圆筒形件正反拉深模

四川大学本科毕业论文 对我国小额信贷公司发展转型的思考 本科生毕业论文（设计）题 目 圆筒形件正反拉深模 学 院 专 业 学生姓名 学 号 年级 指导教师 二一一 年 六 月 二 日键入文字四川大学本科毕业设计 圆筒形件正反拉深模圆筒形件正反拉深模专业：机械设计制造及自动化学生：钟磊 指导教师：胡晓兵摘要：随着中国工业的不断发展，模具行业显得越来越重要。通过对圆筒形件的成型特点和成型方式进行研究，设计圆筒形件正反拉深模。首先对零件进行加工工艺性分析，通过拟定加工方案，计算毛坯尺寸，确定拉深系数，最后采用落料、正向拉深，反向拉深复合模；对材料的排样做出合理的布置，使材料达到较高的利用率；在落料、正反拉深的过程中，计算了具体的工艺力，具体包括落料力，卸料力、压边力、拉深力、顶料力等，并对压力机进行合理的吨位选择。复合模在结构上采用正装形式，根据要求计算出各个工序工作部分的尺寸，并对各个工作部件进行了合理的结构设计；同时通过计算机辅助设计（CAD）绘制了模具的实体模型和装配图，以及利用计算机辅助工程（CAE）对结构进行相关的应力分析等，使结构设计和选材更加合理。对模具的闭合高度进行了合理的确定；对压力机的电动机也进行了功率校核并提出了润滑的附加工序，使拉深能顺利完成. 该复合模的设计和应用，能够缩短生产周期，提高生产率，降低生产成本，获得良好的经济效益。关键词: 圆筒形件 复合模具 正反拉深The drawing and reverse drawing dies of the cylindrical workpieceMajor: Mechanical Design, Manufacturing and AutomationStudent: ZhongLei Supervisor: Hu XiaobingAbstract: With the continuous development of Chinese industry, Mould industry plays a more and more important role. By doing research about the forming characteristics and ways of forming of the cylindrical workpiece, design the drawing and reverse drawing dies of the cylindrical workpiece. Firstly, analyse the manufacturability of the parts, by studying out the processing scheme and calculating the dimensions of the workblank , determining the drawing coefficient, finally by blanking, drawing dies and reverse drawing dies to draw the compound dies. Arrange the layout of the material reasonably so as to use the material fully. In the process of blanking ,drawing dies and reverse drawing dies, calculate the detailed manufacturability forces, including blanking force, unloading force, blank-holder force, drawing force, ejector force, etc. in addition, make a reasonable choice of the punching machine s tonnage.Use the right-handed way for the structure of the compound die, calculate the dimensions of every part of the process upon request and design the reasonable structure of every workpiece. In order to make the structure design and material selection more reasonable, Draw the physical model and the assembly drawing of the model using the CAD, as well as analyse the stress related to the structure by using CAE, etc. Determine the shut height of the mould reasonably. In order to make the drawing successfully completed, we conduct a power check on the motor of the punching machine.The design and application of this compound die can shorten the production cycle, improve the productivity , reduce the production costs and acquire good economical benefit.Key words：cylindrical workpiece compound die drawing and reverse drawingI目录1.绪论11.1课题研究的背景11.2模具的现状及发展11.2.1国内模具的现状及发展11.2.2国外模具的现状及发展21.2.3拉深模的现状及发展31.3课题研究的内容及方法32.确定工艺方案及尺寸参数42.1分析零件的工艺性42.2确定工艺方案42.3毛坯尺寸的计算52.4拉深系数及拉深次数72.4.1正拉深72.4.2反拉深82.5 确定排样、裁剪方案82.6中间工序尺寸的确定92.7 计算工艺力、初选设备102.7.1落料、正向拉深过程102.7.2反拉深过程122.7.3拉深功的计算122.7.4初选压力机133.模具尺寸结构设计133.1模具结构形式的选择133.2模具工作部分尺寸的计算143.2.1落料143.2.2正拉深153.2.3反拉深163.3模架的选用163.4模具的闭合高度173.5压力中心的确定173.6模具主要零件的结构设计183.6.1落料凹模183.6.2凸凹模193.6.3反拉深凸模193.6.4反拉深凹模203.6.5弹性卸料板213.6.6上垫板233.6.7压边圈243.6.8凹模固定板264.模具的整体安装274.1模具的总装配274.2模具零件274.3选定冲压设备274.3.1压力机的规格274.3.2校核压力机的安装尺寸274.3.3电动机功率的校核274.4附加工序的确定284.4.1中间退火284.4.2酸洗284.4.3润滑284.5模具工作过程295.计算机CAD/CAE的应用325.1三维可视化结构设计325.2虚拟装配与干涉检查335.3应力分析346.总结37参考文献381.绪论1.1课题研究的背景模具是工业生产的基础工艺装备，在机械、仪表、电子、通讯、汽车和航空航天等产品中，60%-80%的零部件都要依靠模具成型。用模具生产的制件所达到的精度、复杂程度以及一致性都比其他加工工艺要具有更高的优势。由于模具成型的制件具有高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗等这些优点，使得模具工业在制造业中越来越处于重要地位。模具以成为一些国家工业产品的发展和增强市场竞争力的可靠的技术基础。日本把模具视为“进入富裕时代的原动力”，欧洲则把模具工业称为“金属加工工业的帝王”，是“其他工业的入门”。各国对模具工业的发展非常重视，模具制造也摆脱从属地位，发展成为独立的、专业化模具生产体系，在国民经济发展中扮演者很重要的角色1。1.2模具的现状及发展1.2.1国内模具的现状及发展20世纪80年代以来，我国模具工业发展十分迅速。国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。这些年来，我国的模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展。在模具工业总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。由于模具发展的良好势头以及国家的重视，使得国内一些大学在国家政策和一些企业的支持下，成立相应的模具研究中心以及与模具相关的专业，进行了多种模具的研究和设计以及模具教学等工作。例如，1994年，国家在上海交通大学建立模具工程研究中心，在郑州工学院建立的橡塑模具国家工程研究中心等，对冲压模、级进模、塑料模、压铸模、橡胶模、玻璃模、挤压模进行了相关的研究，使得我国模具设计制造水平有了很大的提高，带来了较大的社会和经济效益，并且提高了我国的模具特别是中、低档模具在国际市场上的占有率，模具出口前景很好2。虽然我国在模具方面已经取得了比较不错的成绩，但是就模具发展的现状来说，不是那么可观，与国际水平和工业先进国家存在着较大的差距。尤其是在精密、大型、复杂、长寿命模具方面，技术实力显得过于薄弱。我国现在每年还要从境外进口20多亿美元的模具，这些大都是国内尚不能自行生产的高中档模具。国内中高档模具的自配率只占50%左右；大型、复杂、精密、长寿命等技术含量较高的模具只占到模具总量的30%左右；我国模具行业全员劳动生产率还较低，平均只有15万元/人年左右；模具商品化和模具标准件使用覆盖率也较低，只有50%左右；模具生产专业化水平还较低，这些都说明我国的模具工业还不够强大。虽然，我国模具行业的发展有些不利因素，但总体来说，还是有利因素大于不利因素的。因为，我国经济现在处于高速发展时期，经济全球化发展的趋势日趋显著，这为我国模具工业高速发展提供了良好的平台。一方面国内模具市场将持续高速发展，另一方面是国际上将模具制造逐渐向我国转移的趋势和跨国集团到我国进行模具的国际采购十分明显，这些都将大幅度的提高我国模具制造业的水平3。1.2.2国外模具的现状及发展与我国模具工业发展相比，国外模具发展存在着多方面的优势，在先进的工业水平和高的设计、制造水平等因素的影响下，国外模具不论是在设计、制造以及销售等方面都存在着很大的发展优势。根据国际生产协会预测，工业零件粗加工的75%、精加工的50%都将由模具成型完成。目前，美、日、联邦德国等国的模具工业的产值，均已超过机床工业总产值。日本从1957-1984年的二十多年中，模具工业增长了100倍，是世界最大的模具输出国。高新技术在欧、美、日模具企业得到了广泛的应用，欧美许多模具企业的生产制造水平，在国际上是一流的。将高新技术应用于模具设计与制造，是国外模具发展大型、复杂、精密等优质模具的重要保障。国外模具发展集中于以下几个方面：1）继续CAD/CAE/CAM的开发和广泛的应用，显示了信息技术带动和提升模具工业的优越性。在CAD应用方面，不仅可以完成二维图纸，也可以实现三维设计，可以在设计时进行装配干涉检查，保证设计和工艺的合理性。在设计中采用CAE分析软件，可以模拟金属变形过程，分析应力应变的分布，预测破裂、起皱和回弹等缺陷。2）模具结构向大型、复杂、精密、高效、柔性化和机电一体化方向发展。在冲模方面，国外发展的多工位级进模具多达50个工位。在级进模具基础上发展多功能模具，能够完成多种加工工艺的要求，大大缩减了生产和装配周期。3）模具制造技术由技能密集向技术密集过渡。国外通过采用高效精密机床和测试装置，推进新的制模技术。NC、CNC、MC等设备的投入使用，使模具生产效率和质量从依赖模具钳工手艺逐步转移到主要依靠于各种加工设备的功能和精度，确保模具精度的再现性和重复性。模具的抛光是模具制造典型的一个工艺环节，日本正在研究使用机器人自动抛光并开发磁石研磨工具。美国、日本还用激光加工叠层模，并开发了适用于钢、铝、钛、陶瓷等各种硬、软质材料的加工设备。三维坐标测量机、光学投影比较仪、已用于模具精密测试。激光测量器、统计法质量控制系统和对零部件进行无接触测量用的视频检测系统等新技术也正在开发之中。4）模具材料向综合性能高、专专用性能好、系列化方向发展。随着模具结构日趋精密、复杂、长寿命，因此对模具材料的耐磨性、耐高温性、强度和韧性、切削加工性、精度保持性等方面的要求越来越高。研究和发展适应多种工作条件的新型高寿命的模具材料，已成为先进工业国家的主要技术动向之一。在模具热处理方面，国外也大力的开发和应用了一些新的热处理工艺，如化学气相沉积、物理气相沉积、激光淬火等技术4。1.2.3拉深模的现状及发展拉深模在冲压生产中具有举足轻重的作用，拉深模不仅可以加工旋转体零件、盒形件及其他形状复杂的薄壁零件，还可以与其他冲压成型工艺相结合，制造极为复杂的零件，它广泛用于汽车、电子、仪表、兵器、航空航天等各类工业部门和日常生活用品的生产。我国在拉深模方面已经取得了比较可喜的成绩，但就拉深模的现状来说，与国际水平和工业先进国家存在着较大的差距，尤其是在精密、大型、复杂、长寿命拉深模方面，技术实力显得过于薄弱。我国现在每年还要从欧美日等地区或国家进口拉深模具，这些大都是国内尚不能自行生产的高中档拉深模具。拉深模的发展方向主要体现在以下几个方面：1）拉深模材料向综合性能高、切削性能好、以及系列化方向发展。新的模具表面处理工艺得到了相应的开发和应用。2）拉深模的设计将继续广泛采用现代信息处理技术，例如CAD/CAE/CAM，这些技术的开发和应用，同时三维可视化设计、虚拟加工以及装配，都最大限度的节约了人力和物力，大大的缩短了模具的设计、生产制造周期，减少了生产成本，提高了经济效益。3）数控技术的开发和广泛应用，将极大的提高拉深模的生产制造水平，从而可进行高精度、高复杂程度的拉深模具的加工制造。1.3课题研究的内容及方法本课题研究内容主要是针对圆筒形件的结构以及成型特点进行分析，根据制件的整体要求，设计出合理的正反拉深复合模具，以满足圆筒形件生产的要求，同时又要缩短模具的生产制造周期，以保持良好的经济效益。本课题研究方法主要是根据国内外模具发展的特点以及发展的趋势，根据所要求加工的圆筒形件的结构和参数，进行合理的尺寸计算以及结构设计。主要研究方法可分为以下几个部分：首先，对圆筒形件的结构和尺寸参数就行分析，确定是否适合于拉深成型加工；其次，在对工艺性进行合理的分析之后，需要确定加工工艺方案、计算出各部分工序的工艺参数，主要包括计算毛坯尺寸、拉深系数、各个工序所需的工艺力以及各个工作部分的尺寸参数、根据所需工艺力的大小，进行初选压力机；再次，根据工作部分的尺寸以及结构要求，同时参考国家模具工业标准，利用计算机辅助设计（CAD），进行各个零件的结构设计以及进行三维可视化的虚拟装配和干涉检查；利用计算机辅助工程（CAE）软件，进行应力分析，以便使结构设计和材料选择更加合理。最后，确定附加工序、选定冲压设备，绘制出模具的整体装配图，完成设计。372.确定工艺方案及尺寸参数2.1分析零件的工艺性图2.1 零件图图2.1 为圆筒形零件，落料为圆形毛坯，具有良好的工艺性。材料为10F钢，其厚度为1.00mm，一般精度要求。10钢属于优质碳素结构钢，具有较高的塑性和良好的拉深成型性能。在零件图上，制件为中小型零件，尺寸108-1.000为IT14级，其余尺寸为标注公差，可以按照自由公差计算和处理。零件为轴对称旋转体，且DF/d，h/d都不太大，拉深工艺性较好，圆角半径R3，R6都大于等于两倍料厚，适合于拉深成型。根据以上分析可得，圆筒形件的冲压生产要用到冲压的基本工序有：落料、拉深（拉深次数可能为多次），若考虑为大批量生产，为了缩短生产周期，减少成本，提高生产效率，可以将落料，正反拉深等工序设计在同一副复合模具中。2.2确定工艺方案根据以上分析，该零件的冲压加工需要包括以下基本工序：落料、正向拉深和反向拉深。由这些基本工序，可以拟出以下几种工艺方案：方案一落料、正向拉深和反向拉深全都在同一个复合模具中一次加工成型。方案二落料和正向拉深在复合模具中加工成半成品，再在单工序模具上进行反向拉深。方案三先落料、再正向拉深，最后进行反向拉深，以后的三个工序都在单工序模具中完成。方案四采用带料连续拉深，或在多工位自动压力机上冲压、拉深成型。分析比较上述四种方案，可以得出：方案一：此方案三个工序很好的集中在一副模具中一次加工成所需的制件形状，使得生产率有了很大的提高，同时也保证了制件所需的尺寸精度以及加工要求；没有中间取放零件的过程，节约了生产时间；在落料时，板材出于受压状态，零件表面平整；模具结构非常紧凑，外廓尺寸比较小，但是模具结构和装配较复杂。方案二：采用了落料与正向拉深的复合模，提高了生产率，对落料以及正向拉深的精度也比较高；反向拉深工序在单工序模具上完成，使得最后得到的制件精度会有所降低；中间多了一步取件和再安装的过程，使得生产率降低。方案三：采用了三个单工序进行制件的加工，模具结构比较简单，制造容易，制造成本低；结构简单，引起定位误差比较大；单工序模具一般无导向装置，模具安装调整不方便；中间需两步取件过程，使得生产效率降低，同时也不利于保证制件的加工精度。方案四：采用带料连续拉深或者多工位自动压力机冲压、拉深，可以获得很高的加工精度和生产效率；操作简单、安全；但这一方案需要专用的压力机或自动送料机构，模具的结构比较复杂，制造周期长，成本较高。根据设计需要和生产经验，综合考虑以上四种方案，方案一最为合适。即落料、正向拉深、反向拉深在同一副复合模具中一次加工完成，这样既能保证制件大批量生产的高效率，又能保证制件的加工精度，而且成本较低，经济合理。2.3毛坯尺寸的计算由于板料在轧制或退火时所产生的聚合组织而使材料引起残存的各向异性，以及材料在各个方向上的流动阻力的不同，毛坯经拉深后，尤其是经多次拉深后，拉深件的口部或凸缘一般都不平齐，需要进行切边。另外，如果板料本身的金属结构组织不均匀，模具间隙不均匀、润滑不均匀等等，也都会引起冲件口高低不齐的现象，因此就必须在拉深后的零件口部和外缘进行切边处理，这样在计算毛坯尺寸的时候就必须加上切边余量后，然后再进行毛坯的展开尺寸计算。根据零件的尺寸取切边余量为6 mm。在拉深时，虽然拉深件的各部分厚度要求发生一些变化，但如果采用适当的工艺措施，则其厚度的变化量并不大。在设计工艺过程时，可以不考虑毛坯厚度的变化。同时，由于金属在塑性变形过程中保持体积不变，因而，在计算拉深件毛坯展开尺寸时，可以认为在变形前后的毛坯和拉深件的表面积相等。毛坯计算方法可分为：查表计算法和解析计算法5-10。由于该旋转零件不是简单结构，可以采用解析法求得。旋转体拉深件的毛坯尺寸，可根据计算旋转体表面积的定理求得：任何形状的母线，绕轴线旋转一周得到的旋转体的表面积，等于该母线的长度与其重心绕该轴旋转轨迹的长度（即母线重心绕该轴所画出的圆周长）的乘积，即：F=2RsL式中 F旋转体的表面积（mm2）；Rs旋转体母线的重心到旋转轴线的距离（mm）；L旋转体母线的长度（mm）。毛坯的面积与旋转体的表面积相等，则由D2/4=2RsL得D=式中 l单元母线的长度（mm）；r单元母线的重心到旋转轴的距离（mm）。用解析法求毛坯尺寸的过程如下：1）画出拉深件壁厚的轮廓（包括切边余量），并将其分解为由直线段和圆弧段构成的单元母线2）找出每一单元的重心。3）求出个单元母线的长度l1、l2、 ln。4）求出个单元母线的长度与其重心到旋转轴的距离的乘积的代数和：5）出毛坯的直径：D=根据以上的计算公式、零件图上已知尺寸以及切边余量，可以求出：D=178mm由于设计的零件要在一个复合模具中完成正向和反向拉深，因此中间有一个正向拉深转反向拉深的过程，因此可以把这两步分开来计算中间尺寸。由参考文献5中表4-4可查得公式：D=或D=其中 D=178mm d=107mm d1=94mm d2=120mm r1=6.5mm r2=6.5mm H=35mm h=23mm根据上述公式和已知参数，通过计算可以得到中间过程的凸缘直径：d3=138mm中间过程的零件如下图所示：图3.1 中间过程零件图2.4拉深系数及拉深次数拉深系数是指拉深前后拉深件筒部直径（或半成品筒部直径）与毛坯直径（半成品直径）的比值。有些部件只需一次拉伸成型，有些则需要多次拉深才能得到所要的制件形状。拉深系数可以用来表示拉深时材料的变形程度，拉深系数m的数值越小，则变形程度越大，越不易于一次成型5。在考虑拉深的变形程度时，必须使毛坯在变形过程中的应力不超过材料的变形极限，同时还应能充分利用材料的塑性。也就是在每次拉深工序上，应在毛坯侧壁强度允许的条件下，采用最大的变形程度，即极限变形程度。极限拉深系数值可以通过理论计算的方法确定。即使在传力区域的最大拉应力与在危险断面上的抗拉强度相等，便可求出最小拉深系数的理论值，此值为极限拉深系数。但在实际的生产过程中，极限拉深系数一般是在一定的拉深条件下用实验的方法得出，也可通过查表的方式来取值7-10。由于该制件需要正反拉深两个过程，因此可以分别计算其拉深系数来确定拉深次数。2.4.1正拉深对于正拉深，其实际的拉深系数为：m=d/D=107/178=0.6材料的相对厚度为：t/d*100=1/178*100=0.56凸缘的相对直径为：df/d1=142/107=1.33凸缘的相对高度为：h/d=40/107=0.37由以上计算结构，根据参考文献5表4-10和表4-9查出：mmin=0.51(h/d)max=0.46根据以上数据可以看出，凸缘的相对高度0.37小于最大相对高度0.46，且实际拉深系数0.6大于最小极限拉深系数0.51，所以正拉深过程可以一次拉深成型。2.4.2反拉深对于反拉深，其实际的拉深系数为：m=d/D=79/107=0.74材料的相对厚度为：t/d*100=1/142*100=0.70凸缘的相对直径为：df/d1=107/79=1.35凸缘的相对高度为：h/d=35.5/79=0.45由以上计算结构，根据参考文献5表4-10和表4-9查出：mmin=0.5(h/d)max=0.48根据以上数据可以看出，凸缘的相对高度0.45小于最大相对高度0.48，且实际拉深系数0.74大于最小极限拉深系数0.5，所以反拉深过程也可以一次拉伸成型。2.5确定排样、裁剪方案在冲压落料的工作中，节约金属和减少废料具有非常重要的意义，特别是在大批量生产中，较好的确定冲压件的形状尺寸和合理的排样是降低成本的有效措施之一。由于材料的经济利用直接决定于冲压件的制造方案和排样方式，所以在冲压生产中，可以按照工件在板料上排样的合理程度：即冲制某一工件的有用面积与所用板料的总面积的百分比作为衡量排样合理性的指标。在冲裁时制件与制件之间、制件与板料或条料边缘之间的余料被称为搭边。搭边的作用是：补偿定位误差，保证冲出合格的制件；保持条料具有一定的刚性，便于送料；保护模具，以免模具过早的磨损而报废；同时也提高了生产效率。根据零件的尺寸以及参考文献57-10可以查取：搭边值为b=2mm进距方向为a=1.2mm于是有：进距方向长度H为H=D+a=178+1.2=179.2mm条料宽度B1为B1= D+2b=178+4=182mm板料的规格拟用1mm*750mm*1500mm的轧制薄钢板。由于毛坯面积较大，所以横裁和纵裁的利用率相同，从送料方便考虑，采用横裁方案。裁板条数n1=A/B=1500/182=8条余43.6mm每条个数n2=(B-a)/H=(750-1.2)/179.2=4个余30mm每板总个数n=n1*n2=8*4=32个材料利用率的计算：一个进距内制件的实际面积与所需板料面积之比的百分率，用表示。=F/F0*100%=F/AB*100%式中 A在送料方向，排样图中相邻两个制件对应点的距离（mm）；B条料宽度（mm）；F一个步距内制件的实际面积（mm2）；F0一个步距内所需毛面积（mm2）由已知数据可得：F=24872mm2 F0=32614.4mm2故材料利用率为=24872/32614.4*100%=76%2.6中间工序尺寸的确定整个冲压过程包括落料、正拉深以及反拉深三个过程，在正反拉深过程中，由于是一次冲压成型，所以各次拉深的凸、凹模圆角尺寸必需与制件要求相一致，则：正拉深凸模圆角半径为6mm正拉深凹模圆角半径为6mm正拉深高度为36mm反拉深凸模圆角半径为3mm反拉深凹模圆角半径为6mm反拉深高度为36mm第一个过程为落料和正向拉深，成型后如图4.1所示：图4.1 正向拉深第二个过程为反向拉深，成型后如图4.2所示：图4.2 反向拉深2.7计算工艺力、初选设备2.7.1落料、正向拉深过程（1）落料力平刃凸模落料力的计算公式为P=KLt式中P冲裁力（N）；L冲裁件的周边长度（mm）；t材料厚度(mm)；材料的抗剪强度(MPa)；K修正系数。它与冲裁间隙、冲件形式、冲裁速度、板料厚度、润滑情况等各种因素有关。一般K取1.25-1.3。在实际应用中，抗剪强度的值一般取材料抗拉强度b的0.7-0.85。为了便于估算，通常取抗剪强度等于该材料抗拉强度b的0.8。即=0.8b因此，该制件的落料力的大小为 P= KLt=1.3*559*1*0.8*400=232544N（2）卸料力一般情况下，冲裁件从板料切下以后受弹性变形及收缩影响，会使落料件梗塞在凹模内，而冲裁后剩下的板料则箍紧在凸模上，从凸模上将废料卸下来所需要的力称卸料力。影响这个力的因素较多，主要有材料的力学性能、模具间隙、材料厚度、零件形状尺寸以及润滑情况等。精确计算卸料力的大小是很困难的，一般采用下列经验公式计算：卸料力F卸=K1*P式中P冲裁力（N）；K1顶件力及卸料力系数，这里K1可取0.04。由已知数据及上述公式可求得：F卸=9302N（3）正拉深力带凸缘圆筒形零件的拉深力常采用经验公式计算：首次拉深P=K1d1tb以后各次拉深P=K2ditb式中P拉深力（N）；d1、di第一次、以后各次拉深后的筒部直径（mm）；t材料厚度（mm）；b材料的强度极限（MPa）；K1、K2修正系数，可将修正系数K1取为0.86。由于此零件正向拉深只需一次就可成型，故只采用首次拉深经验公式求出正向拉深力。将已知尺寸参数和材料的强度极限值代入上式，可求出：P=117737N（4）压边力在进行拉深时，有许多因素会影响到拉深件的质量，甚至影响到拉深工艺能否顺利完成。常见的拉深工艺问题主要是平面凸缘部分的起皱和筒壁危险断面的拉裂。为了保证毛坯在拉深的过程中不产生起皱现象，为此需要施加一定的压边力。根据拉深不起皱的条件：t/D0.045（1-m1）式中 t=1mm 、D=178mm 、m1=0.6由上述已知参数可知此次正向拉深不满足拉深不起皱条件，故需用压边装置。压边力的大小对拉深件的质量是有一定影响的：如果过大，就要增加拉深力，可能会使制件拉裂；反之，如果压边力过小就会使工件边缘或者凸缘起皱，所以必须选择合适的压边力。合适的压边力范围一般应以冲件既不起皱，又使得冲件的侧壁和口部不至产生显著的变薄为原则。压边力的大小与很多因素有关，在实际生产中，可以根据近似的经验公式进行计算。Q=Fq=(D2-d2)q/4式中Q压边力（N）；F毛坯在压边圈上的投影面积（mm2）；q单位压边力（MPa），这里取q=2.5。D毛坯直径（mm）；d冲件的外径（mm）；由已知参数和上述公式，可求得：Q=39289N2.7.2反拉深过程（1）反拉深力通常反拉深力要比正常拉深力大20%11。即F反=1.2d2tbK2式中 d2、t、b意义同计算正拉深力所代表的参数相同。K2修正系数，根据m2=0.74，这里可以取K2=0.91；由已知参数和上式可以求得：F反=1.2*3.14*81*1*400*0.91=111096N（2）顶料力顶料力是将落料件逆着冲裁方向顶出凹模刃口时所需要的力。顶料力的经验公式为：P顶=K顶P式中 P顶顶料力（N）；P冲裁力（N）；K顶顶料力系数，其值取为0.06。由已知参数和上述公式可以求得：P顶=0.06*232544=13593N2.7.3拉深功的计算拉深所需的功可按下式计算：W=CPmaxh/1000式中Pmax最大拉深力（N）；h拉深深度（mm）；W拉深功（N/m）；C修正系数，一般取为C=0.6-0.8。所以W=0.8*117737*35/1000=3230 N/m2.7.4初选压力机压力机吨位大小的选择，首先要以冲压工艺所需的变形力为前提，要求设备的名义压力要大于所需的变形力，而且还需要一定的压力储备。从提高设备的工作刚度、冲压零件的精度及延长设备的寿命的观点出发，要求设备容量有较大的剩余12。在此次设计中，所需的总压力为F= F落+F正+F反+F压+F卸+F顶=232.544+117.737+111.096+39.289+9.32+13.593=523.5kN由于该制件是中小型零件，且精度要求不高，因此选用开始可倾压力机，它具有工作台三面敞开，操作方便，成本低廉的优点。由于冲裁、拉深复合模的压力行程特点是在开始阶段即需要很大的压力，而在拉深阶段所需要的反倒比较小。因此按总压力来选取压力机，很可能出现总的压力满足要求，但是在开始阶段冲裁时已经超载。同时，选用拉深压力机还应该对拉深功进行校核，否则会出现压力机在力的大小满足要求，但是功率可能过载，飞轮转速降低，从而引起电动机转速降低过大，损坏电动机。因此精确确定压力机压力应该根据压力机说明书中给出的允许工作负荷曲线，并校核功率。但是在一般条件下，可以根据生产车间的实际条件，在现有压力机中选取。在这里根据总压力为523.5kN，从参考文献6中提供的压力机公称压力序列中选取1000 kN的压力机，型号为J23-100。3.模具尺寸结构设计3.1 模具结构形式的选择采用落料、拉深复合模具，首先要考虑落料凸模（兼拉深凹模）的厚度是否过薄。经计算可的出该圆筒形件的凹凸模壁厚为：b=(178-108)/2=35mm壁厚能够保证足够的强度，故采用复合模。模具的落料部分可以采用正装式，正拉深部分采用反装式，反拉深部分采用正装式。模座下的缓冲器（弹簧、橡胶、氮气弹簧）能够同时提供压边力和顶件力；结构还设置有弹簧卸料板以及弹性顶件装置。这种结构的优点是操作方便和安全，出件畅通，能够保证制件的生产精度，生产效率高。弹性卸料板有敞开的工作空间、操作方便、生产效率高、冲压前对毛坯有压紧作用，冲压后使废料能够平稳的从凸凹模上平稳卸下，从而使冲裁件较为平整。其缺点是由于受弹簧、橡胶等零件的限制，需要较大的安装空间，也使结构变的较为复杂，可靠性与安全性不及刚性卸料板，且卸料力较小。刚性卸料板用螺钉和销钉固定在凹模上，能承受较大的卸料力，其卸料可靠、安全、但操做不便，生产效率不高8。根据已上对弹性和刚性两种卸料装置的分析和制件的生产要求，该卸料装置采用弹性卸料装置。模架的选择，从导向精度和运动平稳性以及具体规格考虑，可以采用的四导柱模架，(GB/T2851.7-1990)。3.2 模具工作部分尺寸的计算3.2.1 落料冲裁模刃口多为直角，故冲裁模刃口尺寸是指冲裁后所得到毛坯光洁而平滑的表面的尺寸，所以落料件的外径应等于凹模内径尺寸，冲孔件的内径尺寸应等于冲头的外径尺寸。模具两刃口的尺寸总有一个作为基准尺寸。在设计和制造模具时，可根据工件的精度要求，决定把凸模或者凹模两者之一作为基准尺寸，把间隙取在另外的模具上。故在本设计中，将落料凹模作为基准。模具工作部分在加工时要注意经济上的合理性，精度太高，则制造困难，成本高；精度过低，则不利于保证制件的精度要求，造成模具或者制件的不合格。因此，模具的加工精度应根据制件的精度要求来确定。冲裁件的尺寸精度取决于凸、凹模刃口部分的尺寸。冲裁间隙的合理也是要靠凸、凹模刃口部分的尺寸来保证和实现的。所以在确定刃口部分的尺寸时相当重要的。在决定模具刃口尺寸及制造公差时，需考虑以下几点原则：1） 落料时，落料件尺寸决定于凹模尺寸，以凹模为基准，间隙取在凸模上，冲裁间隙通过减小凸模刃口的尺寸来获得。2）冲孔时，冲孔件尺寸决定于凸模尺寸，以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口的尺寸来计算。3）在确定模具刃口制造公差时，要既能保证工件的精度要求，又要保证合理的间隙数值。一般模具制造精度比工件精度高2-4级12。落料凸、凹模刃口尺寸计算：Dd=(Dmax-x)0+dDp=( Dd-Zmin)0-p=(Dmax- x- Zmin) 0-p式中 Dd落料凹模直径（mm）；Dp落料凸模直径（mm）；Dmax落料件最大极限尺寸（mm）；制件公差；x磨损系数。其值与冲裁件制造精度有关，一般：当冲裁件的精度在IT10以上时，x=1；当冲裁件的精度在IT11-IT13时，x=0.75；当冲裁件的精度在IT14时，取x=0.5；d、p凹模、凸模的制造偏差，一般取IT6-IT7。这里取IT6，其值都为0.025；Zmin凸凹模最小初始双面间隙（mm）。确定冲裁模间隙时，可以采用经验公式和图表法。根据参考文献5表2-1，Zmin取为14%t，即Zmin=0.14mm；Zmax=20%t，即Zmax=0.2mm。所落下的料按未注公差的自由尺寸IT14级选取极限偏差，故落料件的尺寸取为178-1.000，还必须满足下列公式|d|+|p|Zmax-Zmin有 0.025+0.025=0.050.2-0.14=0.06所以满足条件。Dd=(Dmax-x)0+d=（178-0.5*1.00）0+0.025=177.50+0.025mmDp=( Dd-Zmin)0-p=(Dmax- x- Zmin) 0-p=(178-0.5*1.00-0.14)0-0.025=177.360-0.025mm落料凹模的外形尺寸的确定：凹模厚度：H=Kb凹模壁厚：C=(1.5-2.0)H式中 b冲裁件做大外形尺寸（mm）；K系数，考虑坯料厚度t的影响，其值可取K=0.1613；故H=28mmC=(42-56)mm调整到符合标准，凹模外径设计尺寸为270mm。3.2.2 正拉深正拉深时，因为零件是标注外形尺寸，故拉深件的外径尺寸为108-1.000mm。以凹模为基准，先计算确定凹模的工作尺寸，然后通过减小凸模尺寸来保证凸、凹模间隙14。由式Dd=(Dmax-0.75)0+dDp=(Dmax- 0.75- Z) 0-p式中 制件公差；d、p凹模、凸模的制造偏差，根据参考文献5表4-15，可分别取为0.08，0.05；Z拉深模间隙（mm）；可根据参考文献5表4-14，取Z=2*(1.1t)=2.2mm。Dd=(Dmax-0.75)0+d=(108-0.75*1.00)0+0.08=107.250+0.08mmDp=(Dmax- 0.75- Z) 0-p=(108-0.75*1.00-2.2)0-0.05=105.050-0.05mm3.2.3 反拉深反拉深件按未注公差的极限偏差考虑，因为零件是标注内形尺寸，故拉深件的内径尺寸取为800+0.74mm15。对于标注内形尺寸的拉深件，应当以凸模为基准，先计算确定凸模的工作尺寸，然后通过增大凹模尺寸保证凸、凹模间隙16。由式dp=(dmin+0.4)0-pdd=(dmin+0.4+Z)0+d式中 制件公差与正拉深所示参数相同，d、p由参考文献5表4-14分别取为0.05，0.03。由已知尺寸可以计算出dp=(80+0.4*1.00) 0-0.03=80.40-0.03mmdd=(80+0.4*1.00+2.2) 0+0.05=82.60+0.05mm3.3模架的选用由凹模外形尺寸270mm，选择四导柱模架（GB/T2851.7-1990）在按其标准选择具体结构尺寸如下：上模板 500*315*60 HT250下模板 500*315*75 ZG450导柱 45*290 20钢导套 45*150*58 20钢凸缘模柄 60*115 Q235模具闭合高度 Max=350mm ，Min=315mm该副模具没有漏料问题，故不必考虑漏料孔尺寸。3.4 模具的闭合高度所谓的模具闭合高度H是指模具在最低工作位置上，上下模之间的距离，它应与压力机得装模高度相适应。模具的实际闭合高度，一般为：H模=上模座厚度+垫板厚度+固定板座厚度+冲头长度-冲头进入凹模深度+凹模厚度+下模座厚度该副模具使用上垫板厚度为10mm，凹模固定板厚度为10mm，但由于装入下模座的孔内，故不需要计算在内。固定座厚度为55mm，冲头长度为125mm，冲头进入凹模的深度为70mm，H模=60+10+55+125-75+95+70=340mm故实际设计模具的闭合高度为340mm。查开式压力机设备参数表可知，1000 kN压力机的最大闭合高度为400mm，封闭调节高度为100mm。因为模具的闭合高度绝对不能大于所选用的压力机的最大闭合高度，所以选用的压力机型号恰当。压力机的装模高度必须符合模具闭合高度的要求。其关系式为Hmax-5HHmin+1021式中Hmax、Hmin压力机的最大和最小装模高度（mm）；H为闭模高度（mm）.所以400-5340（400-100）+10其中 100mm为封闭高度调节量；故闭合高度设计合理。3.5 压力中心的确定模具的压力中心是指冲压力合力的作用点16。计算压力中心的目的是：1）使冲裁压力中心与冲床滑块中心相重合，避免会产生偏弯矩，减少模具导向机构的不均匀磨损；2）保持冲裁工作间隙的稳定性，防止刃口局部迅速变钝，提高冲裁件的质量和模具的使用寿命；3）合理布置凹模型孔的位置。由于该制件的毛坯以及各工序件均为轴对称图形，而且只有一个工位，因此压力中心必定与制件的几何中心重合。3.6模具主要零件的结构设计3.6.1落料凹模落料凹模的内外形尺寸和厚度都在前面的计算中得出，在这里主要确定圆柱形孔口柱部的高度。根据刃口的形式以及落料的厚度，孔口柱部高度可选取为10mm5。凹模的固定方法常用螺钉、销钉直接固定在下模座上，这里凹模下部设计三个螺纹孔，以便与固定板和下模座联接，同时为了保证安装的位置精度，需要有两个与固定板、下模座起着定位作用的销钉孔。在凹模的刃口下部设计了限位倒角，以保证推料板的行程范围。为了保证条料送进时有准确的送进距，在凹模上部开有两个导料销销孔和一个挡料销销孔。在落料凹模侧壁设计有通气孔，以保证在拉深过程中，受挤空气的流出。凹模的具体尺寸，形位公差及粗糙度见图3.1。图3.1 落料凹模3.6.2凸凹模凸凹模的工作部分尺寸在上述3.2节已经设计计算给出，这里根据零件的拉深深度设计出凸凹模的内外形尺寸。在凸凹模上设计了三个螺纹孔，以便与固定板、垫板、上模座相连接，同时为了确保安装所需要的位置精度，配制了两个销钉孔。在凸凹模的上圈部分设计了安装反拉深凸模的沉槽，同时也设计了六个螺纹孔，以便与反拉深凸模相连接。凸凹模的尺寸精度、形位公差及粗糙度见图3.2。图3.2 凸凹模3.6.3反拉深凸模反拉深凸模的工作部分尺寸在上述3.2节已经设计计算得出，这里根据制件的反向拉深深度设计出凸模的内外形尺寸。在反拉深凸模上设计了三个推杆孔，以便安装推杆。在其内部设计了通气孔，以使拉深后的拉深件不受空气的压力紧紧的包住凸模，从而顺利实现顺利脱下。在顶端设计了圆凸缘结构，配置有六个螺纹孔，以便安装在凸凹模上并与之固定。反拉深凸凹模的尺寸精度、形位公差及粗糙度见图3.3。图3.3反拉深凸模3.6.4反拉深凹模反拉深凹模的工作部分的尺寸在上述3.2节已经设计计算得出，这里根据零件的反拉深深度设计出凹模的内外形尺寸。在反拉深凹模上设计三个螺纹孔，以便与下垫板、下模座固定连接。在其内部设计一个大的通孔，以便安装制件推板和制件顶杆，实现制件的顶出。反拉深模的尺寸精度、形位公差及粗糙度见图3.4。图3.4 反拉深凹模3.6.5弹性卸料板冲压工艺中常用的弹性元件有弹簧和橡胶等，但是由于这副模具所需的卸料力较大，如果选用弹簧，即使是使用了8个弹簧，每个弹簧所承担的负荷也将达到F=F卸/8=1.45kN。同时由于这是一副落料、正反拉深复合模，模具的行程较大，也给弹簧的选用带来困难。即使是选用了弹簧，也势必造成为了安装弹簧而选用较大的模架。因此，选用橡胶作为卸料的弹性元件。确定卸料橡胶：1）确定橡胶的自由高度H自，根据参考文献6表3-9得：H自=L工/(0.25-0.30)+h修磨式中 L工为模具的工作行程再加1-3mm。本模具的工作行程为正反拉深两次行程之和，L工取为72mm，h修磨一般为4-6mm，这里取h修磨为5mm。H自=L工/(0.25-0.30)+h修磨=72/0.3+5=245mm2）确定L预和H装。由上述参考文献6表3-9可得如下计算公式：L预=（0.1-0.15）H自=0.15*245=37mmH装= H自-L预=245-37=208mm3）确定橡胶截面面积AA=F/qF由前可知F=9300N，q=0.26-0.5MPa。在这里，由于该模具的工作行程较大，取q=0.5MPa。则A=F/q=9300/0.5=18600mm24） 校核橡胶的安装空间：考虑到橡胶压缩会产生横向膨胀，这里卸料板的外径为360mm，用卸料板外径与凸凹模上缘外径之差的80%估算。经计算S=42139mm2，满足安装要求。弹性卸料板上制作四个沉头孔，以便固定卸料螺钉；同时开有能容纳挡料销和导料销的沉孔。卸料板的尺寸精度、形位公差及粗糙度见图3.5。图3.5弹性卸料板3.6.6上垫板垫板的直接作用是直接承受和扩散凸凹模传递的压力，以降低模座所受的单位压力，防止在模座被压出陷痕而损坏。在设计中，把垫板的外形尺寸与凸凹模的外形尺寸相匹配，其厚度为10mm。在上垫板上，设计了推板孔，以便安装打杆和推杆；配制三个螺栓孔和两个销钉孔，以便与凸凹模以及凸凹模固定板相连接。上垫板的尺寸精度、形位公差及粗糙度见图3.6。图3.6上垫板3.6.7压边圈压边圈的作用是经过压边弹性元件，提供一定的压边力，确保在拉深过程中防止毛坯边缘起皱，保证制件的质量。压边圈为环状平面结构，中间设计为与反拉深凹凸模相匹配的孔；在压边圈下部设计有与落料凹模内部限位倒角相匹配的倒角。压边圈的尺寸精度、形位公差及粗糙度见图3.7。在确定压边圈结构之后需要考虑提供压边力的弹性元件的选择。在拉深中，可选择的弹性元件有橡胶、弹簧、气垫、氮气弹簧等。在此次拉深中，若采用橡胶、弹簧等作为弹性元件，随着压力机行程的增大，压力也急剧增加，此时压边力很难控制，过大会使工件拉裂；过小，使工件边缘或凸缘起皱。气垫虽然能保持恒定的压力，但是其结构体积比较大，往往在大型机上才可使用。氮气弹簧可根据要求获得大小不同的压边力，压边力调整也很方便，以满足对压边力的需求，从而有效防止起皱，保证制件质量6。综上分析，该设计选用氮气弹簧作为提供压边力的弹性元件13。1）选用氮气弹簧的结构形式。管路连接式和氮气弹簧座板需要较大的安装空间，结构也比较复杂，这里选用独立氮气弹簧，其优点是占用空间小，安装、紧固方便。2）确定氮气弹簧的数量、选择氮气压力。 考虑到气体泄漏和高压气体的节流损失，需要将压边力放大。Fs=k*F1式中 Fs放大以后的压边力；F1理论计算出的压边力；k压力增大系数，一般取1.15-1.20。F1=39289N，则Fs为Fs=k*F1=1.2*39289=47147N 确定氮气弹簧数量。Fs=K*F0式中 Fs放大以后的压边力；K氮气弹簧的数量；F0初始充气压力。根据参考文献6初选TB1500型，额定充气压力为15MPa的氮气弹簧。根据上式计算得出K=3.14个，不满足要求。因此需重新调整确定初始压充气压力，然后根据初始充气压