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矩形拉伸件教学内容
矩形拉伸件
1前言……………………………………………………………………………3
2矩形件冲压方案制定………………………………………………………………4
2.1工艺分析………………………………………………………………………4
2.2工艺方案的分析与确定…………………………………………………………4
3矩形件拉深模……………………………………………………………………5
3.1矩形件拉深工艺分析…………………………………………………………5
3.2毛坯尺寸及工序的计算…………………………………………………6
3.3拉深力、压边力的计算及压力机的选用………………………………………13
3.4拉深件的工作部分尺寸计算………………………………………………15
3.5模具结构形式的选择…………………………………………………………18
3.6模具零件的设计与选用………………………………………………………18
3.7拉深模装配图和零件图………………………………………………………20
4切边模…………………………………………………………………24
4.1工艺分析………………………………………………………………24
4.2模具结构及工作过程………………………………………………………24
4.3凹模切割工件时移动量计算…………………………………………………26
4.4导板曲线设计………………………………………………………………26
4.5切边模三维图及装配图……………………………………………………32
4.6切边模设计注意事项…………………………………………………………33
附录………………………………………………………………………35
冷冲模模架零件技术要求………………………………………………36
总结与体会………………………………………………………………………38
致谢……………………………………………………………………………39
参考文献……………………………………………………………………………40
1前言
模具计算机辅助设计、制造与分析（CAD/CAM/CAE）的研究与应用，将极大地提高模具制造效率，提高模具的质量，使模具设计与制造技术实现CAD/CAM/CAE一体化。
使用UG软件能形象的表示出零件的结构，本次设计利用UG绘制三维零件图装配图。
在生产过程中，我们经常会遇到盒形件，对矩形件进行模具设计。
矩形件的成形，通过对工艺规程的制定，需要有落料、拉深、切边等模具。
平时我们做的设计中落料、落料拉深复合模较多，在这里我要介绍的是第二次拉深单工序模和摆动切边模。
矩形件的拉深工艺有两种方法：
第一种是在多台小吨位压力机上采用单工序的简单模；第二种工艺是在较大吨位压力机上采用多工序的连续模。
前者比后者具有投资小、模具结构简单、产品成本低等优点。
在矩形件的拉深过程中，拉深成形工序是矩形件生产的重要工序，因此拉深工艺分析、毛坯形状及尺寸的计算和模具结构设计合理是直接影响矩形件质量的关键技术。
首先分析矩形件拉深的特殊性，其次制件拉深，需要计算出具体拉深次数。
对于切边模，我们采用的是摆动切边模对矩形件进行切边，使其达到要求。
在摆动切边模的设计过程中，确定摆动切边导轨是尤为重要的，也是本次设计的关键处。
综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识，进行几次冷冲压模具（拉深模、切边模）设计工作的实际训练，从而培养和提高我们独立工作的能力。
巩固与扩充所学有关冷冲模具设计课程的内容，掌握冷冲压模具设计的方法和步骤。
掌握冷冲压模具设计的基本技能，如计算、绘图、查阅设计资料和手册，熟悉标准和规范等。
2矩形件冲压方案制定
根据条件：
矩形件长为100mm，宽为60mm，高为60mm，r为10mm，厚度为1.2mm确定其毛坯尺寸，工序尺寸设计，并设计拉深模、摆动切边模。
2.1工艺性分析：
根据制件的材料、厚度、形状及尺寸，在进行冲压工艺和模具设计时，应该特别注意一下几点：
1）该制件为矩形拉深件，因此在设计时，毛坯尺寸计算是个重点。
2）虽然制件不大，但是深度尺寸相对较大，可能需要经过多次拉深。
如果需要多次拉深，则拉深工序的确定以及拉深工序件尺寸的计算时正确进行工艺和模具设计的关键。
3）冲裁间隙、拉深凸、凹模间隙和每道拉深的高度的确定，应该符合制件的要求。
4）切边模设计时应该保证凸、凹模间隙，正确计算导轨。
2.2工艺方案的分析和确定：
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、切边三种。
按其先后顺序组合，可得以下两种方案：
方案1，落料—拉深—切边（可能要经过多次拉深，具体拉深次数由工艺计算确定）。
方案2，落料、拉深复合—后续拉深—切边。
方案1属于单工序冲压。
由于此制件生产批量比较大而尺寸不大，因此生产效率比较低。
方案2改为落料、拉深复合，减少了工序数量，提高了效率，同时该制件的高度比较高，也满足落料、拉深复合工序本身的要求，故采用方案2.
3矩形件拉深模
3.1矩形件拉深工艺分析
矩形件的拉深工艺有两种方法：
第一种是在多台小吨位压力机上采用单工序的简单模；第二种工艺是在较大吨位压力机上采用多工序的连续模。
前者比后者具有投资小、模具结构简单、产品成本低等优点。
在矩形件的拉深过程中，拉深成形工序是矩形件生产的重要工序，因此拉深工艺分析、毛坯形状及尺寸的计算和模具结构设计合理是直接影响矩形件质量的关键技术。
图1矩形件的拉深
矩形件可以看成是由直边部分和圆角部分组成的，矩形件拉深变形时，圆角部分近似于圆筒形件的拉深，直边部分近似于板料的弯曲。
因此矩形件的拉深成形是圆角部分的拉深和直边部分的弯曲两种变形方式复合的。
但是矩形件的圆角和直边是联系在一起的整体，因此变形时必然有相互作用和影响，以致圆角不是简单的圆筒拉深，直边不是单纯的平板弯曲。
从实验分析表明，矩形拉深时，直边部分并不是单纯的弯曲变形。
由于圆角部分的材料要向直边流动，因而直边部分产生了横向压缩、纵向伸长的变形，而圆角部分，由于直边的存在，金属的流动，使得圆角部分的变形程度大为减小。
因此矩形变形的特点可以归结为以下5点：
1）矩形件拉深时，角部变形基本上与圆筒形件拉深变形相似，只是由于向直边流动，使得径向应力及切向应力在角部的分布是不均匀的，圆角中部最大，逐渐向两边减小，如图2所示。
图2矩形件拉深时的应力分布
2）拉深时直边部分除弯曲变形外，在与圆角的链接部分，还有横向压缩和纵向伸长。
因而其应力也包括纵向拉应力和横向压应力两部分。
3）矩形件拉深时，圆角部分的径向拉应力是分布不均匀的，而其平均拉应力比其相同半径的圆筒形径向拉应力要小得多。
因而矩形件的极限变形程度可相应加大，拉深系数可相应减小。
4）矩形件的最大应力出现在角部，因而破裂、起皱等现象也多在角部产生。
在远离角部的直边部分一般部分不会产生起皱。
5）矩形变形时，圆角部分和直边部分必然存在着相互的影响，影响程度随矩形件的形状不同而不同。
当相对圆角半径/B（为矩形件的圆角半径，B为矩形件短边边长）小时，直边部分对圆角部分的影响大，而相对高度H/B（H为矩形件的高度）大时，圆角部分对直边部分的影响大。
图1可见，从拉深的工艺性来看，由于=10mm，=10mm，高度=60mm，长度A=100mm，高度B=60mm，长宽相差较大，板料厚度t=1.2mm.矩形件的尺寸要求较高，表面要求平整美观。
3.2毛坯尺寸及工序的计算
矩形件拉深过程的应力和变化比较复杂，沿周边也是不均匀分布的，其不均匀程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料向零件侧壁转移的程度及侧壁高度的增补量，所以矩形件的毛坯尺寸及其工序尺寸的计算是比普通拉深件复杂得多，其计算步骤如下：
由相对半径/B=10/60=0.2及相对高度/B=60/60=1，从资料查得该矩形件位于区属于高矩形件多次拉深计算工序。
图3矩形盒状件在不同条件（H/B和r/B）下的按性质划分的区域
1）检查相对厚度
×100=×100=2
2）核算角部的拉深系数
当r=时，拉深可用比值来表示，因为：
m==
盒形件第一次拉深系数列于表1.若m≥，则可以一次拉成若m＜则不能一次拉成。
表1盒形件角部的第一次拉深系数
m==0.29＜0.33所以不能一次拉成。
3）初步估算拉深次数
表2矩形盒状零件毛坯与工序次数的近似估算
因为=B，所以拉深次数选n=2
对于高盒形件，一般需要多次拉深，即先拉成较大的圆角，而后逐次减小圆角半径，直至达到工件要求。
矩形件的拉深系数为前后工序半成品角部圆角半径之比：
=
故，各次拉深圆角半径为:
=
=
=
………
根据盒形件的相对高度可由表3查出所需的拉深次数。
但以后的各次拉深系数必须大于表4所列的数值。
此外拉深系数亦可通过盒形件多次拉深的总拉深系数来估算。
表3盒形件多次拉深所能达到的最大相等高度
表4盒形件以后各次许可拉深系数
根据总拉深系数可由表5查出矩形盒件的拉深次数：
表5根据总拉深系数定矩形盒件的拉深次数
4）矩形件毛坯高度
当
取
表6矩形盒切边余量ΔH（mm）
拉深次数
1
2
3
4
切边余量
0.03~0.05H
0.04~0.06H
0.05~0.08H
0.08~0.1H
5）拉深高矩形盒状零件时的计算
拉深高矩形盒状零件时，可以有两种不同的方法：
对于不同的毛坯相对厚度，各道工序的工艺计算及其过渡工序也不同。
如图4所示的是高矩形盒状零件在不同的相对厚度的情况下所用多次拉深的几种方法。
b）
图4高矩形盒状零件多次拉深的各道工序程序
第一种拉深方法的毛坯和中间工序是椭圆形，由两个不同半径和的四个圆弧相接而成（如图4a）.其最后一次拉深较为困难。
它使用于材料的相对厚度比较大（×100≥2）并且壁间距较小（≤10t）的情况。
第二种拉深方法的中间工序是长圆形。
它的实用范围和第一种方法一样。
但这种方法的模具制造比较简单，因毛坯和中间工序的形状均为长圆形，它们由两个半圆和平行的直边相构成。
在这种情况下，最后一次的拉深也比较容易，因为的值比在第一种方法时要小一些（见图4b）。
上述两种方法的工艺计算都是从确定n-1次拉深的尺寸和形状开始的。
高矩形盒状零件多工序拉深的计算程序和公式见表7.这些计算用在双动压力机或者带有缓冲器的普通压力机上的多工序拉深中。
当在多轴的自动压力机上拉深高矩形盒状零件时，应采用第二种和第三种方法。
这时，建议增加补充工序，减小、、、等数值，降低变形程度。
H=h;B=b;
1）假想的毛坯直径：
时
2）毛坯长度：
3）毛坯宽度：
4）毛坯半径：
5）工序比例系数：
6）当角部计算尺寸：
7）工序间距离：
8）（n-1）道工序半径：
9）角部间隙（包含t在内）：
10）（n-1）道工序尺寸：
11）盒的高度：
12）工序高度：
判断n-1道工序拉深尺寸是否能直接由毛坯拉深而成，如果可以，则表明计算和设计方案是可行的，如果不能由毛坯直接拉深而成，那么还要增加一道拉深工序。
判断的方法是计算第n-1道工序的拉深系数，如果拉深系数大于首次拉深的许用拉深系数，则可行；如果小于首次拉深的许用拉深系数，则还需增加一次拉深工序。
由于×100=2的条件下m==0.29＜0.33所以不能一次拉成。
所以与设想的拉深二次完成相同。
13）对于需要进行多次拉深的零件来说，如果凸模的圆角半径取得太小，这时使得侧壁部分材料在经多次转辗曲折时，经受反复多次的变形，既增加了材料的冷作硬化，又使得变薄现象和折痕显著地增加。
最后使侧壁部分形成“蛇皮”状得细皱纹，造成了冲件的强度降低及质量精度的下降。
在选取拉深凸模圆角半径时，最末一次拉深时的凸模圆角应等于拉深件筒底得圆角半径，而取其余各次拉深时的凸模圆角半径则与相应凹模的圆角半径相等或略小。
各次拉深凸模的圆角半径应随拉深次数的增加而逐步地减小。
在有压边圈的多工序拉深时，凸模圆角半径的大小一般按以下三个原则去做：
（1）第一次拉深时：
1）当×100＞0.6时，拉深凸模圆角半径=凹模圆角半径。
2）当×100=0.6~0.3时，拉深凸模圆角半径为凹模圆角半径的1.5倍。
3）当×100＜0.3时，拉深凸模圆角半径为凹模圆角半径的2倍。
（2）在中间各次拉深时，可以取前一道拉深凸模圆角半径的一半，也可按文献6中的5-57所列之值进行计算和选取，或采用45°转角面结构形式的凸模。
（3）在最后一次拉深时，拉深凸模圆角半径等于冲件的圆角半径。
对于较小圆角半径的冲件，即使是一次拉深可以完成时，为了提高拉深件的质量，也最好采用两次或多次拉深来完成。
14）画出工序图
图5矩形拉深件工序图
3.3拉深力、压边力的计算及压力机的选用
1）拉深力计算
根据克列茵经验公式：
首次拉深时：
=350×1.2×（2×3.14×10×0.2+68.2×0.3）
≈13868N
式中r——制件口部的圆角半径
L——直边部分的全长
——与拉深深度有关的系数，当h=（5~6）r时，=0.2；当h＞6r时，=0.5。
——与拉深方式有关的系数，当无压边圈并有较大圆角时，=0.2；当有压边圈时=0.3。
.
第二次拉深时：
F=（2+2b-1.72r）t
=（2×100+2×60-1.72×10）×1.2×350×0.8
=133.3KN
2）压边力的计算
压边力的计算拉深时压边力必须适当。
压边力过大会引起拉深力的增加；压边力过小则会造成制件直壁或突缘起皱。
具体公式如表8所列。
表8拉深时压边力的计算
A——压边圈内的毛料面积（mm2）。
p——单位压边力（Pa），可查表9
表9单位压边力p（Mpa）
第一次拉深时：
A=π×42²﹢34.1×83.8=8397mm²
=Ap=8397×1.2=10.1KN
第二次拉深时：
Q=Fq=113.3×2.5=283.25KN
在单动压床上拉深时单位压力机的数值q=2.5~3MPa.
3）压力机的选择
压力机的选择选用单动压力机时，压力机吨位应等于计算的加上压边力，即
第二次拉深时：
=+
=283.25+113.3≈396KN
选用双动压力机时比较简单，拉深滑块和压边滑块分别与和F压相对应即可。
选取通用压力机进行拉深时，特别是对深拉深件，一定要使工艺压力曲线低于压力机滑块许用负荷曲线，否则易使压力机超载而损坏。
如果无法得到拉深工艺曲线，则按下式选择设备：
浅拉深时F压机≥（1．6～1．8）
深拉深时F压机≥（1．8～2）
式中F压机——压力机公称压力（N）。
由于该制件是一件小型制件且精度要求不高，因此选用开式双柱可倾压力机JG23-63。
公称压力：
630KN
滑块行程：
120
最大闭合高度：
360
最大装模高度：
250
闭合高度调节量：
90
滑块行程次数（次/分钟）：
70
工作台尺寸（前后mm×左右mm）：
480×710
工作台孔尺寸（前后mm×左右mm）：
180×340×230
模柄孔尺寸（直径mm×深度mm）：
Φ50×70
机身最大倾斜角度：
30°
工作台板厚度：
90
3.4拉深件的工作部分尺寸计算
拉深模工作部分的凸、凹模圆角半径的确定已如前述。
本节主要介绍拉深模间隙值和凸、凹模工作部分尺寸的计算。
1）拉深间隙
确定矩（方）形件拉深间隙时，虽然直边部分与转角部分的间隙必须改变，但实际生产中转角部的间隙，多趋于全周光滑连接。
表10所列矩（方）形件拉深间隙值可供设计时参考。
表10矩（方）形件拉深间隙值
由此可知初次拉深时：
z=1.1t=1.1×1.2=1.32mm
第二次拉深时：
z=1.2×1.2=1.44mm
表11有压边圈拉深模的单边间隙值
2）凸、凹模工作尺寸的计算
计算凸、凹模工作部分尺寸时，对拉深制件有关尺寸的公差，只在最后一道拉深工序时予以考虑。
计算原则与冲裁及弯曲工艺相同，主要考虑模具的磨损及制件的回弹。
根据拉深制件尺寸（外形或内孔）的要求，具体计算如表12所示。
圆形拉深凸、凹模的制造公差如表13所示，一般均按IT10级制造。
表12拉深模工作部分尺寸
表13圆形拉深模凸、凹模制造公差（单位mm）
图6零件尺寸和模具工作尺寸
按标注内形尺寸（如图6a）计算时：
凹模尺寸：
凸模尺寸：
d——拉深件内形的基本尺寸；
——凸模尺寸；
——凹模的制造公差；
Z——凸、凹模的单边间隙；
——凸模的制造公差。
第二次拉深时，此处选择按外形尺寸计算（如图6b）：
查文献【7】表1-3-45则知=0.09；=0.06。
凹模尺寸：
==
mm
凸模尺寸：
=
=
mm
3.5模具结构形式的选择
1）模具类型
该模具为有压边圈的拉深模
2）操作与定位方式
采用圆柱销定位凸模、凹模与其对应的模座。
螺钉连接。
3）卸料与出件方式
采用弹性卸料和下出件
4）模架类型
选用中间导柱圆形模架
3.6模具零件的设计和选用
1）凹模的结构形式
拉深凹模结构形式如右图
凹模厚度：
H
＝Kb（
15）
凹模壁厚：
c＝（1.5～2）H
（
30～40）
式中，b为拉深件最大外形尺寸；K是考虑板料厚度的影响系数。
表14系数值K
b/mm
材料厚度t/mm
0.5
1
2
3
>3
50
>50~100
>100~200
>200
0.3
0.2
0.15
0.1
0.35
0.22
0.18
0.12
0.42
0.28
0.2
0.15
0.5
0.35
0.24
0.18
0.6
0.42
0.3
0.22
查表K=0.28,b=100
带入数据H
=0.28×80=22.4取H
=30mm
C=（1.5～2）H
=50mm
A=B=b+2c=200mm取标准值250mm
凹模的尺寸取D250mm×30mm，单由于圆形凹模板的尺寸标准查表可知H=32mm.
凹模的尺寸一确定,那么固定板、卸料板的尺寸都是：
D250mm
2）选择模架及确定其他冲模零件：
根据凹模周界尺寸D=250mm，选取典型组合结构250
190～240（JB/T8067.3-1995）,考虑到本模具采用纵向送料，制件精度要求不高，故拟选用滑动导向中间导柱圆形模架。
模架的规格为250×210～255（GB/T2851.6-1990）
3）凸模的结构形式
当拉深后的冲件从凸模上脱下时，由于受空气的压力而紧紧地包住在凸模上，致使不易脱下。
对于材料厚度较薄的拉深件，甚至会使零件被压。
因此，通常都需要在凸模上留有通气孔。
通气孔的开口高度h应大于冲件的高度H。
一般取h=H+（5～10）通气孔的直径查表得5.5～6.5mm取d=6mm
采用弹压卸料板的拉深模，凸模的长度计算。
L＝h1+h2+t+（15~20）（mm）
式中h1——凸模固定板的厚度，单位mm；
h2——卸料板的高度，单位mm；
t——料厚，单位mm
首先确定凸模固定板的厚度：
查资料知：
凸模固定板的厚度
一般为（0.6～0.8）H，所以取h1=22mm，取h2=22mm
压边圈得厚度取h
=20mm
凸模的长度L＝h1+h2+t+（15~20）（mm）=64mm。
在一般情况下，凸模的强度是足够的，所以不用进行强度计算。
但是对于特别细长的凸模或板料厚度较大的情况下，应进行压应力和弯曲应力的校核，所以此凸模不必了。
3.7画拉深模装配图和零件图
由于冲件的形状和尺寸不同，冲模的加工以及装配工艺等实际条件亦不同，所以在实际生产中使用的凸模结构形式很多。
其截面形状有圆形和非圆形；刃口形状有平刃和斜刃等；结构有整体式、镶拼式、阶梯式、直通式和带护套式等。
凸模的固定方法有台肩固定、铆接、螺钉和销钉固定，粘结剂浇注法固定等。
在一般情况下，凸模的强度和刚度是足够的，无须进行强度校核。
但对特别细长的凸模或凸模的截面尺寸很小而冲裁的板料厚度较厚时，则必须进行承压能力和抗纵弯曲能力的校核。
其目的是检查其凸模的危险断面尺寸和自由长度是否满足要求，以防止凸模纵向失稳和折断。
凹模类型很多，凹模的外形有圆形和板形；结构有整体式和镶拼式；刃口也有平刃和斜刃。
（1）圆形凹模尺寸都不大，直接装在凹模固定板中，主要用于冲孔。
螺钉和销钉直接固定在支承件上的凹模，这种凹模板已经有标准，它与标准固定板、垫板和模座等配合使用。
快换式冲孔凹模固定方法。
凹模采用螺钉和销钉定位固定时，要保证螺钉（或沉孔）间、螺孔与销孔间及螺孔、销孔与凹模刃壁间的距离不能太近，否则会影响模具寿命。
（2）凹模刃口形式凹模按结构分为整体式和镶拼式凹模，这里介绍整体式凹模。
冲裁凹模的刃口形式有直筒形和锥形两种。
选用刃口形式时，主要应根据冲裁件的形状、厚度、尺寸精度以及模具的具体结构来决定，
（3）整体式凹模轮廓尺寸的确定
冲裁时凹模承受冲裁力和侧向挤压力的作用。
由于凹模结构形式的固定方法不同，受力情况又比较复杂，目前还不能用理论方法确定凹模轮廓尺寸。
在生产中，通常根据冲裁的板料厚度和冲件的轮廓尺寸，或凹模孔口刃壁间距离，按经验公式来确定
中、小型模具一般是通过模柄将上模固定在压力机滑块上。
模柄是作为上模与压力机滑块连接的零件。
对它的基本要求是：
一要与压力机滑块上的模柄孔正确配合，安装可靠；二要与上模正确而可靠连接。
标准的模柄结构形式见文献【5】。
压入式模柄，它与模座孔采用过渡配合H7/m6、H7/h6，并加销钉以防转动。
这种模柄可较好保证轴线与上模座的垂直度。
适用于各种中、小型冲模，生产中最常见。
模座一般分为上、下模座，其形状基本相似。
上、下模座的作用是直接或间接地安装冲模的所有零件，分别与压力机滑块和工作台连接，传递压力。
因此，必须十分重视上、下模座的强度和刚度。
模座因强度不足会产生破坏；如果刚度不足，工作时会产生较大的弹性变形，导致模具的工作零件和导向零件迅速磨损，这是常见的却又往往不为人们所重视的现象。
在选用和设计时应注意如下几点：
（1）尽量选用标准模架，而标准模架的型式和规格就决定了上、下模座的型式和规格。
如果需要自行设计模座，则圆形模座的直径应比凹模板直径大30~70mm，矩形模座的长度应比凹模板长度大40~70mm，其宽度可以略大或等于凹模板的宽度。
模座的厚度可参照标准模座确定，一般为凹模板厚度的1.0~1.5倍，以保证有足够的强度和刚度。
对于大型非标准模座，还必须根据实际需要，按铸件工艺性要求和铸件结构设计规范进行设计。
（2）所选用或设计的模座必须与所选压力机的工作台和滑块的有关尺寸相适应，并进行必要的校核。
比如，下模座的最小轮廓尺寸，应比压力机工作台上漏料孔的尺寸每边至少要大40~50mm。
（3）模座材料一般选用HT200、HT250，也可选用Q235、Q255结构钢，对于大型精密模具的模座选用铸钢ZG35、ZG45。
（4）模座的上、下表面的平行度应达到要求，平行度公差一般为4级。
（5）上、下模座的导套、导柱安装孔中心距必须一致，精度一般要求在±0.02mm以下；模座的导柱、导套安装孔的轴线应与模座的上、下平面垂直，安装滑动式导柱和导套时，垂直度公差一般为4级。
（6）模座的上、下表面粗糙度为Ra1.6~0.8μm，在保证平行度的前
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