有侧孔的盒形件冲压工艺与模具设计.docx
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有侧孔的盒形件冲压工艺与模具设计
有侧孔盒形件冲压工艺与模具设计
任务书
1．课题意义及目标
通过毕业设计，让学生将所学的课本知识在现实问题中得以运用，增加学生的实际动手能力，也检验了学生对所学的基础与专业知识的扎实程度，进一步让他们熟悉工作的思考方式了解工具书籍的应用，使学生初步达到工程师所具备的基本素质。
2．主要任务
（1）对给定工件进行工艺分析，确定出科学合理的工艺方案。
（2）进行冲压工艺计算。
（3）参考模具图册，查阅相关资料，设计出合理可行的模具结构。
（4）模具主要工作零部件的设计计算。
（5）编写设计说明书。
3．主要参考资料
[1]丁松聚主编.冷冲模设计[M].北京：
机械工业出版社，2013.
[2]陈炎嗣郭景仪主编冲压模具设计与制造技术[M].北京出版社1991.4.1
[3]王芳主编.冷冲模设计指导[M].北京：
机械工业出版社，2005.
[4]徐政坤主编冲压模具设计与制造化学工业出版社[M].2003.8
[5]《冲模设计手册》编写组：
冲模设计手册机械工业出版社
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献，完成开题报告
2014.12.01~2014.12.31
2
完成工艺计算、确定工艺方案
2015.01.01~2015.03.20
3
确定模具结构方案，中期检查
2015.03.21~2015.04.30
4
模具总体设计、结构设计
2015.05.01~2015.05.15
5
完善设计内容、完成设计说明书及答辩工作
2015.05.16~2015.06.10
审核人：
年月日
有侧孔盒形件冲压工艺与模具设计
摘要：
本文是对有侧孔盒形件进行冲压工艺分析及冲孔模具设计。
主要工作有工件的工艺分析、加工路线的拟定、毛坯尺寸的计算、两套模具的设计、以及模具主要尺寸的计算等，目的在于巩固大学四年所学的内容，对模具设计有一个了解，完成从课本知识到实际生产的转变，巩固制图知识及CAD软件的运用。
进行设计时还要综合考虑模具的运行条件，模架选用对角导柱模架和后侧导柱模架，可以方便加工过程中送料、取件。
在进行模具设计时还要涉及除模具本身之外的其它内容，诸如它的装配、工作场合等，通过此次设计大致对模具设计有一定程度了解明白它并不是一个简单的工作，因此要永不停息的学习新知识以应付设计过程中的各种问题。
关键词：
冷冲压，落料，拉深
Designof stampingprocessanddie partsside boxshaped hole
Abstract：
Thispaperistohaveasideholeboxshapedpartsstampingprocessanalysisandpunchingdiedesign.Mainworkofworkpieceincludesprocessanalysis,thedraftoftheprocessingroute,thesizeoftheroughcalculation,twosetsofdiedesignanddiesizecalculation.Thepurposeistoconsolidatewhattheyhavelearnedforthefouryearsofuniversity,tohaveabetterunderstandingofthemolddesign,andcompletethechangefromthetextbookknowledgetoactualproduction.ItisalsoausefulwaytoconsolidateuseofcartographicknowledgeandCADsoftware.
Whenfinishingdesignwork,weneedtoconsidertheactualoperatingconditionsofthemold.Moldselectsdiagonalguidepillarpouldframeandtherearsideoftheguidepillarpouldframe.Itisalsoinvolvedinanythingexceptthedieitself,suchastheassembly,workplace,inmolddesign.Afterthisdesignisfinished,Ihavesomedegreeofunderstandingthatitisactuallynotasimplework,soweshouldceasetolearnnewknowledgetocopewithvariousproblemsintheprocessofdesign.
Keywords:
Compounddie,blanking,drawing
前言
模具作为工业快速发展的强力推进器，极大程度地加速了工业的发展步伐。
中国有着无与伦比的模具巿场，随着海内模具制造业的不断发展，工艺也获得了较大的提升，可是，依然面临高级模具以入口为主的难题。
提高工艺水平，是中国模具产业成长的关键。
伴随着冲压制品在建筑、交通、水利、航空、化工等各行各业的广泛应用，对冷冲压模具的需求与日俱增，冲压模在国民经济中占据了越来越重要的地位。
一、国内外发展情况
1、国内方面：
尽管起步晚在一定程度上影响了我国模具的发展进程，但是通过40、50年的不懈努力，我国的模具技术水平发生了质的的飞跃。
目前生产模具的能力水平，可以在一定程度上代表该国的产物制造水平的高低，主要原因是模具的好坏对产物的质量有这至关重要的影响，同时也决定了产物效益和新产物的开发本领。
我国经济在为模具发展提供强大推动力的同时也对模具的发展提出了更高要求。
最近几年，我国模具产业一直以较高的势头向上发展，但是在已经发展多年的发达国家和地区面前我国的模具制造水平还有许多的不足之处，特别是在技术和管理方面我们要虚心学习。
在大型、精密、复杂、长寿命技术上，我国模具技术和外国相比更是存在不小的差距，所以每年必会进口大量此类模具以弥补市场空白。
在国内模具市场上，中低档模具相对多余，激烈的市场竞争使的价钱偏低，大大降低了很多模具企业的经济效益。
而中高档模具实力较弱，模具的开发本领较弱，专业人才紧张不足，科研资金和工艺攻关投入少等一系列问题，很大程度上也制约了中国模具行业的快速成长。
因为近年市场需求的不断扩大，中国模具产业高速成长，市场很大，产销两旺。
2、国外方面：
欧美和日韩在模具制造方面走在了世界的前列，由于起步早，积累了许多实用的生产经验，研发了新的制造技术。
在欧美，许多高新技术在模具的设计加工中得以应用于，主要表在：
（1）充分利用了信息化技术，利用信息技术辅助实现模具的设计与制造，增加了模具设计制造的优势
（2）高速加工、五轴高速加工技术的基本普及，在很大程度上缩减了制模周期，提高了生产效率，有利于企业在激烈的市场竞争中获得较大经济效益；
（3）广泛应用了快速成型技术，实现模具的快速生产，提高制造效率；
（4）精简模具行业工作人员，聘用复合型人才，一人多用，高效工作；
（5）模具产品专业化，市场定位准确；
（6）采用先进的管理信息系统，实现集成化管理；
（7）工艺管理先进、标准化程度高。
二、将来冷冲模具制造发展趋势
模具技术的进步应该为模具产品“加工期短”、“高精度”、“质量好”、“廉价”的要求服务。
为实现这一要求应该立即发展一下几项：
（1）全面推广CAD/CAM/CAE技术，模具CAD/CAM/CAE技术极大地改变了人们的设计手段和方法是模具设计制造的发展方向。
随着计算机的广泛普及和升级换代，全面推广普及CAD/CAM/CAE技术的条件已日趋成熟，各行业应逐步加大对CAD/CAM的技术培训和技术应用；进一步扩大和加深CAD/CAE技术的应用范围。
微机和网络的广泛使用使的CAD/CAM/CAE技术摆脱地区、企业、国家等的限制，实现了在整个机械制造行业中推广普及，重新整合了技术资源，使虚拟制造得以实现。
（2）高速铣削加工这些年来发展起来的高速铣削加工，极大程度地提升了加工制造效率的同时还确保了较高的表面光洁度。
此外，除了能实现对高硬度模块的加工，还具有温度变化范围小、热变形不明显等优势。
高速铣削加工技术的进步，为航天、机械、交通行业中大型模具制造增加了新的活力。
目前它已向更高程度的灵活化、智能化、集成化方向发展。
（3）模具扫描及数字化系统扫描机和扫描系统可以通过扫描一些模型或者实物的到所要加工模具的信息，进而利用这些信息实现对模具的加工，不但缩减了设计步骤而且很大程度上减少了模具的开发制造周期。
有的扫描设备，可简易安装在已有的加工设备上，进行信息和数据的收集，同时将自动生成要求数控系统所能运行的加工程序，从而使得制作模具的“逆向工程”得以实现。
模具扫描系统已在航天、家电、机械等行业得到广泛应用，相信在国民经济发展中将展现出更强劲的推动力。
（4）提高标准化程度到目前为止，我国模具的标准化进程才刚刚开始，还有很长的一段路要走，标准化程度水平还处在一个比较低的水平线上。
而国外发达国家的模具标准化已经达到了较高的水平，基本可以达到80%。
（5）优良材料及先进表面处理技术优良的制造材料加上先进的表面处理技术可以大大改善模具的使用性能，也可以在一定程度范围内使模具的使用寿命大大延长。
然而优良材料的性能是否能够得以完美体现，主要取决于对模具的热处理和表面处理是否正确有效，能否充分释放材料的潜力。
真空热处理是目前提出比较有发展前景的热处理方法，也是未来热处理研究发展的方向。
除了要不断完善现有的热处理工艺之外我们还应继续寻找新的热处理方法，例如加深对气相沉积、离子喷涂等先进工艺的研究，使之能更好的被用来提高材料的性能。
（6）模具表面加工将实现自动化、智能化模具的表面粗糙度对模具寿命、零件外观等方面都有很大的影响。
为进一步提高模具的光洁度，可以通过采用由专业机床自动，智能抛光研磨的方法来取代比较费力，费时的手工抛光，既大大提高了抛光的效率也有效的提高了模具的表面质量。
（7）模具自动加工系统的发展自动加工系统的研发是我国模具发展的的前途所在。
自动加工系统是由多台机床合有效组合，合理布局；然后利用定位装置实现定位；自动加工系统配备有完整的刀具数控库可以自动换刀提高工作效率；还拥有质量监测控制系统可以确保加工出来的模具质量得以保证。
1、工件的工艺性分析
材料20钢板，厚1mm，大批量生产
图1-1
1.1冲压件的工艺性分析
由工件图可知，该工件为带凸缘的有侧孔盒形件，形状厚度无特殊的要求。
该工件形状满足拉深工艺性要求，可通过拉深工序加工。
材料为20钢，料厚为1mm。
拉深精度等级为IT10
好的冲压工艺性应能同时满足节省制造材料、加工工序少、加工容易、使用寿命长、易于操作及零件质量稳定等要求。
1、对于不同形状的冲裁件可以通过材料合理排样，以达到少废料或者无废料的目的，实现材料的最大化利用。
2、冲裁各边角的相交处，宜有恰当的过度圆角。
3、冲裁件凸出或凹入部分宽度应该适当增大，并应尽可能避免较大的切口。
4、腰圆形零件，如可以有圆弧半径，则R不应该小于料宽的二分之一，即可采用少废料的排样，如规定圆弧半径为零件半径宽度的二分之一，则不可以采用少废料排样，不然会产生台肩。
5、冲孔时，凸模的强度决定了孔的尺寸不应太小。
6、工件的相邻两孔之间，孔到工件边缘的距离，由于受到模具强度的制约，应该保证留有足够的距离。
7、在已进行了弯曲或拉深的工件上冲孔时，为了确保零件强度和形状不被破坏其孔壁与工件之间应保留适当大的距离。
1.2拉深件的工艺性分析
1、对拉深材料的要求
拉深件所使用的材料应该具有良好塑形、同时还应有低的屈强比。
除此之外较大的板厚方向性系数和较小的板平面方向性系数也是拉深材料所应具备的基本性能。
2、对拉深零件尺寸和形状的要求
（1）拉深件高度在满足使用的条件下应该尽量低，便于最大程度地减少拉深次数，使得拉深件可以在经过1—2次拉深之后便可以成型。
（2）拉深件的结构尽量简单、对称，使变形的均匀性的到保证。
对于非对称件，可将两个工件组合后一次拉深成型在分割成两件。
（3）带凸缘的拉深件，应该满足d凸
，而且要求外表面与直壁断面的形状最好类似，不然，难以拉深，且切边余量较大。
（4）为了能使拉深件进行拉深成型时不会发生形状变形、材料拉裂等质量问题，壁和凸缘的圆角半径r
2t。
当r<0.5mm时，则应设计整形工序确保零件形状不被破坏。
2、对拉深件精密度的要求
（1）因为拉深件各个部位的料厚将会发生较大的转变，所以零件图上的外壁和内壁的尺寸应该标注明白。
（2）因为拉深件会发生回弹，所以通常情况下零件横截面的尺寸公差，一般都低于IT12级，如零件尺寸公差高于IT12，应设计整形工序。
（3）多道工序拉深的零件对其表面或凸缘的表面，则允许存在成型过程中所产生的印痕和口部的回弹变形，但应该保证精度还处在公差许可的范围之内。
1.3材料的工艺性分析
此次设计中，选20钢作为拉深材料。
20钢是优质的碳素结构钢之一，强度略高于15号钢，基本无淬火，无回火脆性。
冷塑性变形能力高、通常用于弯曲、压延、拉深和弯边等加工。
在冷拔或正火状态下切削加工性比退火状态好、通常用于制造韧性要求较高而受力较小的工件。
该钢具有低强度，高韧性、高塑性和好的焊接性。
抗拉强度为253~500MPa，断面收缩率≥55%，伸长率≥24%，因此综合其全部的力学性能，20钢具有优越的拉深性能，可以用于拉深。
2、选择冲压工艺方案
该零件的制造所需的冲压工序为落料，拉深及冲孔。
所以，该工件的冲压工艺方案大概有如下几种。
方案一：
每道工序均采用单工序模，即落料、拉深、冲孔依次分别进行。
方案二：
先采用落料与拉深复合模，在进行冲孔。
方案三：
直接采用落料、拉深与冲孔复合模，一次性加工成型。
从零件质量、制造效率、模具生产和使用寿命、生产操作时便捷和安全性及经济效益等方面对以上各个冲压方案进行考虑对比后，可得出如下结论：
方案一因为每道工序均采用单工序模，简化了模具刃口尺寸和形状，使模具加工方便。
此外由于各工序所需的冲压力小，解决了冲压设备吨位不足的难题。
但是由于使用的模具套数较多，生产效率低且工作量较大，因而不符合生产要求。
方案二采用落料与拉深复合的方式，提高了生产效率，操作比较安全，因为矩形盒底部在冲压过程中变形很小，故先拉深能够满足其尺寸和位置的要求。
该方案生产效率高，在满足大批量生产的同时还可以照顾到零件尺寸精度的要求。
方案三生产效率高，模具数量少。
但是孔的位置和尺寸精度难以保证，特别是边缘空的位置和尺寸难以保证，无法满足实际生产的要求。
通过以上分析对比，此次设计选择方案二为该零件的冲压工艺方案。
3、模具的技术要求及材料选用
3.1冷冲模材料的力学性能
模具经常会发生由脆断、塌陷、弯曲、磨损、咬合、啃伤和软化等造成的失效。
因此，作为冷冲模材料的钢材，应具备下述几方面的性能：
1.必须拥有较高的变形抗力：
主要抗力指标有强度、硬度、韧性、抗弯强度等。
其中硬度是模具最重要的抗力指标之一，高的硬度是模具保证耐磨性的必要条件。
2.应具备较高的断裂抗力：
冲击载荷下模具抵抗裂纹产生的能力也是作为避免断裂的一个重要依据，材料基体中所含碳量越高，冲击韧性也就越高。
故所受载荷较大的模具及有偏心载荷的细长凸模或有局部应力集中的冷冲模，都需要具有适当高的韧性。
3.应具备高的耐磨性和优良的抗疲劳性能：
对在一定工作环境下工作的模具钢，为了进一步增加耐磨性，可在具有高硬度的材料表面上添加一层具有大量细小硬质碳化物的涂层。
在同等硬度条件下材料耐磨性的提高可进一步减少模具在长时间工作时所产生的疲劳破坏，如经过长时间运行产生的刮痕、凹槽等。
4.应具备良好的冷热加工工艺性：
钢材的加工工艺性能包括可切削性，可加工性、和小的变形倾向等，以利于模具的加工，使之易于成形及避免热处理后模具产生变形等。
3.2冷冲模材料的选择原则
要挑选满足模具工作要求的综合性能良好的材料。
要针对模具的主要失效形式有目的地选用钢材，钢材的失效是决定模具寿命的主要因素，包括：
（1）为避免模具开裂，应该选用韧性好的材料
（2）为避免磨损，应该选用合金元素高的材料
（3）针对对大型冲模应首选淬透性好的材料
（4）为保证钢材硬度符合，应选用含铬、钼耐回火性高的合金钢
根据零件批量大小，以最经济的选材原则选用：
需要进行大批量生产的模具，通常利用优质合金钢来进行制造，而碳素钢则是用来制作生产小批量的模具，以节约成本。
要根据冲模零件的作用选择：
凸、凹模模具应优先考虑选用优质的钢材，而对于数量较少或厚度较小的可利用有色金属或黑色金属制造。
对于支撑板、卸料零件、导向件则选用一般钢材制作就可以满足使用要求。
要根据冲模精度要求选用：
小型精密模具的制作优质合金钢是其选用材料的首选，而对于一些制作精度要求不高的模具则可以利用廉价的碳钢或者低合金钢作为制造材料进行制造。
4、主要设计尺寸的计算
4.1毛坯尺寸的确定
拉深件拉深时，毛坯的确定，不但可以有效节省材料和获得口部平整的工件，同时对零件的成型也有好处，确保了拉深零件的成型的质量。
毛坯尺寸太大，会无谓增加引起危险断面的拉应力，对进一步变形和减少加工工序不利；毛坯局部尺寸过大，会加剧毛坯周围变形分布的不均匀程度，造就变形困难，以致在变形过分集中的部位引起局部起皱。
盒形件的毛坯尺寸可以通过面积不变的原则计算得出，、除此以外还可以通过拉深时周边的切向压缩与径向拉深变形不均匀的特点对毛坯的形状尺寸作进一步的修正。
由于盒形件带有凸缘，且凸缘弯曲时的半径r≤0.5t，因此该凸缘的弯曲是没有圆角半径的弯曲。
对于无圆角弯曲件的展开长度可以通过体积相等的原则进行计算，此时需要将材料弯曲变薄的情况也考虑进去。
首先将凸缘展开
当弯曲角为90°时
弯曲前的单一侧壁体积V=Lbt
弯曲后单一侧壁的体积V’=（
+
）bt+
由V=V’可得，l=
+
+0.785t
由于材料在发生弯曲变形时，不仅仅会使得毛坯圆角区变薄而且会使与其相邻的两直边部分也发生同样的变薄现象，因此对上式作如下的修正。
，式中x’——系数，一般取x’=0.4~0.6
由于盒形件长宽凸缘不一致，所以在长度方向和宽度方向展开尺寸有差别，但为了设计方便和冲压方便，计算时统一采用较大凸缘来计算毛坯尺寸
则得l=10.5+52+0.6
1=63.1mm
其次开始确定盒形件展开尺寸
根据弯曲计算直边部分的展开长度
（1）
（2）按拉深计算圆角部分的毛坯半径R
由式
即可得
当r底=r时，则
所以R=35.52mm
（3）对毛坯的圆角与直边的相连处进行修正，使其平滑相连（图4-1），然后过ah线段的中点C作圆弧R的切线，再以R为半径作圆弧使之与直线相切。
经过这样的修正，使面积+A
-A，所以经过修正后，既与面积相等原则吻合，也切合变形规律，拉深后，可以得到比较平齐的拉深件。
图4-1矩形盒毛坯作图法
经修正后得毛坯尺寸如下；
图4-2毛坯尺寸
4.2拉深间隙及拉深次数的计算
（1）拉深间隙
拉深模的拉深间隙大多数情况下是指单边间隙。
如果拉深间隙过小会使得摩擦阻力剧烈增加，这将会造成拉深件被拉裂，且极易损伤工件的表面，同时将严重影响模具的寿命；然而拉深间隙过大，拉深时则会影响到对毛坯的校直，直接影响到零件尺寸精度。
所以，确定拉深间隙的原则是，考虑板料厚度公差的同时还要要考虑零件口部的增厚的现象，按照拉深使是否需要采用压边圈和零件的尺寸精度要求合理确定。
拉深模具的间隙值可以按下列经验公式来进行选取：
式中
——板料的厚度及板料的最大厚度
K——间隙系数。
其值与材料强度、板料厚度、冲件形状、尺寸大小及冲件精度、拉深次数及方式、变形程度的大小（拉深系数）和模具结构型式等都有关。
具体数值可由表4—1查得。
表4-1拉深模具的间隙系数
板料厚度
不精密的拉深件
较精密的拉深件
精度较高的拉深件
第一次拉深
中间各次拉深
最后拉深
第一次拉深
中间各次拉深
最后拉深
<0.4
02~0.4
02~0.25
0.07~0.09
0.2~0.3
0.15~0.2
0.04~0.05
经几次拉深的基础，
作变形量较小的整形
拉深。
其间隙系数
K=0~0.04
0.4~1.2
0.08~0.10
0，05~0.06
1.2~3
0.10~0.12
0.07~0.09
>3
0.12~0.14
0.09~0.10
取K=0.2，则拉深模间隙为1.2mm
（2）拉深次数的确定
盒形件初次拉深的极限变形程度，可以用盒形件的相对高度H/r来表示。
由平板毛坯一次拉深可能拉成的最大相对高度决定于盒形件的尺寸r/B、毛坯相对厚度t/D和板料的性能。
其值见表4-2
表4-2盒形件初次拉深的最大相对高度H/B
角部的相对圆角半径
毛坯相对厚度t/D（%）
2.0~1.5
1.5~1.0
1.0~0.5
0.5~0.2
0.3
1.2~1.0
1.1~0.95
1.0~0.9
0.9~0.85
0.2
1.0~0.9
0.9~0.82
0.85~0.70
0.8~0.7
0.15
0.9~0.75
0.8~0.7
0.75~0.65
0.7~0.6
0.1
0.8~0.6
0.7~0.55
0.65~0.5
0.6~0.45
0.05
0.7~0.5
0.6~0.45
0.55~0.3
0.5~0.35
0.02
0.5~0.4
0.45~0.35
0.4~0.3
0.35~0.25
如果盒形件的相对高度H/r不超过表4-2所列的极限值，则盒形件可以一次拉成。
盒形件的相对高度
角部的相对圆角半径
毛坯的相对厚度
查表4-2知道盒形件的相对高度不超过表中所列极限值，所以盒形件可以一次拉成。
4.3拉深力及压边力的计算
（1）拉深力
之所以要进行拉深力的计算，是为了选择出一个符合压力要求的压力机。
在整个拉深成型的过程中，除了会使用到使毛坯发生变形的拉深力之外，还将利用到压边力。
所以，最终得出的拉深力应该是压边力与拉深力之和。
拉深力的计算则是根据拉深件危险断面上的拉力必须小于材料的抗拉强度极限为原则进行计算。
盒形件拉深力：
式中L———盒形件周长（mm）
———材料的抗拉强度（N/mm2）
t———材料厚度（mm）
K———系数，K=0.5~0.8
L=
mm
取K=0.8，t=1mm,
取355MPa
则
（2）压边力
针对于发生在拉深过程中的材料起皱问题，在实际生产中主要利用的方法是利用压边圈进行压边。
至于是拉深过程中否需要采用压边圈压边，可由表4-3的条件决定。
表4-3采用或不采用压边圈的条件
拉深方法
第一次拉深
以后各次拉深
t/D（%）
m1
t/dn-1（%）
mn
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