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煙灰缸蓋的沖壓工藝及模具設(shè)計
學(xué) 生：周茂賢
指導(dǎo)老師：董亮
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙410128）
摘 要：本設(shè)計應(yīng)用本專業(yè)所學(xué)的模具理論和生產(chǎn)實際知識進(jìn)行一次冷沖壓模具設(shè)計，其中包括了落料拉深復(fù)合模和沖孔翻邊復(fù)合模的設(shè)計，并詳細(xì)地描述復(fù)合模具的結(jié)構(gòu)如凸、凹模，定位零件，導(dǎo)向零件，卸料與推件裝置，連接與固定零件等的設(shè)計過程，重要零件的工藝參數(shù)的選擇與計算以及各個參數(shù)的校核。這次模具設(shè)計的目的在于提高學(xué)生獨立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了冷沖壓模具設(shè)計等課程所學(xué)內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：落料拉深；沖孔翻邊；工藝分析
The Stamping and Mold Design of Ashtray Cover
Student：Zhou Maoxian
Tutor：Dong Liang
（College of Engineering , Hunan Agriculturial University，Changsha 410128，China）
Abstract: This paper applied the professional mould theory and production to learn a practical
knowledge of cold stamping mould design, including the blanking deep drawing composite membrane and punching flanging composite membrane design.The paper describes in detail the structure of a ramming mold,for example bulge and concave mold,locating elements,guide element,ex-denning and liftout attachment and so on, choice and compute technological parameter of important components and examinute each parameter. The mould design purpose was to improve students' ability to work
independently, consolidate and expand cold stamping mould design lessons content.
Key word：blanking drawing; punching flanging; process analysis
1 前言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要，模具已成為現(xiàn)代化不可缺少的工藝設(shè)備，模具設(shè)計是機(jī)械專業(yè)一個最重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，而且模具是工業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)工藝裝備，是一種高附加值的高技術(shù)密集型產(chǎn)品，也是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域，其技術(shù)水平的高低已成為衡量一個國家制造水平的重要標(biāo)志。沖壓成型作為現(xiàn)在工業(yè)中一種十分重要的加工方法，用以生產(chǎn)各種板料零件，具有很多獨特的優(yōu)勢，其成型件具有自重輕、剛度大、強(qiáng)度高、互換性好、成本低、生產(chǎn)過程便于實現(xiàn)機(jī)械自動化及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，是一種其他加工方法所不能相比和不可替代的先進(jìn)制造技術(shù)，在制造業(yè)中具有很強(qiáng)的競爭力，被廣泛應(yīng)用于汽車、能源、機(jī)械、信息、航空航天、國防工業(yè)和日常生活的生產(chǎn)之中。在吸收了力學(xué)、數(shù)學(xué)、金屬材料學(xué)、機(jī)械科學(xué)以及控制、計算機(jī)技術(shù)等方面的知識后，已經(jīng)形成了沖壓學(xué)科的成形基本理論[1]。以沖壓產(chǎn)品為龍頭，以模具為中心，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，在產(chǎn)品的巨大市場需求刺激和推動下，沖壓成形技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、實現(xiàn)現(xiàn)代化和提高人民生活水平方面發(fā)揮著越來越重要的作用。
據(jù)中國模具工業(yè)協(xié)會發(fā)布的統(tǒng)計材料，2006年我國模具總產(chǎn)值約為710億元，出口10.41億元，進(jìn)口10.49億元。
我國模具行業(yè)經(jīng)濟(jì)活動總還有以下幾個特點：（1）總產(chǎn)值中2/3為自用，1/3為商品銷售；（2）制造模具的比重為沖壓模占50%，塑料模占33%，壓鑄模占6%，其他占11%；（3）進(jìn)口模具的比重為塑料模大于沖壓模；（4）模具進(jìn)口依次為日本，臺灣地區(qū)，韓國，香港地區(qū)，歐美各國[2]。
本設(shè)計應(yīng)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實際知識進(jìn)行一次冷沖壓模具設(shè)計工作的實際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了冷沖壓模具設(shè)計等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握冷沖壓模具設(shè)計的方法和步棸，掌握冷沖壓模具設(shè)計的基本的模具技能，并懂得了怎么樣分析零件的工藝性，怎么樣確定工藝方案，了解了模具的基本結(jié)構(gòu)，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨立思考的能力也有了提高。采用落料拉深復(fù)合模，能較好地實現(xiàn)落料及落料件的修邊，模具設(shè)計制造也簡便易行。落料拉深效果好，能極大地提高生產(chǎn)效率，但落料拉深凹模的設(shè)計較為重要，設(shè)計中應(yīng)充分考慮其落料拉深?？谛螤?，否則易影響落料拉深件的形狀。主要工序包括：a落料拉深復(fù)合模加工，b沖孔翻邊復(fù)合模加工，c成型。本設(shè)計分別論述了產(chǎn)品工藝分析，沖壓方案的確定，工藝計算，模板及零件設(shè)計，模具組立等問題。本設(shè)計的內(nèi)容是確定復(fù)合模內(nèi)型和結(jié)構(gòu)形式以及工藝性，繪制模具總圖和非標(biāo)準(zhǔn)件零件圖。
這次畢業(yè)設(shè)計的目的有兩個：一是讓學(xué)生掌握了查詢資料和手冊的能力，并能夠很好的理解課程上所學(xué)習(xí)的知識。二是掌握了模具設(shè)計的方法和步棸，了解了模具加工的工藝過程。
2 煙灰缸蓋的工藝性分析
圖1 零件外形圖
Fig1 Appearance picture of the part
如圖所示，該工件為軸對稱拉深件，在圓周方向上的變形也是均勻的，模具的加工也比較容易，但是中間有個內(nèi)凹孔，這就不得不用翻邊來完成工件的加工。
（1）從工件形狀上看，屬于圓筒形拉深件，其主要問題是考慮圓筒形件是否可以一次拉成。
（2）由于中間有內(nèi)凹孔，所以也要判斷是否可以一次翻邊成功。
（3）由于該工件精度要求不高，不需要擴(kuò)孔跟出毛坯等提高加工精度的步棸[3]。
2.1 沖壓工藝方案的分析和比較
（1）方案1
先落料拉深采用連續(xù)模，再沖孔，最后翻邊
（2）方案2
先落料拉深復(fù)合，再沖孔，最后翻邊
（3）方案3
先落料拉深復(fù)合，再沖孔翻邊復(fù)合
方案的比較就是沖壓件的工藝路線的比較，主要包括沖壓工序數(shù)，工序的組合和順序的比較等。確定合理的沖裁工藝方案應(yīng)在不同的工藝方面進(jìn)行全面的分析與研究，比較其綜合的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，選擇一個合理的沖壓工藝方案。
方案1雖然考慮到零件拉深工藝的復(fù)雜性，減少了產(chǎn)品的沖壓成型時間，但是模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求高，制造周期長，制模成本高，加工也不方便。而方案二雖然用落料拉深復(fù)合模相應(yīng)地提高了成型的速度，但是后面2個工序卻增加了制造的周期。相比之下方案三由于采用落料拉深復(fù)合模和沖孔翻邊復(fù)合模就大大地提高了成型的速度，使得模具制造周期短，制造低廉，工人操作安全，方便可靠。
2.2 確定排版、裁板方案
在沖壓生產(chǎn)中，節(jié)約金屬和減少廢料具有非常重要的意義，特別是在大批量生產(chǎn)中，合理的排樣和選擇適當(dāng)?shù)拇钸呏凳墙档统杀?、保證工件質(zhì)量及延長模具壽命的有效措施。
此沖裁件為圓形，采用無廢料排樣不可能，而采用少廢料排樣影響了工件的質(zhì)量和精度，同時還會縮短模具的壽命，所以采用直排的方式來確定排樣方案[4]。排樣方式如圖所示：
圖2 排樣圖
Fig2 Layout drawing
按表1查得最小搭邊值：a = 1.5mm，a1 = 1.5mm
條料寬度：b = 138+2a =141mm
進(jìn)距：h = 138+a1 = 139.5mm
一個進(jìn)距的材料利用率η
η=n×A/bh×100%=76% （1）
式中：A-沖裁件面積，
n-一個進(jìn)距沖裁件數(shù)目；
b-條料寬度，mm；
h-進(jìn)距，mm。
表1 沖裁金屬材料的搭邊值
Table1 Punching metal structures on the value side
料厚 圓形 非圓形 往復(fù)送料 自動送料 a a1 a a1 a a1 a a1
~1 1.5 1.5 2 1.5 3 2 - -
>1~2 2 1.5 2.5 2 3.5 2.5 3 2
>2~3 2.5 2 3 2.5 4 3.5 - -
>3~4 3 2.5 3.5 3 5 4 4 3
>4~5 4 3 5 4 6 5 5 4
>5~6 5 4 6 5 7 6 6 5
>6~8 6 5 7 6 8 7 7 6
>8 7 6 8 7 9 8 8 7
3 落料拉深復(fù)合模工序設(shè)計計算
3.1 沖壓件的工藝分析
此工件為無凸緣圓筒形件，要求內(nèi)形尺寸，沒有厚度不變的要求。
工件底部圓角半徑rt=8mm，大于拉深凸模圓角半徑rp =4~6mm（查表4.31的首次拉深凹模圓角半徑rd，而rp=（06~1）rd=4~6mm），滿足要求。最后按公差表查得工件為IT14級，滿足拉深工序?qū)ぜ畹燃壍囊蟆?
3.1.1 計算毛坯直徑D
根據(jù)毛坯尺寸的確定原則可知有兩種方法來計算毛坯的計算原則：
1.面積相等原則：
由于拉深前和拉深后材料的體積不變，對于不變薄拉深，假設(shè)材料厚度拉深前后不變，拉深毛坯的尺寸按“拉深前后的表面積相等”來確定。
2.形狀相似原則：
拉深毛坯的形狀一般與拉深件橫截面的形狀相似，即當(dāng)零件的形狀是圓形或橢圓形時，其拉深前毛坯的展開形狀也基本上是圓形或橢圓形[5]。
如圖1所示，h =（25.5-0.5）= 25mm，d =（100-1）= 99。工件的相對高度h/d = 25mm/99mm =0.253。根據(jù)相對高度從表2中查得修邊余量Δh = 2mm。
由表2序號1，查得無凸緣圓筒形拉深工件的毛坯尺寸計算公式為
D （2）
將d =99mm，H =h+Δh = 27mm，r =8+0.5 = 8.5mm代入上式得
D =138mm
表2 常用旋轉(zhuǎn)體拉深件毛坯直徑的計算公式
Table2 Common rotation drawing parts formula for calculating the blank diameter
序 號 工作形狀 毛坯直徑D
1 √（d2+4d（H+δ）-1.72rd-0.56r2）
3.1.2 判斷拉深次數(shù)
工件總的拉深系數(shù)：
m總 = d/D = 99/138 = 0.7 （3）
毛坯相對厚度：
t/D = 1/138 = 0.0072 （4）
采用壓邊圈的條件：
用式來判斷是否需要壓邊。
因，
故需加壓邊圈。
由相對厚度可以從表3中查得首次拉深的極限拉深系數(shù)m=0.54
因m總>m1,故工件只需一次拉深。
表3 無凸緣圓筒形工件的多次拉深
Table3 No lugs cylindrical workpieces repeatedly deep drawing
拉深因數(shù) 毛坯的相對厚度t/D*100
2～1.5 <1.5～1.0 <1.0～0.5 <0.6～0.3 <0.3～0.15
m1 0.48～0.50 0.50～0.53 0.53～0.55 0.55～0.58 0.58～0.60
m2 0.73～0.75 0.75～0.76 0.76～0.78 0.78～0.79 0.79～0.80
m3 0.76～0.78 0.78～0.79 0.79～0.80 0.80～0.81 0.81～0.82
m4 0.78～0.80 0.80～0.81 0.81～0.82 0.82～0.83 0.83～0.85
m5 0.80～0.82 0.82～0.83 0.83～0.85 0.85～0.86 0.86～0.87
3.2 落料拉深的相關(guān)計算
3.2.1 確定工藝方案
本工件首先需要落料制成D = 138mm的圓片，然后以D = 138mm的圓板料為毛坯進(jìn)行拉深，拉深成外徑為1000-0.87mm、內(nèi)圓角R為8mm的無凸緣圓筒，最后按h = 25.5mm進(jìn)行修邊。
3.2.2 進(jìn)行必要的計算
（1）計算落料力、壓邊力、拉深力
落料力是選擇壓力機(jī)的主要依據(jù)，也是設(shè)計模具所必需的數(shù)據(jù)。一般包括彈性變形階段，塑性變形階段，分離階段三部分。
彈性變形階段
當(dāng)凸模對板料施壓，是材料產(chǎn)生彈性變形。板料稍微擠入凹?？?。板料與凸凹模接觸處成很小的圓角。由于凸凹模之間存在間隙，板料同時受到彎曲和拉伸的作用，凸模下的板料產(chǎn)生彎曲，凹模上的板料開始上翹。
塑性變形階段
當(dāng)凹模繼續(xù)壓到一定深度時，材料內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到屈服點，板料開始在與凸模、凹模的刃口接觸處產(chǎn)生塑性變形。隨著沖壓過程的繼續(xù)，應(yīng)力不斷增加，材料的變形程度便不斷增加，變形區(qū)向板材的深度方向擴(kuò)展，直至凸、凹模刃口處達(dá)到極限應(yīng)力和應(yīng)變值，材料即產(chǎn)生微小變形。
分離階段
裂紋產(chǎn)生后，隨凸模繼續(xù)壓入，凸凹模刃口附近產(chǎn)生的微裂紋沿最大剪應(yīng)變速度方向不斷向板材內(nèi)部擴(kuò)展。若間隙合適，上、下裂紋則相遇重合，板料上下部分離。
落料力F=KLtτ[6]
式中：F---沖裁力；
L---沖裁件的周長；
t---材料的厚度；
τ---材料的抗剪強(qiáng)度；
K---安全系數(shù)，取K=1.3。
在一般情況下材料的強(qiáng)度極限≈1.3τ，為方便計算，則沖裁力F可由下式計算：
F=Lt
取10鋼的強(qiáng)度極限=430MPa， t = 1mm，L = 433mm 代入數(shù)值計算：
F=Lt=186327N （4）
卸料力 F卸=K卸F 查表2.10得K卸=0.05，則
F卸=9316.35N （5）
頂出力 F頂=K頂F 查表2.10得K頂=0.06，則
F頂=11179.62N （6）
推件力 F推=nK推F 查表2.10得K推=0.055，則
F推=10247.985N （7）
選擇沖床時的總沖壓力：
F總= F+F卸+F頂+F推=217070.96N （8）
拉伸所用的模具主要由凸模、凹模和壓邊圈組成。與沖裁不同的是，凸模、凹模工作部分沒有鋒利的刃口，而是有一定的圓角半徑，并且其間隙較稍大于板料的厚度。在凸模的壓力下、直徑為D、厚度而為t的圓形板料逐漸被拉入凹模洞口，得到外徑為d、高度為H的開口圓形工件。
由表4確定壓邊力的計算公式為
（9）
式中，單邊壓邊力；
平板毛坯直徑；
第1～n次拉深直徑；
r凹--拉深凹模圓角半徑；
式中rd = rp = 8mm，D = 116mm，d1 = 74，由相關(guān)資料查得p=2.7MPa
代入上式，得壓力為FQ=13225N
表4 壓邊力的計算公式
Table4 Put pressure on our side of the formula
拉深情況 公式
拉深任何形狀的工件 FQ = Ap
圓筒形件的第一次拉深（用平板毛坯） FQ = π/4[D2-（d1+2rd）2]p
圓筒形件以后各次拉深（用筒形毛坯） FQ = π/4（dn-12-dn2）p
查表5計算拉深力為
（10）
式中，拉深件的直徑；
材料厚度??；
——材料的強(qiáng)度極限；
拉深力；
系數(shù)；
已知m = 0.7，由表5查得K1=0.52，10鋼的強(qiáng)度極限=430MPa
式中d = 99mm，t = 1mm，得出F = 69544N
表5 計算拉深力的使用公式
Table5 Using formula calculation of drawing force
拉深件型式 拉深工序 公式 查系數(shù)k的表格編號
無凸緣圓筒形件 第1次 FL = k1πd1tδb 查表8
第2次及以后 FL = k2πd2tδb 查表9
查相關(guān)資料，壓力機(jī)的公稱壓力為F壓 ≥1.4（FQ+F）= 114627N
故選用的壓力機(jī)公稱壓力要大于125KN?？紤]到壓力機(jī)的使用安全，選擇壓力機(jī)的噸位時，總工藝力FΣ一般不應(yīng)超過壓力機(jī)額定噸位的80%。壓力機(jī)選用J23-35開式可傾壓力機(jī)公稱壓力為350KN
（2）模具工作部分尺寸的計算
拉深模的間隙
拉深間隙是指凸凹模橫向尺寸的差值，雙邊間隙用Z表示。間隙過小，工件質(zhì)量較好，但拉深力大工件容易拉斷，模具磨損嚴(yán)重，壽命低。間隙過大，拉深力小，模具壽命提高了，但工件易起皺變厚，側(cè)壁不直，口部邊線不齊，有回彈，質(zhì)量不能保證。
因此，確定間隙的原則是：既要考慮到板料公差的影響，又要考慮毛坯口部增厚現(xiàn)象，故間隙值一般應(yīng)比毛坯厚度略大一些，其值按下式計算；
單面間隙：
式中，板料的最大厚度，；
板料的厚度；
板料的正偏差；
間隙系數(shù)，考慮到板料增厚現(xiàn)象；
由表6可知有壓邊圈拉深時，拉深模的單邊間隙為：
Z/2 = 1.1mm：
表6 有壓邊圈拉深時的單邊間隙值
Table6 Unilateral clearance of the blank holder drawing value
總拉深次數(shù) 拉深工序 單邊間隙Z/2
1 一次拉深 （1～1.1）t
2 第一次拉深 1.1t
第二次拉深 （1～1.05）t
拉深模圓角半徑
圓角半徑對拉深過程的影響
拉深力是通過凸模圓角傳遞到被拉深工件上的，位于凸模圓角處的工件材料是最容易破裂的，“危險斷面”凸模圓角半徑r增大，則該處拉深件材料因厚度變薄量減小而強(qiáng)度增大，所傳遞的極限拉深力F也增大，因而可以減小拉深系數(shù)m。
拉深模的凹模圓角半徑要取得適當(dāng)，如果增大凹模圓角半徑ra則材料拉入凹模時的阻力減小，拉深系數(shù)m也減小，但當(dāng)如果當(dāng)ra取得過大，則有更多的材料未被壓料圈壓住，而容易起皺。在拉深工件時，對于變形量較大處，就需要用較大的ra，由于在矩形件拉深時，角部的變形量最大，為了使金屬的流動性較為均勻，角部的凹模圓角半徑應(yīng)比直邊處的凹模圓角半徑大。
圓角半徑數(shù)值
凹模的圓角半徑rd按表7選取，rd = 8t = 8mm。凸模的圓角半徑r等于工件的內(nèi)圓角半徑，即rp = r = 8mm。
表7 首次拉深凹模的圓角半徑
Table7 Deep drawing die for the first time the fillet radius
拉深件形式 毛坯的相對厚度t/D*100
2.0～1.0 1.0～0.3 <0.3～0.1
有凸緣 （4～6）t （6～8）t （8～12）t
無凸緣 （8～12）t （12～15）t （15～20）t
拉深凸、凹模工作部分的尺寸和公差。
由于工件要求外形尺寸，則以凹模為設(shè)計基準(zhǔn)。已知Δ = 0.87，將模具公差按IT11級選取，則δp = 0.22
凸模的尺寸按表8計算，即
Dp =（Dmax-0.75Δ-Z）+δP0 = 97.15+0.220 （11）
凹模尺寸的計算見表8得
Dd=（Dmax -0.75Δ）+δd0 =99.350-0.22 （12）
式中，Dmax ---為工件外形的最大尺寸；
-工件的公差；
凸凹模的制造公差；
表8 拉深模徑向尺寸計算公式
Table8 Radial size drawing die formula
尺寸標(biāo)準(zhǔn)方式 凹模尺寸 凸模尺寸
標(biāo)注內(nèi)形尺寸 中間拉深dd = （dmin+Z）+δd0 中間拉深dp = dmin0-δp
末次拉深 末次拉深
dd = （dmin+0.4Δ+Z）+δd0 dp = （dmin+0.4Δ）0-δp
標(biāo)注外形尺寸 中間拉深Dd = Dmax+δd0 中間拉深Dp = （Dmax-Z）0-δp
末次拉深 末次拉深
Dd = （Dmax-0.75Δ）+δd0 Dp = （Dmax-Z-0.75Δ）0-δp
3.2.3 確定凸模的通氣孔
由表9查得，凸模的通氣孔直徑為8mm。
表9 拉深凸模出氣孔尺寸
Table9 Drawing a pore size of the punch
凸模直徑dp/mm <50 >50～100 >100～200 >200
出氣孔直徑d/mm 5 6.5 8 9.5
數(shù)量 按圓周直徑Φ50～Φ60均步4～7個成一組
3.2.4 落料凸、凹模工作部分的尺寸和公差
查表10的間隙值Zmin = 0.13mm，Zmax = 0.16mm。
表10 落料、沖孔模刃口始用間隙
Table10 Blanking, piercing begins with cutting edge gap
材 45 10、15、20 Q215、Q235鋼板 H62、H68（軟）、 酚醛環(huán)氧層壓 鋼紙板、
料 T7、T8（退火）30鋼板 0.8、10.15鋼板 防銹剛 玻璃布板 云母板
名
稱
力學(xué)性能 》600MPa >400～600 >300～400MPa 《300MPa
厚度t 初始間隙Z
Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax
0.1 0.015 0.035 0.01 0.03 - - - - - - - -
0.2 0.025 0.045 0.015 0.035 0.01 0.03 - - - - - -
0.3 0.04 0.06 0.03 0.05 0.02 0.04 0.01 0.03 - - - -
0.5 0.08 0.10 0.06 0.08 0.04 0.06 0.025 0.045 0.01 0.02 - -
0.8 0.13 0.16 0.10 0.13 0.07 0.10 0.045 0.075 0.015 0.03 - -
1.0 0.17 0.20 0.13 0.16 0.10 0.13 0.065 0.095 0.025 0.04 - -
1.2 0.21 0.24 0.16 0.19 0.13 0.16 0.075 0.105 0.035 0.05 - -
1.5 0.27 0.31 0.21 0.25 0.15 0.19 0.10 0.14 0.004 0.05 - -
查表11的磨損系數(shù)x = 0.5，Δ=1，取合理最小間隙為0.15mm
表11 磨損系數(shù)x
Table11 Wearing and tearing coefficient of form x
材料厚度t/mm 非圓形 圓形
1 0.75 0.5 0.75 0.5
工件公查Δ/mm
《1 <0.16 0.17～0.35 》0.36 <0.16 》0.16
>1～2 <0.20 0.21～0.41 》0.42 <0.20 》0.20
>2～4 <0.24 0.25～0.49 》0.50 <0.24 》0.24
>4 <0.30 0.31～0.59 》0.60 <0.30 》0.30
查表12得出Dd =（Dmax-xΔ）=137.5+0.0350 （13）
Dp =（Dmax-xΔ-Zmin）=137.350-0.025 （14）
式中：Dmax ---孔的最大極限尺寸；
Dp 、Dd---分別為落料凸、凹模的刃口尺寸；
凸凹模的制造公差；
Δ---工件的制造公差；
Zmin ---最小合理間隙；
X---磨損系數(shù)。
表12 規(guī)則形狀（圓形、方形件）沖裁時，凸、凹模的制造公差
Table12 Regular shape (round, square pieces) punching, the convex mold
manufacturing tolerances
公稱尺寸 凸模 凹模
《18 0.020 0.020
>30～80 0.020 0.020
>80～120 0.025 0.035
>120～180 0.030 0.040
3.2.5 落料拉深模具總體設(shè)計
（1）確定導(dǎo)向方式
方案一采用對角導(dǎo)柱模架。由于導(dǎo)柱安裝在模具壓力中心對稱的對角線上，所以上模座在導(dǎo)柱上滑動平穩(wěn)。常用于橫向送料級進(jìn)?；蚩v向送料的落料模、復(fù)合模。
方案二采用后側(cè)導(dǎo)柱模架。由于前面和左、右不受限制，送料和操作比較方便。
方案三四導(dǎo)柱模架。具有導(dǎo)向平穩(wěn)、導(dǎo)向準(zhǔn)確可靠、剛性好等優(yōu)點。常用于沖壓件尺寸較大或精度要求較高的沖壓零件，以及大量生產(chǎn)用的自動沖壓模架。
方案四中間導(dǎo)柱模架。導(dǎo)柱安裝在模具的對稱線上，導(dǎo)向平穩(wěn)、準(zhǔn)確。
根據(jù)以上方案比較并結(jié)合模具結(jié)構(gòu)形式和送料方式，為提高模具壽命和工件質(zhì)量，該落料拉伸模采用后側(cè)導(dǎo)柱模架的導(dǎo)向方式。
（2）定位方式的選擇
定位零件是用來保證條料的正確送進(jìn)及在模具中的正確位置，以保證沖制出合格的零件。條料在模具送料平面中必須有兩個方向的限位：一是在與條料方向垂直方上的限位，保證條料沿正確的方向送進(jìn)成為送進(jìn)導(dǎo)向；二是在送料方向的限位,控制條料一次送進(jìn)的距離。
導(dǎo)料銷的選擇
屬于送料導(dǎo)向的定位零件有導(dǎo)料銷，導(dǎo)料板、側(cè)壓板等。導(dǎo)料板及側(cè)壓板多用于級進(jìn)模和單工序模中。導(dǎo)料銷則多用于復(fù)合模和單工序模中。因此選導(dǎo)料銷做為導(dǎo)向且位于條料的同側(cè)，一般設(shè)2個，從前向后送料時導(dǎo)料銷裝在左側(cè)，為標(biāo)準(zhǔn)件。
擋料銷的選擇
屬于送料定距的定位零件有擋料銷、導(dǎo)正銷、側(cè)刃等，導(dǎo)正銷及側(cè)刃多用于級進(jìn)模和單工序模中。擋料銷則多用于復(fù)合模和單工序模中。選取擋料銷做定距定位零件。在模具閉合后不許擋料銷的頂端高出材料因選取固定擋料銷。
（3）卸料裝置和推件裝置的選擇
卸料裝置的選擇
為了沖壓后卡在凸模上、凸凹模上的制件或廢料卸掉，將機(jī)械設(shè)備制件從凹模中推出來（凹模在上模），或頂出來（凹模在下模），以保證下次沖壓正常進(jìn)行，設(shè)計模具時，必須正確選擇卸料方式和設(shè)計卸料裝置。
在選用壓料、卸料裝置的形式時，應(yīng)考慮操作方式，即板料送進(jìn)和定位是手動操作還是自動化操作，出料方式是上出料，還是下出料。 壓料、卸料裝置根據(jù)沖壓件平整度要求或料的厚薄來決定。一般情況對于沖裁較硬、較厚且精度要求不高的工件，可選擇剛性卸料方式，對于沖裁料厚在1.5mm 以下，且要求沖裁件比較平整的制件，可選擇彈性卸料方式，對于彎曲、拉深等成形零件的卸料方式選擇及卸料裝置的設(shè)計，應(yīng)考慮既不損壞成形部位，又能滿足機(jī)械卸料要求的機(jī)械卸料裝置。卸料裝置設(shè)計的正確與否，直接影響工件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和操作安全程度。 其卸料力的大小決定與所選用的彈性元件。結(jié)合本次工序的要求選取彈性卸料板。
推件裝置的選擇
推件裝置主要有剛性推件裝置和彈性推件裝置兩種，一般剛性用的較多，它由打桿、推板、連接桿和推件塊組成。其工作原理是在沖壓結(jié)束后上模回程時，利用壓力機(jī)滑塊上的打料桿，撞擊上模內(nèi)的打桿與推件板，將凹模內(nèi)的工件推出，其推件力大。
（4）凸凹模的設(shè)計
圖3 落料拉伸凸凹模
Fig3 Blanking strench intensive
圖4 拉伸凸模
Fig4 Strenching the punch
圖5 落料凹模
Fig5 Blanking die
（5）模架尺寸
上模座：L/mm×B/mm×H/mm=240×180×45 GB2855.5-81 HT200
下模座：L/mm×B/mm×H/mm=240×180×45 GB2855.6-81 HT200
導(dǎo)柱：d/mm×L/mm=32×160 A32h5×160 GB2861.1-81
導(dǎo)套：d/mm×L/mm×D/mm=32×65×45 A25h5×65×45 GB2861.7-81
模具的閉合高度：200mm
凸模固定板的厚度：16mm
凹模固定板的厚度：35mm
卸料板的厚度：14mm
壓邊圈的厚度：10mm
如圖所示
圖6 落料拉深復(fù)合模具總裝配圖
Fig6 Drawing compound die for blanking General Assembly drawing
4 沖孔翻邊復(fù)合模工序設(shè)計計算
4.1 翻邊件的工藝分析
Ф60mm處由內(nèi)孔翻邊成形，翻邊前應(yīng)預(yù)沖孔；Ф100mm是圓筒形拉深件，可一次拉深成形。工序安排為落料、拉深、預(yù)沖孔、翻邊等。翻邊前為Ф100mm、高25mm的無凸緣圓筒形件，如圖1
4.2 工藝計算
4.2.1 計算預(yù)沖孔
D = 68mm，H = 10mm，h = H-r-t = 10-8-1 = 1mm
由相關(guān)資料查得計算翻邊前預(yù)沖孔直徑d0的公式
d0 = D-2（H-0.43r-0.72t）=68-2×（10-0.43×8.5-0.72）=57.75mm （15）
4.2.2 計算翻邊系數(shù)
由表13計算翻邊系數(shù)為m=d0/D=0.85 （16）
由d/t = 57.75查相關(guān)資料得知10鋼極限翻邊系數(shù)為0.75 < m，所以該零件能一次翻邊成形，預(yù)沖孔直徑d = 57.75mm。
表13 各種材料的翻邊系數(shù)
Table13 Flanging coefficient of various materials
材料名稱 翻邊系數(shù)
K Kmin
白鐵皮 0.70 0.65
軟剛 t = 0.25～2mm 0.72 0.68
軟剛 t = 3～6mm 0.78 0.75
黃銅H62 t = 0.5～6mm 0.68 0.62
鋁 t = 0.5～5mm 0.70 0.64
硬鋁合金 0.89 0.80
4.2.3 計算翻邊力、沖裁力
P = 1.1π（D-d）τ中查表14得 = 206MPa，得出p = 2549.25N
沖裁力F = Ltτ = Lt （17）
式中查表14得 = 430MPa，t = 1mm，L = 149mm 得出F = 64472N
而我采用的是彈壓頂件裝置的倒裝式復(fù)合模，F(xiàn)Σ = F+F卸+F推+F頂查相關(guān)資料可以得出F卸、F推、F頂?shù)闹?。最后得出壓力F = 182577N
表14 黑色金屬材料的力學(xué)性能
Table14 Mechanical properties of ferrous materials
材料名稱 牌號 材料的狀態(tài) 力 學(xué) 性 能
抗剪強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 屈服點 伸長率 彈性模量
τ/MPa δb/MPa δs/MPa δ10/% 10-3E/MPa
電工用的工業(yè)純鐵 已退火 177 225 - 26 -
電工硅鋼
普通碳素鋼 Q235 未經(jīng)退火304～373 432～461 235 19～23
碳素結(jié)構(gòu)鋼 8 已退火 255～353 324～441 177 32 186
碳素結(jié)構(gòu)鋼 10 已退火 255～333 294～432 206 29 194
碳素結(jié)構(gòu)鋼 15 已退火 265～373 333～471 225 26 198
4.2.4 沖孔翻邊復(fù)合工序壓力機(jī)的選擇
考慮到壓力機(jī)的使用安全，選擇壓力機(jī)的噸位時，總工藝力FΣ一般不應(yīng)超過壓力
機(jī)額定噸位的80%。壓力機(jī)選用J23-25開式可傾壓力機(jī)公稱壓力為250KN
4.2.5 沖孔翻邊模具工作部分尺寸
（1）翻邊模的間隙
由表14查得拉深模的單邊間隙為Z/2 = 0.85mm。
表15 平板毛坯翻邊時凸、凹模之間的間隙
Table15 The gap between the die with flat blank flange convex
工件形狀 t/mm Z/2/mm
0.3 0.25
0.5 0.45
0.7 0.60
0.8 0.70
1.0 0.85
1.2 1.00
1.5 1.30
（2）凸、凹模工作部分的尺寸和公差。由于工件要求內(nèi)孔尺寸，則以凸模為
設(shè)計基準(zhǔn)。已知Δ = 0.74，凸模尺寸的計算見相關(guān)資料dp =（d0min+Δ）0-δp將模具公差按IT11級選取，則δ=0.19代入數(shù)據(jù)得dp =68.740-0.19 （18）
間隙取在凹模上，則凹模的尺寸按表15計算，即dd =（d0min+Δ+Z）+δd0，則得出dd=70.44+0.190 （19）
表16 圓形拉深模凸、凹模的制造公查
Table16 Round convex drawing die and die manufacturing tolerances
材料厚度 工件直徑的基本尺寸
<10 >10～50 >50～200 >200～500
δd δp δd δp δd δp δd δp
0.25 0.015 0.010 0.02 0.010 0.03 0.015 0.03 0.015
0.35 0.020 0.010 0.03 0.020 0.04 0.020 0.04 0.025
0.5 0.030 0.015 0.04 0.030 0.05 0.030 0.05 0.035
0.80 0.040 0.025 0.06 0.035 0.06 0.040 0.06 0.040
1.0 0.045 0.030 0.07 0.040 0.08 0.050 0.08 0.060
4.2.6 預(yù)沖孔模具工作部分尺寸
查表10的間隙值Zmin =0.13mm，Zmax =0.16mm。
查表11的磨損系數(shù)x=0.5，Δ=0.74，取合理最小間隙為0.13mm
查表12得出dd =（dmin+xΔ+ Zmin）+δd0=58.25+0.190 （20）
dp =（dmin+xΔ）0-δp = 58.120-0.19 （21）
4.2.7 沖孔翻邊模具總體設(shè)計
圖7 沖孔翻邊凸凹模
Fig7 Punching in flanging intensive
圖8 沖孔凸模
Fig8 Piercing punch
圖9 翻邊凹模
Fig9 Flanging die
（2）模架尺寸
上模座：L/mm×B/mm×H/mm=170×160×45 GB2855.5-81 HT200
下模座：L/mm×B/mm×H/mm=170×160×45 GB2855.6-81 HT200
導(dǎo)柱：d/mm×L/mm=28×160 A28h5×160 GB2861.1-81
導(dǎo)套：d/mm×L/mm×D/mm=28×60×42 A28h5×60×42 GB2861.7-81
模具的閉合高度：200mm
凸模固定板的厚度：20mm
凹模固定板的厚度：16mm
凹模固定板的厚度：30mm
卸料板的厚度：14mm
墊板的厚度：10mm
如下圖所示：
圖10 沖孔翻邊復(fù)合?？傃b配圖
Fig10 Total Assembly of piercing-flanging compound film
5 各凸模與凸凹模校核
5.1 落料凸模的校核
5.1.1 凸?？箟簭?qiáng)度校核
凸模正常工作條件是其刃口斷面承受的軸向壓力不應(yīng)超過模具材料的許用壓應(yīng)力，即δc = FΣ /S 《 [δc] （22）
式中：δc——凸模刃口端面承受的壓應(yīng)力，MPa；
F——作用在凸模刃口端面上的總壓力，N；
S——凸模刃口端面面積，mm2；
[δc] ——模具鋼的許用壓應(yīng)力，MPa。
圓形凸模如圖，即d 》d = 4tτk（1+nK推）/[δc] （23）
式中：Smin——凸模端面面積的臨界值，mm2；
dmin——凸模的最小許用直徑，mm；
d——凸模的設(shè)計直徑，mm；
n——積聚在凹模型孔內(nèi)的零件數(shù)；
K推——推件力系數(shù)。
5.1.2 凸模抗壓失穩(wěn)校核
細(xì)長凸?？箟菏Х€(wěn)條件，可用壓桿失穩(wěn)的歐拉公式確定。求壓桿失穩(wěn)臨界載荷F的歐拉公式為Fcr = π2EJ/（lmax）2 （24）
式中：Fcr——壓桿（凸模）失穩(wěn)時的臨界載荷，N
Lmax——臨界載荷作用下，壓桿（凸模伸出固定板）的“許用”長度，mm；
E——彈性模數(shù)，MPa，對于模具鋼E = （2.1～2.2）×1010MPa；
J——凸模最小斷面的慣性矩，mm，圓形凸模，J = d/64；
μ——與支撐情況有關(guān)的長度系數(shù)。
載荷條件：凸模刃口端面承受的總沖壓力F應(yīng)小于臨界載荷Fcr，即FΣ
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