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圓筒沖壓工藝及模具設(shè)計
1 緒論
隨著工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，沖壓零件日益復雜化，沖沖壓模具正向高效、精密、長壽命、大型化發(fā)展，沖壓模具制造日益復雜。模具制造正由過去的勞動密集、依靠人工的手工技巧及采用傳統(tǒng)機械加工設(shè)備的行業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型行業(yè)，更多的依靠各種高效、高精密機床，從過去單一的機械加工轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械加工、電加工以及其他特種加工相組合的時代。
1.1.國內(nèi)模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
目前，我國沖壓技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當落后，主要原因是我國在沖壓基礎(chǔ)理論及成形工藝、模具標準化、模具設(shè)計、模具制造工藝及設(shè)備等方面與工業(yè)發(fā)達國家尚有相當大的差距，導致我國模具在壽命,效率、加工精度、生產(chǎn)周期等方面與發(fā)達國家的模具相比差距相當大。例如，精密加工設(shè)備在模具加工設(shè)備中的比重比較低；CAD/CAE/CAM技術(shù)的普及率不高；許多先進的模具技術(shù)應(yīng)用不夠廣泛等等，致使相當一部分大型、精密、復雜和長壽命的模具依賴進口。
隨著科學技術(shù)的不斷進步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，沖壓加工作為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)重要的生產(chǎn)手段之一，更加體現(xiàn)出其特有的優(yōu)越性。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，由于市場競爭日益激烈，產(chǎn)品性能和質(zhì)量要求越來越高，更新?lián)Q代的速度越來越快，沖壓產(chǎn)品正朝著復雜化，多樣化高、性能、高質(zhì)量方向發(fā)展，模具也正朝著復雜化，高效率、高精度、長壽命方向發(fā)展。隨著計算機技術(shù)和制造技術(shù)的迅速發(fā)展，沖壓模具設(shè)計與制造技術(shù)正由手工設(shè)計，依靠人工經(jīng)驗和常規(guī)機械加工技術(shù)向以計算機輔助設(shè)計（CAD），數(shù)控切削加工、數(shù)控電加工為核心的計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）技術(shù)轉(zhuǎn)變。
1.2.國外模具的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
模具是工業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵的工藝裝備，在電子、建材、汽車、電機、電器、儀器儀表、家電和通訊器材等產(chǎn)品中，60％～80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生產(chǎn)制作表現(xiàn)出的高效率、低成本、高精度、高一致性和清潔環(huán)保的特性，是其他加工制造方法所無法替代的。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標志，并在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。近幾年，全球模具市場呈現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，世界模具市場年交易總額為600～650億美元左右。美國、日本、法國、瑞士等國家年出口模具量約占本國模具年總產(chǎn)值的三分之一。
國外模具總量中，大型、精密、復雜、長壽命模具的比例占到50%以上；國外模具企業(yè)的組織形式是"大而專"、"大而精"。2004年中國模協(xié)在德國訪問時，從德國工、模具行業(yè)組織德國機械制造商聯(lián)合會（VDMA）工模具協(xié)會了解到，德國有模具企業(yè)約5000家。2003年德國模具產(chǎn)值達48億歐元。其中（VDMA）會員模具企業(yè)有90家，這90家骨干模具企業(yè)的產(chǎn)值就占德國模具產(chǎn)值的90%，可見其規(guī)模效益。
隨著時代的進步和技術(shù)的發(fā)展，國外的一些掌握和能運用新技術(shù)的人才如模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具工藝設(shè)計、高級鉗工及企業(yè)管理人才，他們的技術(shù)水平比較高．故人均產(chǎn)值也較高．我國每個職工平均每年創(chuàng)造模具產(chǎn)值約合1萬美元左右，而國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多15～20萬美元，有的達到25～30萬美元。
科學技術(shù)不段在飛速發(fā)展著，我國的模具工業(yè)根據(jù)技術(shù)的不段更新也朝著新的 起點邁進。雖然我國模具工業(yè)發(fā)展比較的晚，但經(jīng)過廣大模具工作者的辛勤奮斗， 模具已在向精密復雜的領(lǐng)域進攻，而且在政府的幫助下，我相信我們會逐漸的縮 短與發(fā)達國家模具工業(yè)的發(fā)展距離。向更高的方向前行。
27
2 零件的工藝性分析
工件名稱：圓筒
生產(chǎn)批量：大批量
材料：鋁A1100
厚度：1.0mm
工件簡圖：如圖所示
工藝性分析
2.1.材料分析
鋁有較好的延展性，屬于深拉深級別材料，具有良好的拉深成型性能。
2.2.結(jié)構(gòu)分析
零件為無凸緣筒形件，結(jié)構(gòu)簡單，底部圓角半徑為R4，滿足筒形拉深件底部圓角半徑大于一倍料厚的要求，因此，零件具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。
3 工藝方案的確定
3.1.確定拉深次數(shù)
有圖可知：h=40mm,d=29mm,R=4mm。
3.1.1.確定修邊余量
由h=40mm,h/d=40mm/29mm=1.379,查表4.1[1]得Δh=2.5mm，則拉深件總的高度H為
H=40+2.5=42.5mm
3.1.2.計算毛坯直徑
先判斷能否一次拉出，將H=42.5mm,d=29mm,R=4mm 代入公式得
D=
=
≈75mm
3.1.3.確定是否采用壓邊圈
零件的相對高度t/D×%100=1/75×%100=1.33，查表4.7【1】得1.33<1.5在采用壓邊圈的范圍內(nèi)，則需要壓邊圈。
3.1.4.確定拉深次數(shù)
毛坯的相對厚度為:×100=×100=1.33
查表4.3[1]得各次的極限拉深系數(shù)為:
m1=0.50 m2=0.75 m3=0.78 m4=0.80
零件的總拉深系數(shù)為：
m===0.39
m=0.39<=0.50
故該零件需經(jīng)多次拉深才能達到所需尺寸。
d=D=0.50×75=37.5mm
d=d=0.75×37.5=28.125mm
因為 d<30mm,故拉深次數(shù)為兩次。 并且需要一次切邊工序。
3.2.工藝方案的確定
該零件的工序有落料和拉深，其有以下幾種工藝方案:
方案一：落料、首次拉深、再次拉深單工序模生產(chǎn)。
方案二：落料-首次拉深復合，二次拉深復合模生產(chǎn)。
方案三：落料，拉深，再拉深采用級進模生產(chǎn)。
方案一模具結(jié)構(gòu)簡單，但須多套模具，其生產(chǎn)效率低，難于滿足大批量生產(chǎn)。方案二采用復合模生產(chǎn)，大大減少了模具套數(shù)，降低了模具成本，其模具制造簡單，安裝方便，能夠滿足大批量生產(chǎn)，方案三生產(chǎn)效率高，但模具制造維修非常麻煩，其要求較高。
綜合考慮，應(yīng)選方案二采用復合模生產(chǎn)。
3.3.畫出工序件草圖
4 主要工藝計算
4.1.排樣設(shè)計
制件為簡單的圓形件，可以采用直排的方式，來提高材料利用率，減少廢料。
查文獻表2.9[1]得搭邊值為0.8mm和1.0mm。
計算條料寬度：
B=D+2a
=75+2×1=77mm
步距: S=D+a
=75+0.8=75.8mm
式中， S---步距
B---條料寬度
a---側(cè)邊值
a---沖裁件之間的搭邊值
材料利用率的計算：
計算沖壓件毛坯的面積：
A=πD2/4=4415.625mm2
一個步距的材料利用率為：
η=×100
=×100%
=75.65%
4.2.落料、拉深復合模工藝計算
4.2.1.落料凸、凹模刃口尺寸計算
根據(jù)零件形狀特點，刃口尺寸計算采用分開制造法，落料尺寸為Φ75mm，落料凹模刃口尺寸計算為：
查表2.3【1】得該零件的沖裁凸，凹模最小間隙為=0.040mm，最大間隙為=0.060mm。
（0.060-0.040）mm=0.020mm
查表2.5【1】得凸模制造公差=-0.020mm，凹模制造公=+0.030mm。
∣δ凸∣+∣δ凹∣=0.05mm>0.020mm
故采用凸模刃口尺寸和凹模刃口尺寸配作法制造。
落料凹模的刃口尺寸計算公式為：
查表2.6【1】得x=0.5
=(75-0.5×0.45)
=74.775mm
式中， x---為磨損系數(shù)
Δ---沖裁件的公差
δ---凹模的制造公差
凸模刃口尺寸按凹模刃口尺寸配作，保證雙面間隙在0.040--0.060mm之間。
4.2.2.首次拉深凸、凹模尺寸計算
（1）凸、凹模尺寸計算
凸、凹模工作部分尺寸及公差，由于多次拉深，工序件尺寸無需嚴格要求，首次拉深以凹模為基準，模具的制造公差按IT10級選取。
查表4.13【1】得：第一次拉深單邊間隙=1.1t=1.1,則z=2.2。
第一次拉深凸、凹模尺寸計算：
凹模尺寸計算公式為：D=d
=37.5
凸模尺寸計算公式D=(d-2z)
=（37.5-4.4）
=33.1
式中， 、---制造公差
Z---為拉深模具雙面間隙。
（2） 選取首次拉深凸、凹模圓角半徑
考慮到實際采用的拉深系數(shù)均接近其極限值，故首次拉深凹模圓角半徑rA1可應(yīng)取大些。
由凹模圓角半徑公式 得
首次拉深的凹模圓角半徑為：
= 5
因為拉深凹模圓角半徑與拉深凸模圓角半徑相對應(yīng)，所以
（3）首次拉深工序件高度的確定
根據(jù)經(jīng)驗公式 可以求得，首次拉深工序件圓底處的圓角半徑（對應(yīng)各工序中的凸模圓角半徑）：r1=5.
根據(jù)式4.14【1】求得首次拉深后獲得的工序件的高度為：
h=0.25(D2
= 30.5mm
4.2.3.二次拉深凸、凹模尺寸計算
（1）二次拉深凸、凹模尺寸計算
二次拉深是最后的一次拉深，由于要求零件尺寸標注在外形，因此，以凹模為設(shè)計基準，模具按IT10級選取公差。
查表4.13【1】得：第二次拉深單邊間隙=（1--1.05）t,則z=2。
計算出模具的尺寸為
D=（d-0.75Δ)
=( 30-0.75×0.45)
=29.6625
D=(d-0.75Δ-z)
=(30-0.75×0.45-2)
=27.6625
式中， ---凸凹模的制造公差
Z---為拉深模具雙面間隙。
（2）選取二次拉深凸、凹模圓角半徑
最后一次拉深的模具的圓角半徑應(yīng)取工件的圓角半徑為：
r=r=4mm
（3）二次拉深工序件高度的確定
根據(jù)式4.14【1】求得二次拉深后的工序件高度為：
2
= 44.7mm
4.3.落料力計算
F=KLt
式中 F---落料力
K---系數(shù)
L---沖裁周邊長度
t---材料厚度
---材料抗剪強度
系數(shù)K是考慮到實際生產(chǎn)中，模具間隙值的波動和不均勻、刃口的磨損、版板料力學性能和厚度波動等因素的影響而給出的修正系數(shù)，一般取K=1.3。
查表1.3【1】得=80MP
所以， F=1.3×75π×1×80
=24492N≈25.5KN
4.4.卸料力和頂件力計算
推件力：
F=KF
查表2.7【1】得K=0.03--0.08，取K=0.06
所以： F=0.06×25.5
=1.53KN
頂件力：
F=KF
查表2.7【1】得K=0.03--0.07，取K=0.05
所以， F=0.05×25.5
=1.275KN
式中 K、K---卸料力、頂件力系數(shù)
F---落料力
4.5.壓邊力計算
采用壓邊的目進行而施加的力。拉深時壓邊力必須適當，壓邊力過大會引起拉深力的增加，甚至造成制件拉裂或嚴重變??；壓邊力過小則會造成制件直壁或凸緣部分起皺。的是為了防止變形區(qū)板料在拉深過程中的起皺，保證拉深過程順利
查表4.8[1]得單位壓邊力為0.8--1.2MP，取1.0MP
第一次拉深時： F=2-（d+2r)2]p
=[752-(37.5+2×5）2]×1.0
≈2644.5N=2.6445KN
第二次拉深時： F=(d2-d2)p
=(37.52-302)×1.0
≈397.4N=0.3974KN
故總壓邊力： F壓=F壓1+F壓2
=2.6445KN+0.3974KN
= 3.0419KN
式中， D---毛坯直徑
d---第一次拉深后工件直徑
d---拉深完成后工件直徑
p---單位壓邊力
r---第一次拉深圓角半徑
4.6.拉深力計算
由于采用壓邊圈，查表1.3【1】得=70--100MP，取 =100 MP。
查表4.6【1】得修正系數(shù)K1=1; K2=0.90
則第一次拉深時拉深力： F=πdtk
=3.14×37.5×1×100×1
=11775N=11.775KN
第二次拉深時拉深力： F=πdtk
= 3.14×30×1×100×0.90
=8478N=8.478KN
式中， F、F ---第一次拉深力、第二次拉深力
d---第一次拉深后工件直徑
d---拉深完成后工件直徑
t---料厚
k、k---修正系數(shù)
故總拉深力： F拉深=F拉1+F拉2
=11.775KN+8.478KN
=19.235KN
4.7.壓力中心計算
由于是圓形工件，如圖所示，所以工件的壓力中心應(yīng)為圓心即0。
4.8.壓力機的選擇
總壓力為： F=F+F+F+F+F
=25.5+1.53+1.275+3.0419+19.235
= 50.5819KN
為了保證壓力機安全工作，一般所選壓力機的噸位應(yīng)比計算的壓力大30%，即 F'=1.3F
=1.3×50.5819=65.75647KN
由于該制件屬于小型制件，且精度要求適中，則所選壓力機為J23-16的開式雙柱可傾壓力機。
其主要技術(shù)參數(shù)為：
公稱壓力：160KN
滑塊行程：55mm
最大封閉高度：220mm
封閉高度調(diào)節(jié)量：45mm
立柱間隙：220mm
工作臺尺寸(前后×左右）：300mm×450mm
墊板尺寸：40mm×210mm
模柄孔尺寸：Φ40mm×60mm
最大傾斜角：35°
5 落料、拉深復合模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1.模具工作零件設(shè)計
5.1.1.落料凸、凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計
凹模刃口采用直筒形刃口，查表2.21【1】取得刃口高度h=6mm。凹模結(jié)構(gòu)簡單，則采用整體式。
落料凸模
落料凹模
查表2.22【1】得凹模厚度系數(shù)k=0.20。
即，凹模高度H=kb=0.20×75=15mm
凹模壁厚C=1.5H=1.5×15=22.5mm
凹模外形尺寸的確定：凹模外形長度L=75+2×22.5=120mm
凹模外形寬度B=75+2×22.5=120mm
凹模整體尺寸標準化，取為160mm×160mm×32mm。
5.1.2.凸凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計
凸凹模結(jié)構(gòu)即為落料凸模拉深凹模，其主要以落料凸模的長度為基準，即計算公式為：
L=h+h+Y
式中 L---凸模長度（mm）；
h---凸模固定板厚度（mm），取h=20mm
h---卸料板厚度（mm），取 h=9mm
Y---附加長度，一般為（15mm--20mm),取Y=18mm.
所以 L=20+9+18
=47mm
5.1.3.拉深凸模設(shè)計
拉深凸模
L=H+H+Y
式中 H---拉深凸模固定板厚度（mm），取H=16mm。
H---凹模固定板厚度（mm）；
Y---附加長度，取Y=18mm.
所以 L=16+32+18
=66mm
拉深凸模采用臺階式，采用車床加工，與凸模固定板按H7/m6配作。
5.1.4.凸、凹模間隙
沖裁間隙是指沖裁凹模刃口橫向尺寸與凸模刃口橫向尺寸之間的差值。沖裁間隙較大時，卸料及推件時需要克制的摩擦阻力小;間隙較小時，模具作用的壓應(yīng)力越大，磨損也越嚴重。沖裁件精度要求不高時，一般采用較大的間隙值以提高模具是壽命。
該模具由于是多工序模，落料精度不高。由上可知，凸模刃口尺寸按凹模刃口尺寸配作，保證雙面間隙在0.040--0.060mm之間。
拉深模的單邊間隙為拉深凹模和凸模尺寸差值的一半：Z=1/2（Dd-Dp）。間隙不合適，會降低制件質(zhì)量。間隙過大，制件容易起皺，且對拉深件直壁的校直作用減小，制件易出現(xiàn)口大底小的錐形；間隙過小，會使制件拉斷或變薄特別嚴重，同時間隙越小，拉深力越大，模具也易磨損。
模具間隙查表4.13【1】得單邊間隙為1.1。
5.2.定位元件設(shè)計
為了防止拉深過程中的起皺，生產(chǎn)中主要采用壓邊圈。壓邊圈在模具中起到壓料和頂出件的作用。模具上定位零件的作用是使毛坯或半成品在模具上能夠正確定位，根據(jù)毛坯形狀，尺寸及模具的結(jié)構(gòu)形式，可以選用不同的定位方式。
擋料銷主要用于定位，保證條料有準確的送進距，擋料銷采用45鋼，熱處理硬度為44--48HRC。
導料銷來導正材料的送進。
為了防止拉深過程中起皺，生產(chǎn)中主要采用壓邊圈。該套模具中壓邊圈起壓料和頂出制件的作用。
5.3.彈性元件設(shè)計
選用橡膠作為卸料的彈性元件。
橡膠的自由高度計算：
H=
式中， H---橡膠的自由高度
H---橡膠的壓縮工作行程
卸料板工作行程: H=h+h+t
=4mm
橡膠工作行程： H=H+h
=4+5=9mm
式中， h－－為凸模凹進卸料板的高度１ｍｍ
h－－為凸模沖裁后進入凹模的深度２ｍｍ
h－－為凸模修磨量為５ｍｍ
所以， H==30mm
橡膠預(yù)壓縮量： H=(0.1--0.15)H
所以， H=0.15H=0.15×30
=4.5mm
橡膠裝模高度：H=H- H=30-4.5=25.5mm，取H=26mm。
5.4.模架選用
模架： 160×160×（210--255）
上模座：160×160×45
下摸座：160×160×55
墊板：160×160×8
導柱： Φ25mm×130mm、Φ28mm×130mm
導套： Φ25mm×85mm×Φ33mm、Φ28×85mm×Φ33mm
模柄： Φ40mm×80mm
5.5.壓力機高度校核
模具的閉合高度H=H+H+h+H+h+H+H+H
=45+8+20+26+9+32+16+55
=211mm
模具的閉合高度應(yīng)介于壓力機的最大裝模高度和最小裝模高度之間，并且應(yīng)留有適當余量。
（220-5）mm≥H≥(220-35+10)mm
215mm≥H≥195mm
由計算可知，此壓力機可以使用。
6 模具整體設(shè)計
6.1.卸料方式
采用彈性卸料裝置，進行卸料。
6.2.送料方式
采用從前往后送料。
6.3.導向裝置
為了提高模具壽命和工件質(zhì)量，方便安裝調(diào)整，該模具采用導柱導套的導向方式。
7 模具裝配圖
1.下模座 2.銷 3.導柱 4.落料凹模 5.卸料板 6.導套 7.橡膠
8.螺釘 9.上模座 10.銷 11.螺釘 12.打桿 13.模柄 14.墊板
15.凸凹模固定板 16.凸凹模 17.推件塊 18.導料銷 19.拉深凸模
20.壓邊圈 21.拉深凸模固定板 22.螺釘 23.頂桿 24.擋料銷
結(jié)論
通過這次畢業(yè)設(shè)計使我熟悉了沖壓模具的整個過程，并且了解了在做沖壓模具之前首先要對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形態(tài)，模具的結(jié)構(gòu)形態(tài)。也就是要對產(chǎn)品的工藝性進行合理的分析，從而才能采取更合適模具，節(jié)約成本的同時還能保證加工零件的精度要求。其次，考慮好產(chǎn)品的批量以及精度要求以及材料的造價。最后完成產(chǎn)品的模具設(shè)計、模具的裝配圖、零件圖。
本次畢業(yè)設(shè)計的成功完成使我個人有專業(yè)中學術(shù)上的一次難忘的歷程，因為通過我本人的長時間的思考、設(shè)計以及老師多次細心的指導使我知道一套合格的沖壓模具設(shè)計的完成以一套合格的圖紙的完成都需要付出多次的心血和汗水，通過它可以說明一個人最基本得學習工作態(tài)度。我認為要立志成為一個模具行業(yè)的佼佼者首先要從每一個細節(jié)作起，做事要有堅韌不拔的毅力，有耐心，謙虛，謹慎，這樣才能成為一名出色的模具設(shè)計師。
致謝
首先感謝本人的導師翟德梅老師，他對我的仔細審閱了本文的全部內(nèi)容并對我的畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容提出了許多建設(shè)性建議。翟德梅老師淵博的知識，誠懇的為人，使我受益匪淺，在畢業(yè)設(shè)計的過程中，特別是遇到困難時，他給了我鼓勵和幫助，在這里我向他表示真誠的感謝！
感謝母?！幽蠙C電高等?？茖W校的辛勤培育之恩！感謝材料工程系給我提供的良好學習及實踐環(huán)境，使我學到了許多新的知識，掌握了一定的操作技能。
感謝和我在一起進行課題研究的同窗宿舍同學，和他們在一起討論、研究使我受益非淺。
最后，我非常慶幸在三年的的學習、生活中認識了很多可敬的老師和可親的同學，并感激師友的教誨和幫助！
參考文獻
【1】 原紅玲主編. 沖壓工藝與模具設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008
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