数控模具设计筒形件拉深模具设计无凸缘精编.docx

1、数控模具设计筒形件拉深模具设计无凸缘精编（数控模具设计）筒形件拉深模具设计无凸缘前言1.1冲压的概念、特点及应用冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压或冲压件）的壹种压力加工方法。冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之壹，隶属于材料成型工程术。冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，

2、先进的冲压工艺就无法实现。冲压工艺和模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才能得出冲压件。和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仍是经济方面都具有许多独特的优点。主要表现如下。(1)冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化和自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次之上，而且每次冲压行程就可能得到壹个冲件。（2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸和形状精度，且壹般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命壹般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“壹模壹样”的特征。

3、（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）冲压壹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，因而是壹种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。可是，冲压加工所使用的模具壹般具有专用性，有时壹个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益。冲压地、在现代工业生产中，尤其是大批量生产中应用十分广泛。相当多的工业部门越来越多地采用冲压法加工产品零部件

4、，如汽车、农机、仪器、仪表、电子、航空、航天、家电及轻工等行业。在这些工业部门中，冲压件所占的比重都相当的大，少则60%之上，多则90%之上。不少过去用锻造=铸造和切削加工方法制造的零件，当下大多数也被质量轻、刚度好的冲压件所代替。因此能够说，如果生产中不谅采用冲压工艺，许多工业部门要提高生产效率和产品质量、降低生产成本、快速进行产品更新换代等都是难以实现的。1.2冲压的基本工序及模具由于冲压加工的零件种类繁多，各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相同，因而生产中采用的冲压工艺方法也是多种多样的。概括起来，可分为分离工序和成形工序俩大类；分离工序是指使坯料沿壹定的轮廓线分离而获得壹定形状、尺寸

5、和断面质量的冲压（俗称冲裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得壹定形状和尺寸的冲压件的工序。上述俩类工序，按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉深和成形四种基本工序，每种基本工序仍包含有多种单壹工序。在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时，若用分散的单壹工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。这时在工艺上多采用集中的方案，即把俩种或俩种之上的单壹工序集中在壹副模具内完成，称为组合的方法不同，又可将其分为复合-级进和复合-级进三种组合方式。复合冲压在压力机的壹次工作行程中，在模具的同壹工位上同时完成俩种或俩种之上不同单壹工序的壹种组合方法式。级进

6、冲压在压力机上的壹次工作行程中，按照壹定的顺序在同壹模具的不同工位上完面俩种或俩种之上不同单壹工序的壹种组合方式。复合-级进在壹副冲模上包含复合和级进俩种方式的组合工序。冲模的结构类型也很多。通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等；按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。但不论何种类型的冲模，都可见成是由上模和下模俩部分组成，上模被固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压力机滑块带动上模下压，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便产生分离或塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的冲件。上模回升时，模具的卸料和出件装置将冲件

7、或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下壹次冲压循环。1.3冲压技术的现状及发展方向随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。其主要表现和发展方向如下。(1).冲压成形理论及冲压工艺方面冲压成形理论的研究是提高冲压技术的基础。目前，国内外对冲压成形理论的研究非常重视，在材料冲压性能研究、冲压成形过程应力应变分析、板料变形规律研究及坯料和模具之间的相互作用研究等方面均取得了较大的进展。特别是随着计算机技术的飞跃发展和塑性变形理论的进壹步完善，近年来国内外已开始应用塑性成形过程的计算机模拟技术，即利用有限元（F

8、EM）等有值分析方法模拟金属的塑性成形过程，根据分析结果，设计人员可预测某壹工艺方案成形的可行性及可能出现的质量问题，且通过在计算机上选择修改相关参数，可实现工艺及模具的优化设计。这样既节省了昂贵的试模费用，也缩短了制模具周期。研究推广能提高生产率及产品质量、降低成本和扩大冲压工艺应用范围的各种压新工艺，也是冲压技术的发展方向之壹。目前，国内外相继涌现出精密冲压工艺、软模成形工艺、高能高速成形工艺及无模多点成形工艺等精密、高效、经济的冲压新工艺。其中，精密冲裁是提高冲裁件质量的有效方法，它扩大了冲压加工范围，目前精密冲裁加工零件的厚度可达25mm，精度可达IT1617级；用液体、橡胶、聚氨酯等

9、作柔性凸模或凹模的软模成形工艺，能加工出用普通加工方法难以加工的材料和复杂形状的零件，在特定生产条件下具有明显的经济效果；采用爆炸等高能效成形方法对于加工各种尺寸在、形状复杂、批量小、强度高和精度要求较高的板料零件，具有很重要的实用意义；利用金属材料的超塑性进行超塑成形，能够用壹次成形代替多道普通的冲压成形工序，这对于加工形状复杂和大型板料零件具有突出的优越性；无模多点成形工序是用高度可调的凸模群体代替传统模具进行板料曲面成形的壹种先进技术，我国已自主设计制造了具有国际领先水平的无模多点成形设备，解决了多点压机成形法，从而可随意改变变形路径和受力状态，提高了材料的成形极限，同时利用反复成形技术

10、可消除材料内残余应力，实现无回弹成形。无模多点成形系统以CAD/CAM/CAE技术为主要手段，能快速经济地实现三维曲面的自动化成形。(2.)冲模是实现冲压生产的基本条件.在冲模的设计制造上,目前正朝着以下俩方面发展:壹方面,为了适应高速、自动、精密、安全等大批量现代生产的需要，冲模正向高效率、高精度、高寿命及多工位、多功能方向发展，和此相比适应的新型模具材料及其热处理技术，各种高效、精密、数控自动化的模具加工机床和检测设备以及模具CAD/CAM技术也在迅速发展；另壹方面，为了适应产品更新换代和试制或小批量生产的需要，锌基合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模、钢带冲模、组合冲模等各种简易冲模及其制

11、造技术也得到了迅速发展。精密、高效的多工位及多功能级进模和大型复杂的汽车覆盖件冲模代表了现代冲模的技术水平。目前，50个工位之上的级进模进距精度可达到2微米，多功能级进模不仅能够完成冲压全过程，仍可完成焊接、装配等工序。我国已能自行设计制造出达到国际水平的精度达2 5微米，进距精度23微米，总寿命达1亿次。我国主要汽车模具企业，已能生产成套轿车覆盖件模具，在设计制造方法、手段方面已基本达到了国际水平，但在制造方法手段方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，但在制造质量、精度、制造周期和成本方面和国外相比仍存在壹定差距。模具制造技术现代化是模具工业发展的基础。计算机技术、信息

12、技术、自动化技术等先进技术正在不断向传统制造技术渗透、交叉、融合形成了现代模具制造技术。其中高速铣削加工、电火花铣削加工、慢走丝切割加工、精密磨削及抛光技术、数控测量等代表了现代冲模制造的技术水平。高速铣削加工不但具有加工速度高以及良好的加工精度和表面质量（主轴转速壹般为1500040000r/min）,加工精度壹般可达10微米，最好的表面粗糙度Ra1微米），而且和传统切削加工相比具有温升低（工件只升高3摄氏度）、切削力小，因而可加工热敏材料和刚性差的零件，合理选择刀具和切削用量仍可实现硬材料（60HRC）加工；电火花铣削加工（又称电火花创成加工）是以高速旋转的简单管状电极作三维或二维轮廓加工

13、（像数控铣壹样），因此不再需要制造昂贵的成形电极，如日本三菱X公司生产的EDSCAN8E电火花铣削加工机床，配置有电极损耗自动补偿系统、CAD/CAM集成系统、在线自动测量系统和动态仿真系统，体现了当今电火花加工机床的技术水平；慢走丝线切割技术的发展水平已相当高，功能也相当完善，自动化程度已达到无人见管运行的程度，目前切割速度已达到300mm/min,加工精度可达1.5微米，表面粗糙度达Ra=010.2微米;精度磨削及抛光已开始使用数控成形磨床、数控光学曲线磨床、数控连续轨迹坐标磨床及自动抛光等先进设备和技术;模具加工过程中的检测技术也取得了很大的发展,当下三坐标测量机除了能高精度地测量复杂曲

14、面的数据外,其良好的温度补偿装置、可靠的抗振保护能力、严密的除尘措施及简单操作步骤，使得现场自动化检测成为可能。此外，激光快速成形技术（RPM）和树脂浇注技术在快速经济制模技术中得到了成功的应用。利用RPM技术快速成形三维原型后，通过陶瓷精铸、电弧涂喷、消失模、熔模等技术可快速制造各种成形模。如清华大学开发研制的“M-RPMS-型多功能快速原型制造系统”是我国自主知识产权的世界惟壹拥有俩种快速成形工艺（分层实体制造SSM和熔融挤压成形MEM）的系统，它基于“模块化技术集成”之概念而设计和制造，具有较好的价格性能比。壹汽模具制造X公司在以CAD/CAM加工的主模型为基础，采用瑞士汽巴精化的高强度

15、树脂浇注成形的树脂冲模应用在国产轿车试制和小批量生产开辟了新的途径。(3)冲压设备和冲压生产自动化方面性能良好的冲压设备是提高冲压生产技术水平的基本条件，高精度、高寿命、高效率的冲模需要高精度、高自动化的冲压设备相匹配。为了满足大批量高速生产的需要，目前冲压设备也由单工位、单功能、低速压力机朝着多工位、多功能、高速和数控方向发展，加之机械乃至机器人的大量使用，使冲压生产效率得到大幅度提高，各式各样的冲压自动线和高速自动压力机纷纷投入使用。如在数控四边折弯机中送入板料毛坯后，在计算机程序控制下便可依次完成四边弯曲，从而大幅度提高精度和生产率；在高速自动压力机上冲压电机定转子冲片时，壹分钟可冲几百

16、片，且能自动叠成定、转子铁芯，生产效率比普通压力机提高几十倍，材料利用率高达97%；公称压力为250KN的高速压力机的滑块行程次数已达2000次/min之上。在多功能压力机方面，日本田X公司生产的2000KN“冲压中心”采用CNC控制，只需5min时间就可完成自动换模、换料和调整工艺参数等工作；美国惠特尼X公司生产的CNC金属板材加工中心，在相同的时间内，加工冲压件的数量为普通压力机的410倍，且能进行冲孔、分段冲裁、弯曲和拉深等多种作业。近年来，为了适应市场的激烈竞争，对产品质量的要求越来越高，且其更新换代的周期大为缩短。冲压生产为适应这壹新的要求，开发了多种适合不同批量生产的工艺、设备和模

17、具。其中，无需设计专用模具、性能先进的转塔数控多工位压力机、激光切割和成形机、CNC万能折弯机等新设备已投入使用。特别是近几年来在国外已经发展起来、国内亦开始使用的冲压柔性制造单元（FMC）和冲压柔性制造系统（FMS）代表了冲压生产新的发展趋势。FMS系统以数控冲压设备为主体，包括板料、模具、冲压件分类存放系统、自动上料和下料系统，生产过程完全由计算机控制，车间实现24小时无人控制生产。同时，根据不同使用要求，能够完成各种冲压工序，甚至焊接、装配等工序，更换新产品方便迅速，冲压件精度也高。(4)冲压标准化及专业化生产方面模具的标准化及专业化生产，已得到模具行业和广泛重视。因为冲模属单件小批量生

18、产，冲模零件既具的壹定的复杂性和精密性，又具有壹定的结构典型性。因此，只有实现了冲模的标准化，才能使冲模和冲模零件的生产实现专业化、商品化，从而降低模具的成本，提高模具的质量和缩短制造周期。目前，国外先进工业国家模具标准化生产程度已达70%80%，模具厂只需设计制造工作零件，大部分模具零件均从标准件厂购买，使生产率大幅度提高。模具制造厂专业化程度越不定期越高，分工越来越细，如目前有模架厂、顶杆厂、热处理厂等，甚至某些模具厂仅专业化制造某类产品的冲裁模或弯曲模，这样更有利于制造水平的提高和制造周期的缩短。我国冲模标准化和专业化生产近年来也有较大发展，除反映在标准件专业化生产厂家有较多增加外，标准

19、件品种也有扩展，精度亦有提高。但总体情况仍满足不了模具工业发展的要求，主要体当下标准化程度仍不高（壹般在40%以下），标准件的品种和规格较少，大多数标准件厂家未形成规模化生产，标准件质量也仍存在较多问题。另外，标准件生产的销售、供货、服务等都仍有待于进壹步提高。正文如下图1所示拉深件，材料为08钢，厚度0.8mm，制件高度70mm，制件精度IT14级。该制件形状简单，尺寸小，属普通冲压件。试制定该工件的冲压工艺规程、设计其模具、编制模具零件的加工工艺规程。图1壹、冲压件工艺分析1、材料：该冲裁件的材料08钢是碳素工具钢，具有较好的可拉深性能。2、零件结构：该制件为圆桶形拉深件，故对毛坯的计算要

20、。3、单边间隙、拉深凸凹模及拉深高度的确定应符合制件要求。4、 凹凸模的设计应保证各工序间动作稳定。5、 尺寸精度：零件图上所有未注公差的尺寸，属于自由尺寸，可按IT14级确定工件尺寸的公差。查公差表可得工件基本尺寸公差为：二、工艺方案及模具结构类型1、工艺方案分析该工件包括落料、拉深俩个基本工序，可有以下三种工艺方案：方案壹：先落料，首次拉深壹，再次拉深。采用单工序模生产。方案二：落料+拉深复合，后拉深二。采用复合模+单工序模生产。方案三：先落料，后二次复合拉深。采用单工序模+复合模生产。方案四：落料+拉深+再次拉深。采用复合模生产。方案壹模具结构简单，但需三道工序三副模具，成本高而生产效率

21、低，难以满足大批量生产要求。方案二只需二副模具，工件的精度及生产效率都较高，工件精度也能满足要求，操作方便，成本较低。方案三也只需要二副模具，制造难度大，成本也大。方案四只需壹副模具，生产效率高，操作方便，工件精度也能满足要求，但模具成本造价高。通过对上述四种方案的分析比较，该件的冲压生产采用方案二为佳。2、 主要工艺参数的计算(1)确定修边余量该件h=70mm，h/d=70/50=1.4,查冲压工艺和模具设计表4-10可得则可得拉深高度HH=h+=70+3.8=73.8mm(2)计算毛坯直径D由于板厚小于1mm，故可直接用工件图所示尺寸计算，不必用中线尺寸计算。D=(3)确定拉深次数按毛坯相

22、对厚度t/D=0.8/130和工件相对高度H/d=73.8/50=1.36查冲压工艺和模具设计表4-15可得n=2，初步确定需要俩次拉成，同时需增加壹次整形工序。(4)计算各次拉深直径由于该工件需要俩次拉深，查冲压工艺和模具设计表4-11可得，首次拉深系数m和二次拉深系数m:m=0.53m=0.76初步计算各次拉深直径为：d=mD=0.5313069mmd=mD=0.7613050mm(5)选取凸凹模的圆角半径考虑到实际采用的拉深系数均接近其极限值,故首次拉深凹模圆角半径r应取大些,根据压工艺和模具设计表4-7知：r=10t=100.8=8mm由冲压工艺和模具设计式（4-49）和式（4-50）

23、即：r=(0.70.8)r和r=(0.70.8)r计算各次拉深凹模和凸模的圆角半径，分别为：r=8mmr=6mmr=6mmr=5mm(6)计算各次工序件的高度根据冲压工艺和模具设计式（4-39）计算各次拉深高度如下：H=1/4(D)=1/4（）=49mmH=1/4=(D)=1/4=()mm(7)画出工序件简图工序简图如下图2所示：图2三、确定排样图和裁板方案1、 制件的毛坯为简单的圆形件，而且尺寸比较小，考虑到操作方便，宜采用单排。于t=0.8mm,查冲压工艺和模具设计附表7轧制薄钢板拟选用规格为：0.85001000的板料。2、 排样设计图3查冲压工艺和模具设计表2-10，确定搭边值俩工件间

24、的横搭边a=1.2mm；俩工件间的纵搭边a=1.0mm；步距S=d+a=50+1=51mm；条料宽度B=（D+2a+）=52.8故壹个步距内的材料利用率为：=A/BS100=/BS100=72.9由于直板材料选取0.85001000故每块板料可裁剪919=171个工件故每块板料（0.85001000）的利用率为：=nA/LB100=171(d/2)100=67四、计算工序冲压力、压力中心以及初选压力机1、落料力的计算F=1.3Lt式中L冲裁轮廓的总长度；t板料厚度；-板料的抗拉强度查冲压工艺和模具设计附表1可知：=400MPa。故：F=1.3225250.8400=65.31KN2、 卸料力和

25、顶件力的计算=KF=KF式中K为卸料力系数，K为顶件力系数查冲压工艺和模具设计表1-7知：K=0.050；K=0.08故：=KF=0.0565.31=3.27KN=KF=0.0865.31=5.22KN3、压边力的计算采用压边的目的是为力防止变形区板料在拉深过程中的起皱，拉深时压扁力必须适当，压边力过大会引起拉伸力的增加，甚至造成制件拉裂，压边力过小则会造成制件直壁或凸缘部分起皱，所以是否采用压边装置主要取决于毛坯或拉深系数m和相对厚度t/D100由于t/D100=0.8/130100=0.62首次拉深系数=0.53故：查冲压工艺和模具设计表4-3知，俩次拉深均需要采用压边装置。压边力:=式中

26、A为初始有效面积；为单位压边力（MPa）查冲压工艺和模具设计表4-4可知：=2MPa=15.2KN=1.44KN4、拉深力的计算首次拉深时拉深力=二次拉深时拉深力=式中：为首次拉深和二次拉深时工件的直径；为材料抗拉强度（MPa）；为修正系数。查冲压工艺和模具设计表4-1可知：=1;=0.85首次拉深力：=69.33KN二次拉深力：=42.7KN故总拉深力：=+=+=112.03KN由于制件属于深拉深，故确定压力机的公称压力应满足：故：=67.2KN综上所述：=+=202.47KN5、 压力中心的计算7图4由于是圆形工件，如图4所示，所以工件的压力中心应为圆心即o(25,25)6、压力机的选择由

27、于该制件数亿小型制件，且精度要求不高，因此选用开始可倾压力机，它具有工作台面三面敞开，操作方便，成本低廉的有点。根据总压力选择压力机，前面已经算得压力机的公称压力为202.47KN，查冲压工艺和模具模具设计表7.3提供的压力机公称压力中可选取压力机的型号为：J23-16F五、工件零件刃口尺寸的计算刃口尺寸按凹模实际尺寸配作，用配作法，因此凸模基本尺寸和凹模尺寸相同，保证单边间隙(mm)图5查冲压工艺和模具设计表1-3可知：拉深模的单边间隙为：Z=0.015mm式中x为补偿刃口磨损量系数。查冲压工艺和模具设计表2-21可知：x=0.5取落料的尺寸公差IT14，则公差为=0.4mm所以落料凹模的尺

28、寸为：=（130-0.50.4）=129.8mm六、工件零件结构尺寸和公差的确定1、整体落料凹模板的厚度H的确定：H=式中为凹模材料的修正系数，碳素工具钢取=1.3；为凹模厚度按刃口长度修正系数，查冲压工艺和模具设计表2-18可知：=1H=1.31=52.35mm2、凹模板长度L的计算L=D+2C查冲压工艺和模具设计表2-17可知：C取2836mm，根据要求C值可取30mm故：L=D+2C=50+230=110mm故确定凹模板外形尺寸为：11011052（mm）。凸模板尺寸按配作法计算。3、 其他零件结构尺寸序号名称长宽厚（mm）材料数量1上垫板11011040T8A12凸模固定板110110

29、4845钢13空心垫板1101104645钢14卸料版1101104445钢15凸凹模固定板1101105045钢16下垫板11011040T8A17压边圈1101106045钢1(1)第壹次拉深拉深凸模第壹次拉深模,由于其毛坯尺寸和公差没有必要予以严格的限制,这时凸模和凹模尺寸只要取等于毛坯的过渡尺寸即可,以凸模为基准.取公差等级为IT10=0.12mm.d凸=d-0凸=690-0.12mmd凹=(d凸+2Z)0+凹=(69+20.015)0+0.12=69.030+0.12mm拉深凸模采用台阶式，也是采用车床加工,和凸模固定板的配合按H7/m6的配合,拉深凸模结构如下图6所示。图6凸凹模结

30、合工件外形且考虑加工，将凸凹模设计成带肩台阶式圆凸凹模，壹方面加工简单，另壹方面又便于装配和更换，采用车床加工，和凸凹模固定板的配合按H7/m6，凸凹模长度L=99mm,具体结构可如下图7所示。图7落料凹模凹模采用整体凹模，各冲裁的凹模孔均采用线切割机床加工，安排凹模在模架上的位置时，要依据计算压力中心的数据，将压力中心和模柄中心重合。凹模的轮廓尺寸应要保证凹模有足够的强度和刚度，凹模板的厚度仍应考虑修磨量，根据冲裁件的厚度和冲裁件的最大外形尺寸在标准中选取凹模板的各尺寸为：长230mm，宽200mm，因考虑到整套模具的整体布置要求，选其厚度为52mm，结构如下图8所示。图8(2)第二次拉深模

31、凸模根据工件外形且考虑加工，将凸模设计成带肩台阶式圆凸凹模，壹方面加工简单，另壹方面又便于装配和修模，采用车床加工，和凸模固定板的配合按H7/m6。凸模长度L=H1+H2+Y式中H1凸模固定板厚度H2压边圈高度Y附加长度，包括凸模刃口修磨量，凸模进入凹模的深度73.8mm，因此凸模长度L=48+60+73.8=181.8mm。具体结构可参见下图9所示。图9凹模凹模采用整体凹模，各冲裁的凹模孔均采用线切割机床加工，安排凹模在模架上的位置时，要依据计算压力中心的数据，将压力中心和模柄中心重合。取凹模轮廓尺寸为160mm73.8mm，结构如下图10所示。拉深凸模和凹模工作部分的尺寸及其制造公差:查表得凸凹的制造公差为:凸=0.02mm凹=0.03mm当工件要求内形尺寸:凸模尺寸:d凸=(dmin+0.