这使制件变形不充分，容易造成制件中部塌陷凹坑的产生。

1.3.2.2.车门外板总体工艺方案确定

冲压工艺的制定应以消除和防止冲压缺陷产生为目标，同时考虑工装制造能力、生产水平、工装制造周期、投资成本、生产设备及冲压生产的场地条件等。

依据车门外板冲压件使用要求及实际生产情况，确定车门外板的工序:

拉深一修边、整形一翻边、冲孔。

1.3.3车门外板成形工艺关键技术

1.3.3.1压料面的确定

设置压料面是为了使板料受到预压力，从而使板料拉深时增加拉应力，以改善拉深条件。

合理的压料而不仅能保证拉入压料面的材料不起皱，还可以保证拉入凹模的材料不起皱和不破裂。

设置车门外板拉深模的压料面时，要使拉深的深度均匀，尽量做到凸模相对两侧的拉入角相等，凸模开始与毛坯接触状态应平稳（尽量使接触的部位在中间，接触面积大，接触点多），这样才能保证各部分进料阻力均匀。

另外，压料面的形状应保证凹模内的毛坯产生一定程度的胀形变形，否则，会使拉入凹模内多余材料无法延展，要做到这一点，必须保证在拉深过程中侮一个阶段的压料面展开长度比凸模断面的展开长度短。

车门外板周边的翻边是用翻边工序完成的，在拉深时周边应展开。

周边展开后应延伸作为压边工艺余料，使压边圈和凹模表面成为一个形状简单的曲面，保证当压边圈压料时，板料毛坯产生的变形尽量简单，不致出现皱折或过度的伸长变形等缺陷。

车门外板成形的压料面四周平缓，保证毛坯被压紧时，毛坯不产生局部起伏、折棱和皱褶。

1.3.3.2工艺圆角确定

工艺圆角是覆盖件成形模具的重要工艺参数，是获得产品最终形状的定形点，也是材料流动的受力点。

工艺圆角是广意的，即包括凸模圆角、凹模圆角、压边筋圆角;也凡指工艺补充形面中的各类圆角。

它连接拉深件侧壁，压料面及工艺补充形面。

当凸模圆角半径过小时，拉深件毛坯的直壁部分与底部过渡区的弯曲变形加大，使危险断面的强度受到削弱。

当凹模圆角半径过小时，毛坯侧壁传力区的拉应力相应增大，加速凹模表面的磨损，引起磨擦阻力的增加，造成制件表面拉毛。

这两种情况都会使板料的变形阻力增加，从而引起拉深力的增大和模具寿命的降低。

若凸模和凹模圆角半径过大，则板料变形阻力小，金属流动性好，但也会相应减小压边的有效面积，使制件容易起皱。

车门外板冲压件在拉深时，各工艺圆角半径通常不应小于5mm。

2方案论证

2.1冲压工艺分析

冲压件的工艺性，是指冲压件对冲压工艺的适应性，即冲压件的结构、形状，尺寸及公式差等技术要求是否符合冲压加工的工艺要求。

工艺性是否合理，对冲压件的质量、模具寿命和生产率有很大的影响。

如下图3所示，宽缘圆筒件冲压工艺过程主要由落料、拉深、切边、弯曲等工序组成。

（a）

（b）

（c）

图3冲压工序

（a）落料与拉深（b）切边（c）弯曲

制造工艺时，首先应仔细了解零件的使用条件和技术要求，并进行工艺分析。

外壳采用2mm厚的钢板冲成，保证了足够的刚度和强度。

该零件形状属旋转体，是一般带凸缘圆筒件，且d凸/d,h/d都比较合适，拉深工艺性较好。

2.2冲压工艺方案论证

确定工序的步骤：

方案一：

（1）落料

（2）拉深（3）切边（4）弯曲

方案二：

（1）落料拉深

（2）切边（3）弯曲

方案一的特点：

模具结构简单，但多一套模具和一道工序。

方案二的特点：

采用落料拉深复合，省一套模具和一道工序，但模具结

构复杂。

该工件采用方案二，此方案符合工件的工艺要求,且落料与拉深复合,提高了生产率,制造费用低。

3工艺计算

3.1排样及材料利用率计算[6]

这里毛坯直径为∮260，考虑到操作方便，采用单排。

由表2-27查得搭边数值：

a=2.5,a1=2.0

进距：

S=D+a1=（260+2.0）mm=262mm

条料宽度b=D+2a=（260+2×2.5）mm=265mm

板料规格拟选用:

2×1400×3500

采用纵裁：

裁板条数n1=B/b=1400mm/265mm=5条

每条个数n2=（L-a1）/S=（3500-2）mm/262mm=13个

每板总个数n=n1×n2=5×13=65个

板的材料利用率：

η总=nA1/LB×100%=65×35555.2/1400×3500×100%=47%

采用横裁：

裁板条数n1=L/b=3500mm/265mm=13条

每条个数n2=（B-a1）/S=（1400-2）mm/262mm=5个

每板总个数n=n1×n2=13×5=65个

板的材料利用率：

η总=nA1/LB×100%=65×35555.2/1400×3500×100%=47%

式中：

A1为一个冲裁件的实际面积，B为板料宽度，L为板料长度。

可见，采用纵裁和横裁的材料利用率相同，此处采用横裁。

3.2半成品尺寸计算

该零件底部Ø92区段的成形，可一次拉深成形。

弯曲前的半成品形状和尺寸如图4所示：

图4工件半成品

d=92mmd凸=222mmh=20mm

因为d凸/d=222/92=2.41＞1.4，属于宽凸缘筒形拉伸件。

由表1-3-5[7]查得修边余量为3.8，所以d凸=（222+3.8×2）mm=229.6mm,取d凸=230mm。

故d凸=230/92=2.5。

由表面积相等原理列等式为：

π×1.11×1.11+2×π×0.92×0.2=π×R×R得R=126.50mm,坯料直径取为D=260mm。

t/D×100=（2/260）mm×100=0.77

由表1-3-13[7]查得第一次拉深允许的最大相对高度h1/d1之值为h1/d1=0.27，零件的相对高度h/d=20mm/90mm=0.22。

因为h1/d1＞h/d，则可以一次拉出来[7]。

4落料拉深模具设计

4.1模具结构设计

根据确定的工艺方案和零件的形状特点，精度要求，所选设备的主要技术参数，模具制造条件等选定其冲模的类型及结构形式。

讨论第一次工序所用的落料和拉深复和模的设计要点，其余各工序所用模具的设计与此相似。

只有当拉深件高度较高时，才有可能采用落料拉深复合模。

若落料凸模（兼凹模）的壁厚过薄，强度不足。

本例凸凹模能保证足够强度，故采用复合模是合理的。

落料拉深复合模的典型结构：

落料采用正装式，拉深采用倒装式。

模座下的缓冲器兼作压边与顶件装置。

该结构的优点是操作方便，生产率高，缺点是弹性卸料装置使模具结构较复杂与庞大，特别是拉深深度大，料厚，卸料力大的情况需要较多较长的弹簧。

所以它适用于拉深深度不太大，材料较薄的情况。

为了简化上模部分，可采用刚性卸料板，但其特点是拉深件留在刚性卸料板内，不易出件，带来操作上的不便，影响生产率。

这种结构适用于拉深深度较大，材料较厚的情况[8]。

4.2工作零件尺寸设计

4.2.1计算凸、凹模的刃口尺寸

表1凸凹模间隙[9]单位（㎜）

材料

厚度

08，10，35

09Mn,Q235

16Mn

40,50

65Mn

Zmin

Zmax

Zmin

Zmax

Zmin

Zmax

Zmin

Zma