前灯反光碗的冲压工艺及模具设计.docx

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前灯反光碗的冲压工艺及模具设计

1 前言

作为一名即将毕业的机械专业学生来说，4 年专业知识的学习，为以后从事机

械设计打下了基础。

同时在学校时了解模具的相关设计、模具行业的发展趋势也是

很有必要的,它有助于我们把握自己将来从事机械行业的发展方向，不断提高自己的

专业素养。

近年中国经济高速增长。

各行各业高速发展，带动了模具市场的持续高速发展。

模具市场中最大的板块是汽车。

汽车工业经历了 2002 年和 2003 年连续两年“井喷

式”发展之后，2004 年产量和销售量分别增长 14.11%和 15.5%，发展仍很快，模具

市场中第二大板块是电子及信息产业。

该产业今年来一直高速运营，年增长率达 20%以

上。

中国的玩具、自行车、微波炉分别占全世界市场份额的 70%、60%和 50%。

中国

的影印机、个人电脑、电视机和空调器分别占全世界市场份额的 2/3、2/5 和 1/3。

冰箱也已占了 20%。

这些产品制造业都是模具的大用户。

在此形势之下，中国的模

具工业高速发展是必然所趋。

中国的经济连续保持 8%的增长率，其中很大一部分是

制造业的带动发展。

世界上任何一个发达国家的经济都是靠制造业来支撑的，美国

的通用、福特、摩托罗拉，德国的大众、西门子，日本的松下、索尼……这都是世

界知名企业，而这些知名企业背后也带动了这些国家的经济发展，所以这些国家的

经济实力一直处于相当有竞争力的地位。

模具在制造业中发挥的作用越来越明显，

他拥有其他加工制造无法比拟的优越性。

1.1 我国冲压模具市场的发展趋势

世界模具市场供不应求，市场需求量维持在 600 亿到 650 亿美元。

同时为我国

的模具市场发展提供了全所未有的机遇，“十二五”期间，我国模具业将进一步调整

结构，开拓市场，苦练内功，提升水平，使中国模具业在整体上再上一个新的台阶，

而这并不是模具业“一家之事”。

模具业与其他行业的发展可以用唇齿相依来形容，

因而模具业整体水平的提升与相关行业的发展息息相关。

目前中国模具产品主要还

是以中低档为主，技术含量较低，高中档模具多数要依靠进口，其中一个原因就是

因相关行业缺失核心技术。

如在 IC 封装模具业难以高起点发展。

因而，在 IT 业、

汽车业带动模具产品需求增长的同时，提升在 IT 业、汽车业的整体实是双赢所不可

或缺的。

中国的模具业虽然有了长足的发展，取得了巨大的进步，，但在模具业的下

游配套环节中，加工设备大都依靠进口，而机床就是一薄弱环节。

据罗百辉了解，

2004 年进口加工设备中机床约 60 亿美元，而其中模具业应用机床占据了大部分，

这也反应国内在这一领域还待加油。

2009 年受金融危机影响，模具发展受阻，全年

模具总销售额接近 1000 亿元，比 2008 年略有增长。

经历了一年多金融危机之后，

- 1 -

模具工业发展趋势主要模具产品向着更大型、更精密、更复杂及跟经济快捷的方向

发展。

伴随着产品技术含量的不断提高，模具生产向着信息化、数字化、无图化、

精细化、自动化方面发展；模具企业向着技术集成化、产品品牌化、治理信息化、

经营国际化方向发展。

我国模具工业正进入重要发展时期。

汽车制造业发展，促使

模具市场不断扩大，国外用户到我国采购模具数量不断增加，国际模具制造逐渐向

我国内地转移趋势十分明显。

模具城建设加速产业升级，实力国际地位有了明显提

高，模具产品呈现出快速发展态势，进入产业升级“要害阶段”，模具企业所有制

开始转变为以民营为主，企业所在地开始向广东、浙江、江苏、上海、山东等市场

经济发展较早的地区集中。

生产能力方面全面提升，从产品水平上来说，为 B 级及

以下档次轿车及其他乘用车商务车等配套全套模具，微电子行业配套精度达到

2µm，寿命达 2 亿次以上精密高速多工位级进模，单套模具重量超过 100 吨巨型模具，

长达 6 米大型多工位级进模，导光板模具、光盘模具、生物芯片模具等许多高水平

模具已都能生产。

1.2 模具的发展趋势

用信息技术带动提升模具制造业水平，推动模具工业技术进步要害环节。

CAD/CAE/CAM 技术模具工业应用，快速原型技术的应用，是模具设计制造技术发生

了重大变革。

许多新领域、新兴产业、新制件个性化要求也会对模具不断提出新要

求，模具向着新材料、新工艺、新技术、网络化、信息化、低碳化方向发展，罗百

辉（罗百辉,70 年代人,出生湖南衡阳,企博网优秀职业博客,价值中国首届最具影响

力专家百强,模具专家论坛版主,多家工业媒体专家顾问,清华大学盛景商学院 MBA,

制造业资深职业经理人，国际模协秘书长）表示，模具行业将积极优化产品设计，

节约用材，如空橡塑制品通过优化设计壁厚控制，以及鼓励国产机械相关企业加大

节能降耗产品的开发，使橡塑业可持续发展。

科技软件应用方面发展趋势业不断深

化，例如 CAD/CAE 一体化，软件集成化、智能化、网络化、计算进仿真模拟技术进

一步发展三维设计全面推广应用，高速 与超高速加工、精与超精细微加工复合加工

及五轴加工等。

现在是多品种、少批量生产的时代，到下一十个世纪，这种生产方式占工业生

产的比例将达 75%以上。

一方面是制品使用周期短，品种更新快，另一方面制品的

花样变化频繁，均要求模具的生产周期越快越好。

因此，开发快速经济模具越来越

引起人们的重视。

例如，研制 各种超塑性材料（环氧、聚脂等）制作或其中填充金属

粉末、玻璃纤维等的简易模具；中、低熔点合金模具、喷涂成型模具、快速电铸模、

陶瓷型精铸模、陶瓷型吸塑模、叠层模及快速 原型制造模具等快速经济模具将进一

步发展。

快换模架、快换冲头等也将日益发展。

另外， 采用计算机控制和机械手操

作的快速换模装置、快速试模技术也会得到发展和提高。

- 2 -

1.3 模具标准化应用日益广泛

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。

为此，首先要制订统一的国家标准，

并严格按标准生产；其次要逐步形成规模生产，提高标准件质量、降低成本；再次

是要进一步增加标准件规格品种，发展和完善联销网，保证供货迅速。

随着国际交

往的增多、进口模具国产化工作的发展以及三资企业对其配套模具的国际标准要求

的提出，一方面在标准制订方面注意了尽量采纳国际标准或国外先进国家标准，包

括采纳先进企业的标准；另一方面许多模具标准件生产企业根据市场需要，除按中

国标准生产模具标准件外，同时也按国外先进企业的标准生产模具标准件。

例如日

本“富特巴”、美国“DME”、德国“哈斯考”等公司的标准已在中国广为流行。

由于中国模具标准化工作起步较晚，模具标准件生产、销售、推广和应用工作

也比较落后，因此，模具标准件品种规格少、供应不及时、配套性差等问题长期存

在，从而使模具标准件使用覆盖率一直较低。

近年来虽然由于外资企业的介入，比

例已有较大提高，但总的来说还很低。

1.4 CAD/CAE/CAM 技术在模具设计制造方面应用越来越广泛

（1）模具 CAD/CAM/CAE 技术是模具技术发展的一个重要里程碑。

实践证明，模

具 CAD/CAM/CAE 技术是模具设计制造的发展方向。

现在，全面普及 CAD/CAM/CAE 技

术已基本成熟。

由于模具 CAD/CAM 技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年

来模具 CAD/CAM 技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，特

别是微机的普及应用，更为广大模具企业普及模具 CAD/CAM 技术创造了良好的条件。

随着微机软件的发展和进步，技术培训工作也日趋简化。

在普及推广模具 CAD/CAM

技术的过程中，应抓住机遇，重点扶持国产模具软件的开发 和应用。

（2）加大技术培训和技术服务的力度。

应进一步扩大 CAE 技术的应用范围。

对

于已普及了模具 CAD/CAM 技术的一批以家电行业代表的企业来说，应积极做好模具

CAD/CAM 技术的深化应用工作，即开展企业信息化工程，可从 CAPP,PDM，CIMS,VR

逐步深化和提高。

（3）随着我国低成本人力资源难以为继和科学技术水平的不断发展，自动化和

智能化制造必然要成为现代制造业的重要发展方向，智能模具也必将随之快速发展。

用智能模具生产产品可使产品质量和生产效率进一步提高，更加节材、实现自动化

生产和绿色制造。

　　因此，智能模具虽然目前总量还不多，但却代表着模具技术新的发展方向，在

行业产品结构调整和发展方式转变方面将会起到越来越重要的作用。

- 3 -

2 反光碗冲压工艺方案设计

前灯灯反光碗，是在夜间行车时，将前车灯汇聚的光线反射出去的装置，呈抛物面

状，集中光线反射可以使光线更亮，照射的距离更远，这些功能都是通过反光碗来

实现的。

数据：

依照下图给出的零件图纸参数。

材料：

紫铜；板厚：

0.3mm

2.1 冲裁件的工艺分析

工件的工艺性是指工件对冲压加工工艺的适应性，它是从冲压加工角度对

产品设计提出的工艺要求。

工艺分析就是要判断产品在技术上能否保质，保量

地稳定生产，在经济上是否有效益。

因此，冲压工艺就是对产品的冲压工艺方

案进行技术和经济的可行性分析。

良好的工艺性体现在材料消耗少，工序数目

少，模具结构简单而寿命长，产品质量稳定，操作简单方便。

紫铜具有良好的延伸性，适合冲压和拉深，可以进行批量生产。

尺寸精度：

零件图上口径 Ф750.4 -0.0，口径尺寸完全可以由模具的尺寸公差

和选择合理的间隙值来保证。

高度尺寸 6 和高度尺寸 220.0 -0.3 为关联尺寸可以在

翻边时加以适

当调整来保证高度公差。

其他的尺寸 Ф20 和 Ф70 未标注尺寸偏差，为自由尺

寸，IT14 级处理，查阅《互换性与测量技术》公差表得到：

Ф200-

- 4 -

经退火的毛毛坯材料

极限翻边系数

Kt

Klmin

白铁皮

0.70

0.65

黄铜 H62，t=0.5-0.6mm

0.68

0.62

铝 t=0.5-5

0.70

0.64

硬铝合金

0.89

0.80

0.25，Ф700.74 0.00

工件的结构形状分析：

根据所给的零件图可以大体确定，此零件的完成需要经

过落料、拉深、冲孔、翻边四道，表面质量要求不高，前道工序须为后工序留足够

的余量，本方案材料为紫铜厚度 0.3mm，较薄，拉深高度为 19.12mm,属于浅拉深，

可以一次性拉深成型。

翻边（孔）的主要变形是变形区内材料受切向和径向拉伸，愈接近预冲孔边缘

变形愈大，因此翻孔的失败往往是边缘拉裂，但拉裂与否取决于拉深变形的大小，

翻孔的变形程度，一般用坯料的预冲孔直径 d0 与翻孔后的平均直径 D 的比值 K,称为

翻孔系数

K= d0 /D（2-Ⅰ）

平板预冲孔直径 d,可以近似地按照弯曲展开尺寸计算

预冲孔直径

d0 =D-2（h-0.43r-0.72δ）（2-Ⅱ）

根据零件图的几何计算翻孔高度 h=2.87mm，D=20mm

则 d0 =所以 K=2O-2（2.78-0.43×1-0.72×0.3）=15.55mm

K=15.55/20=0.78

表（1-1）金属材料的极限翻边系数

翻孔示意如图 1-1

- 5 -

d0

r

D

图（2-1）

查金属材料的极限翻边系数表 Kt=0.68,0.78＞0.68,所以可以进行翻边，翻孔时

不会出现拉裂现象

另外翻边高度不高，翻边后端面不会因材料轧制方向性而产生凸耳，只有微小

的凸耳，并且高度未标注尺寸 IT14=0.36，可以达到此精度。

拉深是将板料拉深成带有筒状的零件的过程，由于板料的各向异性和模具间隙

的不均匀性等因素的影响，拉深后的零件边缘不整齐，甚至出现凸耳，需在拉深后

进行修边。

拉深最常见的缺陷就是拉裂，即在拉深过程中板料变薄的最激烈处。

若

径向力大于板料的抗拉强度 δb，便会在此处产生拉裂。

能否进行拉深成形的影响

因素是拉深系数，在拉伸系数大于极限拉伸系数时不会出现拉裂现象。

对于零件中

要求的抛物面与一般的拉深不同，可根据相对深度进行判断能否一次拉深成形，相

对深度

H=h/t×100（2-Ⅲ）

h-拉深高度

t-材料厚度

所以 H=（22-6-2.87）/70=0.27

当相对深度＜0.5-0.6 时，成形与球面件相似，可以进行一次性拉深成形，为了使

毛坯中部紧贴凸模而不起皱，需加大压边力，将此拉深视为宽凸缘锥形拉深件。

工艺分析：

根据零件图，确定四道工序落料、拉深、冲孔、翻边，可能的组合方

案有以下几种：

（1）落料——拉深——冲孔——翻边单工序模冲压

（2）落料——冲孔——拉深——翻边单工序模冲压

（3）落料冲孔——拉深——翻边复合工序模与单工序模组合冲压

- 6 -

（4）落料拉深——冲孔翻边复合工序模冲压

方案

（1）、

（2）单工序模冲裁工序模指在压力机的一次行程内完成一个冲压工序

的冲裁模。

反光碗属于大批量生产，而且尺寸不是太小，用但工序模生产效率低，

操作不安全，劳动强度大，而且多次定位产生的定位误差会加大，故不宜采用。

方案（3）冲孔在拉深之前，孔径的尺寸不能保证，而且冲孔之后再拉深容易使孔

的边缘拉裂，即使不会拉裂，由于受到径向的拉应力，后道工序的翻边再加上相同

方向的作用力，会影响零件的使用寿命。

方案（4）落料拉深为一套复合模，冲孔翻边为一套复合模，这样的两套复合模结

构不是很复杂，加工出的制件业不会因为受到内应力而影响使用寿命，而且复合模

具只需要两次定位，产生的误差也不会很大。

故可以采用此方案

根据以上分析可以看出方案（4）是最佳方案

方案示意图如下:

排样

落料拉深件

冲孔翻边

- 7 -

零件高度

修边余量

10～50

1～4

50～100

2～6

100～200

3～10

200～300

5～12

图（2-2）

2.2 模具的设计工艺与计算

根据以确定的加工工艺，计算毛坯尺寸，冲压力的总体计算，压力机的选用，

材料的排样，利用率的计算，模具凸凹模尺寸，主要工作零件的设计以及模具的总

体结构结构设计

2.2.1 计算毛坯尺寸

（1）拉深与翻边可以看做无法兰的拉深件，根据零件图计算拉深高度为

19.12mm 确定修边余量。

（2-1）圆筒件的拉深修边余量△h（mm）

2.2．1.1 翻边毛坯尺寸

以上已经计算出预冲孔直径 d0=15.55mm，由几何关系得到翻边圆角高度 h1=

502 - 20.592

-

512 -112

=1.02mm

材料的厚度只有 0.3mm,可以直接按照零件的表面尺寸进行计算，与按照中径计

算相差不大，面积可以分成三部分（图 1-3）：

A 翻沿高度B 半边圆角

- 8 -

0.3

R1

C 冲孔部分

15.55

图（2-3）

S A=π（h-h 1）=3.14×20（2.87-1.02）=116.18mm 2

S B=4dl-8rh=（4×22×3.14×1×77.58）-8×1×1.02=100.94

S C=π（d2 0/2）=3.14（15.552/4）=189.81 mm 2

2.2．1.2 冲孔毛坯尺寸

d=1.13×（2-Ⅳ）

=1.13×

S A + SB + SC

=1.13

116.18 + 100.94 + 189.94

=23.07mm

2.2．1.3 拉深毛坯尺寸

拉深部分的面积分成四部分，如图（2-4）

AB

75R1

75

- 9 -

工件及圆角半径 r＞2t 的

a

材料厚度 t/mm

1

a

工件间 a    1

沿边 a

0.25～0.50

1.2

1.5

70

s50

70

23.02

R1.5

CD

图（2-4）

SA=（h+h）×πd=7.2×3.14×75=695.6 mm2

SB=π「2π×1（75-2）+8×1」=366.16 mm2

SC+D=8hr=8×（48.82-29.7-6） ×50=5248 mm2

总的拉深毛坯直径

=

S A + SB + SC+D

=1.13

∑ S

D=1.13

1695 + 366.16 + 5248 + 416.93

（2-Ⅴ）

i

=99.32mm 落料的总面积∑S=7726.69

mm2

2.2.2 排样、计算板料宽度与步矩

（1）搭边值的确定

排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的余料叫搭边。

搭边的作用是补

偿定位误差，保证冲出合格的零件，搭边还可以使条料具有一定的刚度，便于送料。

理论上搭边值越小越好，但搭边值小于一定的数值之后，对模具寿命和剪切表面质

量不利。

搭边值过小，作用在凸模侧表面上的法向应力沿着落料毛坯周长的分布不

均

搭边值与材料的机械性能，工件的形状与尺寸，材料的厚度，送料及挡料方式

有关，一般根据经验值确定，其值如下表（2-2）：

表（2-2）冲裁搭边值

对于紫铜需要乘以系数 1.2

- 10 -

料厚

有侧压装置

条料宽度 B/mm

100 以下

100 以上

～0.5

5

8

所以 a1=1.2×1.2=1.44，a1=1.5×1.2=1.8

（2）板料宽度的宽度的确定

有侧压装置的模具，使板料始终沿着倒料板进

带宽公式：

B=（Dmax+2a）0 -Δ（2-1）

D 为毛坯直径

a 为搭边值

Δ 为条料宽度的单向偏差，查《冷冲压成形工艺与模具设计制造》P73 表 4-

20，Δ=0.6

B=（99.32+2×1.8）0 -0.6=102.920 -0.6 mm

（2）导板间距的确定

导板间距公式：

A=B+Z（2-2）

Z 导料板与板料之间的最小间隙，如下表（2-3）

B 板宽

（3）排样

排样的方法有三种：

1、有废料排样 2、少废料排样 3、无废料排样。

采用少或

者无废料排样，对节约材料有重要意义。

本方案中的料厚为 0.3，而且落料拉深为

一套复合模，所以不宜采用少废料和无废料方案。

板料规格为：

710×1500

送料步矩 h=D+ a1

=99.32+1.44=100.76mm

先将带横裁

N1=1500/B=1500/102.92=14.57≈14

每条的件数为

N2=（710-a）/h=（710-1.44）/100.76=7.04≈7 件

板料可裁件数：

n= N1×N2=7×14=98

- 11 -

基本尺寸/mm

凸模偏差

凹模偏差

＞80～120

0.025

0.035

材料的利用率为：

η=nA/710×150﹪

=98×3.14×（99.32/2）2/710×1500﹪=72﹪

纵裁时条料数为

N1=710/102.92=6.89≈6 条

每条件数为

N2=1500-1.44/100.76=14.87≈14

板料可冲的总件数为：

n=N1×N2=14×6=84

材料的利用率为：

η=nA/710×150﹪=64×3.14（99.32/2）2

/710×1500﹪=61﹪

2.2.3 冲裁间隙的确定

冲裁模的凸模横断面，一般都小于凹模孔，凸模与凹模之间有适当空隙称为间

隙。

选择合理的间隙以保证冲裁件的断面质量，，尺寸精度。

查《冲压手册》表 3-5 落料冲孔横刃口始用间隙 2c

t=0.3,2cmin=0.04 ,2cmax=0.06

2cmin 为最小双面始用间隙，2cmax 为最大双面始用间隙

凸凹模分开加工时:

δp+δd≤Zmax-Zmin（2-3）

δp、δd 凸、凹模的制造的制造公差，值如下表（2-4）

表（2-4）规则形状冲裁时凸、凹模制造公差

2.2.4 冲裁力的计算

为了合理设计模具和正确选用压力机，就必须计算冲裁力。

冲裁力公式：

P0=τ×L×t（2-4）

P0 冲裁力 N

τ 材料的抗剪切强度 MPa τ=0.7σb（查《冲压手册》P817，σb=300

MPa）

L 冲裁周长

t 材料厚度

所以冲裁力 P0=3.14×99.32×0.3×300×0.7=19647 N

- 12 -

材料

k    1

k    2

k    3

铝、铝合金

0.03~0.07

0.025~0.08

紫铜、黄铜

0.03~0.09

0.02~0.06

2.2.5 卸料力及推件力、顶件力的计算

一般情况下，冲裁件从板料上切下来之后，经常弹性变形而扩张，板料上的孔

则会弹性收缩，会使落料梗塞在凹模中，冲裁后剩下的板料箍紧在凸模上。

所以

要对落料件和冲裁件进行推卸。

推件力 F1=nk1F（n 一般取 1）

顶件力 F2=k2F

卸料力 F3=k3F

系数 k1 、k2、 k3 值如表（2-5）

k2=0.05

k3=0.04

推件力 F1=1×0.05×19647=982 N

顶件力 F2=0.05×19647=982 N

卸料力 F3=0.04×19647=786 N

2.2.6 压料力的计算

在拉深过程中施加压料力防止起皱

坯料的相对厚度 100δ/d0=100×0.3/99.32=0.3<1.5,查《冲模技术》P213

表 5-17，压料的近似范围，当 100δ/d0<1.5 时需要压料。

压料力计算公式：

Fy=f×p（2-5）

f 压料面积

p 单位面积的压料力

查《冲压手册》P185 图 5-9 单位面积压料力 p=3,压料面积 f=3.14（99.32-

75） 2 /4=464.3

Fy=1392 N

2.2.7 拉深力的计算

拉深力计算公式

FL=LtσbK（2-6）

K 为修正系数，查《冲压工艺能与模具射进》P49 修正系数为 K=0.7

LA 拉深件周长

- 13 -

t 料厚

则 FL=3.14×75×0.3×300×0.7=14836.5 N

拉深功计算公式

A=λFLh/1000（2-7）

λ 为修正系数，查《冲压工艺能与模具射进》P49 修正系数为 λ=0.72

h 拉深高度，h=19.12mm

则拉深功 A=0.72×14836.5×19.12/1000=202.96 Nmm

2.2.8 翻边力的计算

翻边力计算公式

FF=1.1π（D-d0）δσs（2-8）

d0 预冲孔直径

D 翻边后的直径

σs 材料的屈服强度，紫铜的屈服强度为 200Mpa GB/T 14953-1994

带入数据得 FF=2515.14 N

2.2.9 压力机的选择

采用弹性卸料和下料的方式总的冲裁力

F0= F1+ F2+ F3+F+ FF +FL+ Fy（2-9）

带入以上计算数据得到 F0=41140.64 N

初选压力机的型号为：

J A 2 1-35A，开式双柱固定台压力机

压力机的各项参数如下：

表（2-6）

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模具闭合高度：

模具处于闭合状态时，上模板的上平面至下模板的下平面的高度。

根据模具装

配图上设计的个零件的尺寸得到：

H=45+8