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全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
發(fā)動機漏油器外殼的沖壓工藝及模具設(shè)計
STAMPING PROCESS AND MOULD DESIGN OF THE SHELL FOR OIL SPILL ABOUT ENGINE
學(xué)生姓名： 學(xué) 號 年級專業(yè)及班級： 指導(dǎo)老師及職稱： 學(xué) 院：工學(xué)院
湖南·長沙
提交日期：2013年5月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
2013年5月26日
目 錄
摘要…………………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞………………………………………………………………………………1
1 前言………………………………………………………………………………2
1.1 國內(nèi)外模具的發(fā)展與現(xiàn)狀……………………………………………………3
1.2 沖壓模具的發(fā)展前景和趨勢…………………………………………………3
1.2.1 繼續(xù)全力全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)……………………………………3
1.2.2 模具檢測設(shè)備向精密、高效和多功能方向發(fā)展…………………………4
1.2.3 一體化加工中心是目前正在發(fā)展的新技術(shù)………………………………4
1.3 小結(jié)……………………………………………………………………………4
2 沖壓工藝的確定…………………………………………………………………5
2.1 沖壓件的工藝分析……………………………………………………………5
2.1.1 工件的設(shè)計要求……………………………………………………………5
2.1.2 搭邊值的確定………………………………………………………………5
2.1.3 零件尺寸精度要求…………………………………………………………6
2.1.4 零件材料……………………………………………………………………6
2.1.5 沖壓工藝方案的選擇………………………………………………………6
3 模具主要計算……………………………………………………………………7
3.1 毛坯尺寸的計算………………………………………………………………7
3.2 判斷能否一次拉深成形………………………………………………………7
3.3 判斷是否需要壓邊……………………………………………………………8
3.4 排樣方式的確定………………………………………………………………8
3.4.1 排樣種類……………………………………………………………………8
3.4.2 毛坯排樣的確定……………………………………………………………8
3.5 沖裁模刃口尺寸設(shè)計…………………………………………………………10
3.5.1 刃口尺寸計算方法…………………………………………………………10
3.5.2 刃口尺寸計算………………………………………………………………10
3.6 拉深模工作部分尺寸計算……………………………………………………12
3.6.1 凸模圓角半徑………………………………………………………………12
3.6.2 凹模圓角半徑………………………………………………………………12
3.6.3 拉深模凸、凹模間隙的確定………………………………………………13
3.6.4 拉伸模工作部分尺寸計算…………………………………………………13
4 沖壓工藝的計算…………………………………………………………………14
4.1 沖壓力的相關(guān)計算……………………………………………………………14
4.2 拉深工藝力力的計算…………………………………………………………15
4.2.1 拉深力的計算………………………………………………………………15
4.2.2 壓邊力的計算………………………………………………………………15
5 沖壓設(shè)備的選擇…………………………………………………………………15
5.1 壓力中心的確定………………………………………………………………15
5.2 沖壓設(shè)備類型的選擇…………………………………………………………16
5.2 沖壓設(shè)備規(guī)格的選擇…………………………………………………………16
6 模具主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與總體設(shè)計…………………………………………17
6.1 模具結(jié)構(gòu)形式的選擇…………………………………………………………17
6.1.1 模架的選用…………………………………………………………………17
6.1.2 模具的閉合高度……………………………………………………………18
6.2 模具工作部分尺寸計算………………………………………………………18
6.2.1 落料凹?！?8
6.2.2 拉深凸?！?8
6.2.3 凸凹模………………………………………………………………………18
6.2.4 上墊板………………………………………………………………………19
6.3 模具總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計…………………………………………………………19
6.4 壓力機與模具的配合…………………………………………………………20
6.5 模具工作效率與保養(yǎng)…………………………………………………………20
7 設(shè)計小結(jié)…………………………………………………………………………20
參考文獻……………………………………………………………………………21
致謝…………………………………………………………………………………21
發(fā)動機漏油器外殼的沖壓工藝及模具設(shè)計
學(xué) 生：李小聰
指導(dǎo)老師：陳力航
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院學(xué)院，長沙 410128)
摘 要：本設(shè)計是關(guān)于漏油器外殼的落料、拉深、沖孔復(fù)合模的設(shè)計，完成的內(nèi)容為：對模具在工業(yè)生產(chǎn)中的作用，模具發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，未來模具的發(fā)展前景做了概述。確定合理的工藝方案、工序數(shù)目、毛坯尺寸、壓力中心并繪制零件圖。設(shè)計定位零件，設(shè)計固定零件，選擇模架標(biāo)注緊固件。最后繪制模具非標(biāo)準(zhǔn)零件圖，用CAD畫出二維裝配圖。
當(dāng)所有的參數(shù)計算完后，對模具的裝配方案，對主要零件的設(shè)計和裝配要求技術(shù)要求都進行了分析。
關(guān)鍵詞：漏油器外殼；落料；拉深； 沖孔；復(fù)合模；
Stamping Process and Mould Design of The Shell for Oil Spill about Engine
Student:Lixiaocong
Tutor:Chenlihang
(College of engineering and technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract:The design is a design of compound die about blanking、drawing、punching for oil spill,the completed as follows:giving a brief introduction about the effect of mould in industrial production、development history and current situation of mould、the future development of mould. To determine the reasonable processing plan 、the number of processes 、blank size 、center of pressure and draw the part drawing.To design the positioning parts 、fixed parts and choose fasteners of moldbase marked.Finally,to draw non-standard parts drawing of mould and The 2D assembly drawing by CAD.
With all parameters done, analysis on the assembling of the moulds and requirement of main parts design and assembling was made.
Key words: Oil spill shell; Blanking; Drawing;Punching; Compound die;
1 前言
1.1 國內(nèi)外模具的發(fā)展與現(xiàn)狀
模具是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的主要工藝裝備，是最重要的工業(yè)生產(chǎn)手段和工藝發(fā)展方向，一個國家工業(yè)水平的高低在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平，模具工業(yè)的發(fā)展水平是一個國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。
我國考古發(fā)現(xiàn)：早在2000多年前，我國已有沖壓模具被用于制造銅器。證明了中國古代沖壓成型和沖壓模具方面的成就就在世界領(lǐng)先。
近代，從上個世紀(jì)20年代開始，金屬制品、玩具和小五金等行業(yè)就開始使用沖床、壓力機等簡易機械設(shè)備及相應(yīng)的模具加工產(chǎn)品的毛坯或某些零部件，其中的“刀口模子”專門用于落料、沖孔，“塢工模子”可用于金屬拉伸。由于生產(chǎn)力較為低下，技術(shù)水平不夠。直到20世紀(jì)40年代初，出現(xiàn)水壓機冷沖模具。50年代公私合營后，增添了磨床、銑床和鋸床等設(shè)備，又配上硬度計、外徑內(nèi)徑測定器和塊規(guī)等較為精密的測量設(shè)備，冷沖模具的精度得以提高。六七十年代，隨著產(chǎn)品生產(chǎn)大量使用沖壓機床，冷沖模具已從原來單沖落料、單沖孔模具發(fā)展為落料、沖孔復(fù)合模。同時由于冷沖模架標(biāo)準(zhǔn)件的出現(xiàn)，使模具設(shè)計結(jié)構(gòu)形式多樣化，精度也由此提高。70年代以后，使用斜度線切割機加工冷沖模具。其凸模(沖頭)和凹?？上却慊鹛幚碓偾懈钛b配，取代了原來冷沖模具制作需要熱處理一裝配一變形修正的繁瑣工藝，模具的精度可達到0．01ram?？梢哉f這段時間我國的模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展日新月異。
到了21世紀(jì)，隨著計算機軟件的發(fā)展和進步，CAD／CAE／CAM技術(shù)日臻成熟，其現(xiàn)代模具中的應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)中國模具工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2009年中國模具進出口總額為38．07億美元，比上年下降3．03％。其中進口總額為19．64億美元，同比減少2％；出口總額為18．43億美元，同比減少4．1l％。按模具種類分，進出口最高的仍是塑料橡膠模具，分別占了進出口額的50．12％和70．26％；其次是沖壓模具，分別占了進出口額的42．42％和22．07％。按進口貨源地分，進口模具主要來自日本、韓國、德國，其次是中國臺灣、美國、加拿大、意大利、新加坡、丹麥和法國；按出口目的地分，中國出口模具的市場主要是香港、美國和日本。其次是德國、印度、中國臺灣、法國、巴西、韓國和越南；按出口貨源地分，出口模具主要來自廣東、浙江和江蘇。
當(dāng)今世界正進行著新一輪的產(chǎn)業(yè)調(diào)整．一些模具制造逐漸向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移，中國正成為世界模具大國。近年來，外資對我國模具行業(yè)投入量增大，工業(yè)發(fā)達國家將模具向我國轉(zhuǎn)移的趨勢進一步明朗化。日本模具業(yè)正逐漸將技術(shù)含量不高的模具轉(zhuǎn)向人力成本低的地區(qū)生產(chǎn)，只在本國生產(chǎn)技術(shù)含量較高的產(chǎn)品。其次是日本使用模具的主要企業(yè)有加快向國外轉(zhuǎn)移的趨勢，這使日本本國模具使用量減少。?
?? 隨著模具工業(yè)全球化布局的發(fā)展，模具行業(yè)在美國工業(yè)總產(chǎn)值中所占的比重呈現(xiàn)出不斷下降的態(tài)勢，但是美國模具在全球模具的高端產(chǎn)品仍然占據(jù)著重要地位。?
?? 德國主要世界上主要的制造大國之一，在模具制造方面具有領(lǐng)先的技術(shù)。德國擁有世界領(lǐng)先的汽車、船舶等制造技術(shù)，受上游行業(yè)需求影響，德國模具在世界上具有較為重要的地位。由于德國將將技術(shù)含量較高的制造業(yè)作為其立國之本，預(yù)計未來德國不會放棄模具制造領(lǐng)域，相反會加強技術(shù)含量較高的模具的研究和開發(fā)。
無論國內(nèi)還是國外，精密、復(fù)雜、大型模具的發(fā)展，對檢測設(shè)備的要求越來越高。現(xiàn)在精密模具的精度已經(jīng)達到2-3um。目前國內(nèi)廠家使用較多的有意大利、美國、日本等國家的高精度三坐標(biāo)測量機，并具有數(shù)字化掃描功能。如東風(fēng)汽車模具廠不僅擁有意大利三坐標(biāo)測量機，還擁有數(shù)碼攝影光學(xué)掃描儀，率先在國內(nèi)采用數(shù)碼攝影、光學(xué)掃描作為空間三維信息的獲得手段，從而實現(xiàn)了從測量實物——建立數(shù)學(xué)模型——輸出工程圖紙——模具制造的整個過程，使得逆向工程技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用有了很大成功。
1.2 沖壓模具的前景與趨勢
沖壓模具的前景十分廣闊。以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路用引線框架精密多工位級進沖模，集成電路精密封裝模具，電子元器件和精密接插件用精密模具，芯片用精密沖壓模具，汽車電子模具為前沿，電腦周邊模具、多媒體數(shù)碼產(chǎn)品模具、光電通訊產(chǎn)品模具、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品模具、鐘表禮品模具等等隨著IT和信息技術(shù)的發(fā)展將需求越來越大。我國已是(復(fù)印機、傳真機、打印機等)OA設(shè)備及耗材的主要生產(chǎn)國，60%以上的復(fù)印設(shè)備、40%以上的影像打印設(shè)備在中國制造，同時世界OA設(shè)備主要廠商在中國大量采購零部件也使得OA設(shè)備塑料模具發(fā)展迅速。
主要集中在四個方面：繼續(xù)全力全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)；模具檢測設(shè)備向精密、高效和多功能方向發(fā)展；一體化加工中心是目前正在發(fā)展的新技術(shù)；模具工業(yè)新工藝、新理念和新模式逐步得到認同。
1.2.1 繼續(xù)全力全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)
CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用時磨具制造技術(shù)發(fā)展的動力。隨著電腦軟件的開發(fā)與應(yīng)用， 普及CAD/CAM/CAE技術(shù)的條件已經(jīng)成熟，各企業(yè)將加大這些技術(shù)的培訓(xùn)與技術(shù)服務(wù)力度；進一步擴大CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍。
世界較先進的豐田汽車模具制造廠在這方面為我們提供了比較成功的實驗，它的模具從設(shè)計到加工完全依賴高科技，將實體設(shè)計加上數(shù)控編程，取代了人工實型制作和機床操作；精細模面設(shè)計和精細數(shù)控編程大大減少了鉗修；高精度加工取消了模具的研合、修配?，F(xiàn)在數(shù)控編程人員已經(jīng)超過了現(xiàn)場操作人員，數(shù)控編程的工時費用，超過了機床操作工人，數(shù)控編程的工時費用，超過了機床工時費用的50%，這種高精度和無人化加工，使模具的質(zhì)量有了極大的提高，生產(chǎn)周期大大縮短。
1.2.2 模具檢測設(shè)備向精密、高效和多功能方向發(fā)展
精密、復(fù)雜、大型模具的發(fā)展，對檢測設(shè)備的要求越來越高?，F(xiàn)在精密模具的精度已經(jīng)達到2-3um。目前國內(nèi)廠家使用較多的有意大利、美國、日本等國家的高精度三坐標(biāo)測量機，并具有數(shù)字化掃描功能。
如東風(fēng)汽車模具廠不僅擁有意大利三坐標(biāo)測量機，還擁有數(shù)碼攝影光學(xué)掃描儀，率先在國內(nèi)采用數(shù)碼攝影、光學(xué)掃描作為空間三維信息的獲得手段，從而實現(xiàn)了從測量實物——建立數(shù)學(xué)模型——輸出工程圖紙——模具制造的整個過程，使得逆向工程技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用有了很大成功。
1.2.3 一體化加工中心是目前正在發(fā)展的新技術(shù)
在豐田模具制造廠，今年已投入使用了一個粗精加工一體化、高速、高精度、五面加工 中心。它的優(yōu)點是集各種機床優(yōu)點之大成，除底面加工外，一次裝、卡，粗、精、高功率、高精度、高速等面面俱到，加工效率很高。且目前已出現(xiàn)的無人化生產(chǎn)形式主要指柔性加工和沖壓加工中心。
比如日本TOYOTA公司的柔性沖壓加工系統(tǒng)（FMS）是通過數(shù)控使一組沖壓設(shè)備實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)加工；我國90年代誕生了一臺以沖床為主的板料折彎柔性單元（FMS）。一體化無疑是一種十分理想的技術(shù)，代表著數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的方向。日本的AIDA公司70年代就開始了沖壓加工中心研制，但進展似乎很慢，說明了難度很大，所需投入更是巨大。
1.3 小結(jié)?
沖壓加工作為一個行業(yè)，在國民經(jīng)濟的加工工業(yè)中占有重要的地位。近年來，沖壓成型工藝有了很多新的進展，特別是精密沖裁、精密成形、精密剪切、復(fù)合材料成形、超塑性成形、軟模成形以及電磁成形等新工藝日新月異，沖壓件的成形精度日趨精確，生產(chǎn)率有了極大的提高，正把沖壓加工提高到高品質(zhì)、新的發(fā)展水平。由于引入了計算機輔助工程（CAE）沖壓成形已從原來對應(yīng)力應(yīng)變進行有限元分析而逐步發(fā)展到采用計算機進行工藝過程的模擬與分析，以實現(xiàn)沖壓過程的優(yōu)化分析設(shè)計。計算機在模具領(lǐng)域，包括設(shè)計、制造、管理等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。??
2 沖壓工藝方案的確定
2.1 沖壓件的工藝分析
2.1.1 零件的設(shè)計要求
工件簡圖如下：
圖1 工件圖
Fig l The graph
工件名稱：漏油器外殼
工件材料：08鋼
生產(chǎn)批量：大批量
材料厚度：2mm
尺寸精度：IT10
2.1.2 搭邊值的確定
排樣時沖裁件之間以及沖裁件與條料之間留下的工藝廢料叫搭邊。影響搭邊值的因素：?
(1)?材料的力學(xué)性，硬材料的搭邊值可小一些；軟材料、脆材料的搭邊值要大一些。?
(2)材料厚度，材料越厚，搭邊值越大。?
(3)沖裁件的形狀與尺寸，零件外形越復(fù)雜，圓角半徑越小，搭邊值取大些?
(4)送料及擋料方式，用手工送料，有側(cè)壓裝置的搭邊值可以小一些；用側(cè)刃定距比用擋料銷定距的搭邊小一些。?
(5)擋料裝置的形式（包括擋料銷、導(dǎo)料銷和定距側(cè)刃等的形式）。搭邊值一般是由經(jīng)驗再經(jīng)過簡單計算確定的。
該零件為帶凸緣筒形件，要求內(nèi)形尺寸材料厚度為t=2mm。設(shè)計沒有厚度不變的要求，零件具有對稱性，可旋轉(zhuǎn)而成，且圓角半徑R=4mm≥2t，滿足拉深工藝對形狀和圓角半徑的要求（《沖壓工藝編制與模具設(shè)計制造》P126頁）拉深的工藝性,不用加整形工序。尺寸Φ110±0.25為IT12級，其余尺寸為自由公差，拉深底部孔徑d分別為Φ6.5和Φ20，滿足d≤d4-2r+t=76-2×4＋2=70mm，符合孔位設(shè)計要求,在拉伸件上沖孔時，為免沖孔時凸模受水平推力而折斷，孔邊與零件直壁之間應(yīng)保持一定的距離，此距離應(yīng)滿足a≥1.5t，由零件外形尺寸計算得a=3，滿足沖孔的條件。
2.1.3 零件尺寸精度要求
沖裁件的精度一般可分為精密級和經(jīng)濟級兩類。精密級是沖壓工藝技術(shù)所允許的精度，而經(jīng)濟級是可以用較經(jīng)濟手段達到的精度。工件精度要求為IT12，而沖裁件的經(jīng)濟精度一般不高于IT11級，最高可達IT8～IT10，沖孔比落料高一級，拉深間的尺寸精度應(yīng)在IT13～IT11級，所以該零件利用普通沖裁拉深可以達到零件圖樣的要求。
2.1.4 零件材料
工件材料為08鋼，為極軟的碳素鋼，強度、硬度很低，而韌性和塑性極高，具有良好的深沖、拉延、彎曲和鐓粗等冷加工性能、焊接性能。但存在時效敏感性，淬硬性及淬透性極低。大多軋制成高精度的薄板或冷軋鋼帶用以制造易加工成形，強度低的深沖壓或深拉延的覆蓋零件和焊接構(gòu)件。
2.1.5 沖壓工藝方案的選擇
確定方案就是確定沖壓件的工藝路線，主要包括沖壓工序數(shù)，工序的組合和順序等。確定合理的沖裁工藝方案應(yīng)在不同的工藝分析進行全面的分析與研究，比較其綜合的經(jīng)濟技術(shù)效果，選擇一個合理的沖壓工藝方案。
對零件結(jié)構(gòu)、材料、精度分析后，得出以下三種方案：
方案一：落料-拉深-沖孔，采用單工序模具，則需要三套模具。
方案二：落料-拉深-沖孔，采用級進模具，只需要一套模具。
方案三：落料-拉深-沖孔，采用復(fù)合模具，即只需要一套模具。
方案比較：方案一:單工序模生產(chǎn)效率低，沖壓精度不高，模具復(fù)雜程度、制作精度都較低，沖壓設(shè)備能力較小，而且加工這樣一個工藝需要三套模具，三臺設(shè)備，模具制造費用大，所以方案一不合理。方案二:采用級進模模，模具制造難度加大，模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，模具制造周期較長，模具成本較高，所以方案二不合理。因工件的結(jié)構(gòu)較為簡單且關(guān)于軸對稱，采用復(fù)合模具制造工件，生產(chǎn)效率高，成本不是太高，并且適合大批量生產(chǎn)，綜上所述，所以采用方案三。
圖2 計算毛坯尺寸涉及的尺寸圖
Fig 2 Calculation of blank dimension relates to the size chart
3 模具主要計算
3.1 毛坯尺寸的計算
單工序拉深模的毛坯是單個的，級進模的坯料則是條料。為了拉深計算的需要，級進模的拉深也要像單個毛坯一樣計算毛坯直徑。計算毛坯直徑是根據(jù)拉深成形以后，工件的表面積與毛坯面積相等的原理，進行毛坯直徑的計算。
因dp/d=110/78=1.41, 凸緣直徑dp=110,查《沖壓模具設(shè)計與制造》表4.4得δ=4.3修邊前凸緣直徑分別為:d凸= dp+2×4.3=118.6mm;d2=80-2×（2+4）=68mm;d1=80-2=78mm; d3=80+2 ×4=88mm;d4=d凸=118.6mm;h=34-2×（2+4）=22mm;r= 4+1=5mm。
d1、d2、d3、d4、r的尺寸標(biāo)注如圖（2-3）。查冷《沖壓模具設(shè)計與制造》表4.2知毛坯的計算公式為：
（1）
=
=
=150.69mm
所以毛坯直徑為D=151mm
3.2 判斷能否一次拉深成形
材料的相對厚度t/D×100=1.32，凸緣的相對直徑d凸/d2=118.6/78=1.52，由手冊表4.8查得，第一次拉深的極限拉深系數(shù)m1=0.46，工件總的拉深系數(shù)mt =d2/D=78/150.69=0.52,工件第一次拉深的最大相對高度h1/d1為0.42～0.53，零件的相對高度h/d2=32/78=0.41，由以上可知零件總拉深系數(shù)mt 大于第一次拉深系數(shù)m1,零件的相對高度h/d小于工件第一次拉深的最大相對高度值，所以該零件可以一次拉深成形。
3.3 判斷是否需要壓邊
壓邊的目的是為了讓模型保持好形態(tài)，在圓滑后后不會有太大的變形。該零件一次可拉深成形，拉深系數(shù)m=d2/D=78/150.69=0.52，當(dāng)t/D≥0.045（1-m）時毛坯不起皺，即不采用壓邊圈，t/D=2/150.96=0.013≤0.045(1-0.52)=0.021,所以需要采用壓邊裝置。
3.4 排樣方式的設(shè)計
3.4.1 排樣種類
根據(jù)材料的合理利用情況、條料排樣方法可以分為三種：
（1）有廢料排樣：沿沖件全部外形沖裁，沖件與沖件之間，沖件與條料之間都存在搭邊廢料，沖件尺寸完全由沖裁模保證，因此精度高，模具壽命也高，但材料利用率不高
（2）少廢料排樣：沿沖件部分外行切斷或沖裁，只在沖件與沖件之間或沖件與條料側(cè)邊之間有搭邊，因受剪裁條料質(zhì)量和定位誤差的影響，沖件質(zhì)量稍差，邊緣毛刺影響模具壽命，但材料利用率稍高，沖模結(jié)構(gòu)簡單。
（3）無廢料排樣：沖件與沖件之間或沖件與側(cè)邊之間均無搭邊，沿直線或曲線切斷條料而獲得沖件，沖件的質(zhì)量和模具壽命最差，但材料利用率最高。另外，當(dāng)送進步距為兩倍零件寬度時，一次切斷便能獲得兩個沖件，有利于提高勞動生產(chǎn)率。
3.4.2 毛坯排樣的確定
材料利用率要盡量高,便于完成后續(xù)加工工序，生產(chǎn)率要高，便于操作，安全性要好。綜合考慮材料經(jīng)濟利用程度與工件形狀的分析，為了盡可能地提高材料利用率，可以初擬以下幾種排樣設(shè)計方案：
（a）方案一 （b）方案二
（c）方案三 (d) 方案四
圖3 排樣圖
Table 3 Layout
第一種方案條料寬度合適，圓筒形件的毛坯直徑為150.69mm，加上沖裁金屬材料的搭邊值，不至于條料太窄，也不影響加工質(zhì)量，且可以使模具的寬度不至于較長。而第二種方案和第三種方案，會使模具寬度增加，模具結(jié)構(gòu)比第一種復(fù)雜，不利于提高生產(chǎn)率。所以優(yōu)先考慮零件加工質(zhì)量和模具結(jié)構(gòu)的簡單化，選用第一種方案。
查手冊表2.8得最小搭邊值a=2.5mm，b=2mm，a、b如圖2-4（d）所示。
計算材料在一個步距內(nèi)的利用率：
沖裁件的實際面積：
F0=3.14×（150.96/2）2-3.14×4×（6.5/2）2-3.14×（20/2）2 (2) =17442.64mm2
條料進距
L=151+b=153mm (3)
條料寬度
B=151+2a=156mm (4)
查手冊表2.2得材料利用率計算公式為：
(5)
式中：
F0——單個沖裁件的實際面積(mm2)；
n——該條料上所能沖制出的沖裁件個數(shù)；
η——材料利用率（%）；
B——條料的寬度(mm)；
L——條料的長度(mm)；
η值越大，說明廢料越少，材料利用率越高。
3.5 沖裁模刃口尺寸設(shè)計
3.5.1 刃口尺寸計算方法
因沖模加工方法不同，刃口尺寸的計算方法也不同，基本上可分為兩類：?
（1）按凸模與凹模圖樣分別加工法：它主要用于圓形或簡單規(guī)則形狀的工作,因沖裁此類工件的凸、凹模制造相對簡單，精度容易保證，所以采用分別加工。?
（2）按凸模與凹模配作法加工：常用于沖制復(fù)雜形狀的沖模。這種加工方法的特點是模具的間隙有配置保證，工藝比較簡單，不必校核，并且還可以放大基準(zhǔn)件的制造公差，使制造容易。
3.5.2 刃口尺寸的計算
表1 凸模，凹模的制造偏差（mm）
Table 1 The convex die, die manufacturing deviation（mm）
基本尺寸
凸模偏差δp
凹模偏差δd
基本尺寸
凸模偏差δp
凹模偏差δd
18
>18～30
>30～80
>80～120
>120～180
0.020
0.020
0.020
0.025
0.030
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
>180～260
>260～360
>360～500
>500
0.030
0.035
0.040
0.050
0.045
0.050
0.060
0.070
沖裁凸、凹模的間隙主要與材料的厚度種類有關(guān)。查《模具設(shè)計必備手冊》表2-13得Z min=0.246mm，Zmax=0.36mm。
當(dāng)凸模與凹模分開加工時，其公差應(yīng)保證如下關(guān)系：
|δp|+|δd|≤Zmax- Z min (6)
式中：δp 、δd——凸、凹模制造公差(mm)；
Zmax 、Z min ——最大、最小合理間隙(mm)。
（1）落料：基本尺寸為150.96mm， δp =-0.03，δd=0.04
校核，由式（2-6）得：
|-0.030|+|+0.04|≤0.36-0.246
0.07≤0.114
所以滿足間隙公差尺寸。
根據(jù)沖裁模刃口尺寸計算原則，落料應(yīng)先確定凹模刃口尺寸，間隙取在凸模上，從手冊表2-27中查得Х=0.75，其計算公式如下：
(7)
mm
(8)
mm
式中：D——落料件的基本尺寸(mm)；
Z min——最小合理間隙（雙面）(mm)；
δp 、δd——凸、凹模制造公差(mm)；
DP ,Dd——落料凸模與凹模尺寸(mm)；
△——工件的制造公差(mm)；
Х—— 磨損系數(shù)從手冊表2-17中查得Х=0.75。
（2）沖Ф20的孔：基本尺寸為20mm，由表2-14得 δp =-0.02，δd=0.025
校核，由式（2-6）得：
|-0.02|+|+0.025|≤0.36-0.246
0.045≤0.114
所以滿足間隙公差尺寸。
根據(jù)沖裁模刃口尺寸計算原則，沖孔應(yīng)先確定凸模刃口尺寸，間隙取在凹模上，從手冊表2-17中查得Х=0.75，從手冊[3]表1-61中查得△=+0.52其計算公式如下：
(9)
mm
(10)
mm
式中：dP ,dd——沖孔凸模與凹模尺寸(mm)；
△——工件的制造公差(mm)；
d——落料件工件孔的基本尺寸(mm)；
Z min——最小合理間隙（雙面）(mm)；
δp 、δd——凸、凹模制造公差(mm)；
Х—— 磨損系數(shù)。
（3）沖Ф6.5的孔：基本尺寸為6.5mm，查表5-1得 δp =-0.02，δd=0.02
校核，由式（6）得：
|-0.02|+|+0.02|≤0.36-0.246
0.04≤0.114
所以滿足間隙公差尺寸。
根據(jù)沖裁模刃口尺寸計算原則，沖孔應(yīng)先確定凸模刃口尺寸，間隙取在凹模上，從手冊表2-27中查得Х=0.75，從手冊表1-61中查得△=+0.36其計算公式如下：
(11)
mm
(12)
mm
式中：d——落料件工件孔的基本尺寸(mm)；
δp 、δd——凸、凹模制造公差(mm)；
Z min——最小合理間隙（雙面）(mm)；
dP ,dd——沖孔凸模與凹模尺寸(mm)；
△——工件的制造公差(mm)；
Х—— 磨損系數(shù)。
3.6 拉深模工作部分尺寸計算
3.6.1 凸模圓角半徑
凸模圓角半徑過小，會使坯料在此受到過大的彎曲變形，導(dǎo)致危險斷面材料嚴重變薄甚至拉裂；過大，會使坯料懸空部分增大，容易產(chǎn)生“內(nèi)起皺”現(xiàn)象。凸模的圓角半徑取和工件的內(nèi)形半徑一致， 取=4mm。
3.6.2 凹模圓角半徑
凹模圓角半徑越大，材料易進入凹模，但過大，材料易起皺。因此，在材料不起皺的前提下，宜取大一些。拉深凹模圓角半徑計算公式計算：
（13）
mm
式中：D——坯料直徑(mm)；
d——凹模內(nèi)徑（當(dāng)工件材料厚t≥1mm時，取拉深時工件的中線尺寸），(mm)；
——凹模圓角半徑(mm)；
t——材料厚度(mm)。
3.6.3 拉深模凸、凹模間隙的確定
拉深模的凸、凹模間隙對拉深力、拉深件質(zhì)量、模具壽命等都會有較大的影響。間隙小時，拉深力大，模具磨損也大，但拉深件回彈小，精度高。
間隙過小，會使拉深件壁部嚴重變薄甚至拉裂。間隙過大，拉深時坯料容易起皺，而且口部的變厚得不到消除，拉深件出現(xiàn)較大的錐度，精度較差。
對有壓料裝置的拉深，查手冊表4-54間隙系數(shù)K=0.1，凸、凹模單邊間隙計算公式如下
(14)
mm
式中：——材料厚度的最大極限尺寸(mm)；
t—— 材料厚度的基本尺寸(mm)；
K——系數(shù)。
3.6.4 拉深模工作部分尺寸計算
（1） 凹模尺寸計算公式查手冊表4-56如下，工件的制造公差查手冊表1-61 △=-0.74，查手冊表4-56凹模的制造公差=0.12。
(15)
mm
式中：——凹模尺寸(mm)；
D——拉深件外形基本尺寸(mm)；
△——工件的制造公差(mm)；
——凹模的制造公差(mm)。
（2）凸模尺寸計算公式查手冊表4-56如下，工件的制造公差查手冊表1-61 △=-0.74，查手冊表4-56凹模的制造公差=0.08mm。
(16)
mm
式中：——凸模尺寸(mm)；
D——拉深件外形基本尺寸(mm)；
△——工件的制造公差(mm)；
——凸模的制造公差(mm)。
4. 沖壓工藝的計算
4.1 沖壓力的相關(guān)計算
沖裁力的大小主要與材料的力學(xué)性能、厚度和工件將要實施沖裁的周邊長度有關(guān)。沖裁力的計算公式用，查手冊表1-20得材料的抗剪強度=255～353MPa,取=310MPa，料厚2mm，則沖裁力為
(17)
落料力: F落=лdtτ （d=151mm,t=2mm）
=π×151×2×353
=334743(N)
落料的卸料力： F卸=k卸P1 （查表得：k卸=0.04～0.05）
=0.04×334743
=13390(N)
沖孔力(四個孔Φ6.4和一個孔20)： (18)
F沖=πd孔tτ
=π×（20+4×6.5）×2×353
=101975(N)
沖孔的推件力：F推=n﹒k2﹒p3 (19)
(查表2-37 凹模型口直壁高度=8mm,n=h/t=4,k2=0.055)
∴P4=4×0.055×101975
=22435 (N)
4.2 拉深工藝力的計算
4.2.1 拉深力的計算
查手冊表4-36得修正系數(shù)K=0.9，抗拉強度，取
(20)
N
式中：F——拉深力(N);
d——工件的直徑（按中性層計算）(mm)；
t——板料厚度(mm)；
——拉深件材料的抗拉強度(MPa)；
K——修正系數(shù)；與拉深系數(shù)有關(guān)。
4.2.2 壓邊力的計算
查手冊表4-42取單位面積壓邊力p=2.3，壓邊力計算：
(21)
N
式中：Fy——壓邊力(N)；
p——單位面積壓邊力(MPa)；
D——毛坯直徑(mm)；
d——拉深后工件的直徑(mm)；
——凹模圓角半徑(mm)。
則總壓力為
(22)
KN
故取總壓力=672KN。
5 沖壓設(shè)備的選擇
沖壓設(shè)備的選擇直接關(guān)系到設(shè)備的安全以及生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、模具壽命和生產(chǎn)成本等一系列重要問題。沖壓設(shè)備的選擇主要包括設(shè)備的類型和規(guī)格參數(shù)兩個方面。
5.1 壓力中心的確定
沖裁力合力的作用點稱為沖模的壓力中心。在進行沖模設(shè)計時，必須使模具的壓力中心與壓力機滑塊中心重合，否則沖壓時會產(chǎn)生偏載，導(dǎo)致模具以及壓力機滑塊與導(dǎo)軌的急劇磨損，降低模具和壓力機的使用壽命，嚴重時甚至損壞模具和設(shè)備，造成沖壓事故。所以，沖模壓力中心的準(zhǔn)確確定，在模具設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。
沖壓時模具壓力中心要與模具幾何中心重合。因此，設(shè)計模具時，要使模具的壓力中心通過模柄的軸線，否則沖裁時會產(chǎn)生偏心沖擊，形成偏心載荷，使沖裁間隙產(chǎn)生波動，沖模刃口磨損不均，影響沖件質(zhì)量和模具壽命。
5.2 沖壓設(shè)備類型的選擇
沖壓設(shè)備類型的選擇主要是根據(jù)沖壓工藝特點和生產(chǎn)率、安全操作等因素來確定的。此外還要根據(jù)所要完成的沖壓工藝的性質(zhì)，生產(chǎn)批量的大小，沖壓件的幾何尺寸和精度要求等來選擇設(shè)備的類型。
在需要變形力大的沖壓工序（如冷擠壓等），應(yīng)選擇剛性好的閉式壓力機；對于校平、整形和溫、熱擠壓工序，最好選用摩擦壓力機；對于中小型的沖裁件，彎曲件或拉深件的生產(chǎn)，主要采用開式機械壓力機。
盡管開式?jīng)_床的剛度差，在沖壓力的作用下床身的變形將會沖裁模的間隙分布有一定的破壞，降低模具的使用壽命或沖裁件的表面質(zhì)量?？墒牵捎谒峁┝朔浅７奖愕牟僮鳁l件和非常容易安裝機械化附屬裝置的特點，讓它成為目前中小型沖壓設(shè)備的主要形式。
5.3 沖壓設(shè)備規(guī)格的選擇
首先壓力機的行程大小要適當(dāng)，由于壓力機的行程影響到模具的張開高度，因此對于沖裁、拉深等模具，行程不宜過大，以免發(fā)生凸模與導(dǎo)板分離或滾珠導(dǎo)向裝置脫開的不良后果。對于拉深模，壓力機的行程至少應(yīng)大于成品零件高度的兩倍以上，以保證毛坯的放進和成形零件的取出。
所選壓力機的閉合高度應(yīng)與沖模的閉合高度相適應(yīng)。就是滿足：沖模的閉合高度在壓力的最大閉合高度和最小閉合高度之間的要求。壓力機工作臺面的尺寸必須大于模具下模座的外形尺寸，并還要留有安裝固定的空間。對于過大的工作臺面上安裝過小尺寸的沖模，對工作臺面的受力條件是不利的。
從提高設(shè)備的工作剛度、沖壓件的精度及延長設(shè)備的觀點出發(fā)，使設(shè)備容量有較大的剩余，使設(shè)備留有40%～30%的余量，即使用設(shè)備容量的60%～70%，所以選取壓力機公稱壓力為1000KN。查閱參考資料可選取公稱壓力1000KN的開式機械壓力機，該壓力機的有關(guān)系數(shù)為：
表2 壓力機相關(guān)系數(shù)
Table 2 Press the correlation coefficient
型號
J23-100
公稱壓力
1000KN
發(fā)生公稱壓力時滑塊離下死點的距離
10mm
滑塊行程
固定行程
140mm
調(diào)節(jié)行程
16mm
滑塊行程次數(shù)(不小于)
60次/min
封閉高度
最小
260mm
最大
500mm
封閉高度調(diào)節(jié)量
110mm
滑塊中心線至床身距離
320mm
立柱間距離（不小于）
420mm
工作臺尺寸
前后
600mm
左右
900mm
工作臺孔尺寸
前后
230mm
左右
420mm
直徑
300mm
墊板尺寸
厚度
直徑
模柄孔尺寸（直徑×深度）
60mm×75mm
工作臺墊板厚度
110mm
6 模具主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與總體設(shè)計
6.1 模具結(jié)構(gòu)形式的選擇
6.1.1 模架的選用
采用落料、拉深、沖孔復(fù)合模，首先要考慮落料凸模（兼拉深凹模）的壁厚是否過薄。本次設(shè)計中凸凹模的最小壁厚為，滿足鋼材最小壁厚的要求能夠保證足夠的強度，故采用復(fù)合模。
模具采用倒裝式。模座下的緩沖器兼作壓邊與頂件，另外還設(shè)有彈性卸料裝置的彈性頂件裝置。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是操作方便，出件暢通無阻，生產(chǎn)效率高，缺點是彈性卸料板使模具的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜,要簡化可以采用剛性卸料板，其缺點是拉深件留在剛性卸料板中不易取出，帶來操作上的不便，結(jié)合本次設(shè)計綜合考慮，采用彈性卸料板。
從生產(chǎn)量和方便操作以及具體規(guī)格方面考慮，選擇中間導(dǎo)柱圓形模架，由凹模外形尺寸，（GB/T2851.5—1990）在按其標(biāo)準(zhǔn)選擇具體結(jié)構(gòu)尺寸如下
上模板 HT200
下模板 HT200
導(dǎo) 柱 20鋼
導(dǎo) 套 20鋼
凸緣模柄 Q235
6.1.2 模具的閉合高度
所謂的模具的閉合高度H是指模具在最低工作位置時，上下模座之間的距離，它應(yīng)與壓力機的裝模高度相適應(yīng)。
模具的實際閉合高度，一般為：
通過相關(guān)計算幾材料校核后可知：該副模具使用上墊板厚度為10mm，上模固定板厚度為20mm，如果沖頭（凸凹模）的長度設(shè)計為82mm，凹模（落料凹模）設(shè)計為55mm，下模固定板厚度20mm，下墊板10mm，沖頭進入凹模的深度為5mm，則閉合高度為：
6.2 模具工作部分尺寸計算
6.2.1 落料凹模
落料凹模采用矩形板結(jié)構(gòu)和直接通過螺釘、銷釘與下模座固定的固定方式。因生產(chǎn)的批量大，考慮凹模的磨損和保證零件的質(zhì)量，凹模刃口采用直刃壁結(jié)構(gòu)，刃壁高度，漏料部分沿刃口輪廓適當(dāng)擴大（為便于加工，落料凹模漏料孔可設(shè)計成近似于刃口輪廓的形狀，如凹模圖）。凹模輪廓尺寸計算如下：
凹模厚度
凹模壁厚
6.2.3 凸凹模
該復(fù)合模中的凸凹模是主要工作零件，其外形作為落料凸模內(nèi)形又作為拉深凹模，內(nèi)、外形刃口部分都為圓形，為便于凸凹模與上模的固定，凸凹模的安裝部分設(shè)計成便于加工的圓柱形，并設(shè)計有臺階，通過固定板固定在上模。
6.2.4 上墊板
墊板的作用是直接承受和擴散凸模傳遞的壓力，以降低模座所受的單位壓力，防止模座被壓出陷痕而損壞。在設(shè)計中我們把墊板的外形尺寸與凸凹模的外形尺寸相匹配，其厚度我們設(shè)計為10mm。在上墊板上設(shè)計了一個打桿孔，以便安裝推桿，還有四個螺釘孔以及兩個銷孔，這些都是為了與凸凹模和拉深凸模上的各種固定零件的安裝相匹配的。在圖中標(biāo)注尺寸精度、形位公差及粗糙度。
6.3 模具總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
模具總裝配圖是裝配、安裝及拆繪模具零件圖的依據(jù)，能更清楚的表達模具的主要結(jié)構(gòu)形狀、工作原理、各零件之間的裝配關(guān)系及固定連接方式。模具視圖一般為主視圖和俯視圖兩個，主視圖應(yīng)標(biāo)明模具的閉合高度，裝配圖的右上角畫出零件圖與排樣圖，還應(yīng)有標(biāo)題欄、明細表等。
由以上設(shè)計得到圖4的模具裝配圖。模具上模部分部分主要由模柄、上模座、墊板、凸模、凸模固定板、墊板、彈頂器、卸料板等組成。條料從右方送進，第一工位為落料，第二工位為拉深，第三工位為沖孔，下模部分由下模座、凹模、凹模墊板等組成，有排廢料斜口。
模具總裝配圖二維如下
圖4 二維裝配圖
Table 4 The 2D assembly drawing
6.4 壓力機與模具的配合
壓力機有液壓機、曲柄壓機和螺旋壓機。模具的閉合高度要小于壓力機的裝模高度；模座的尺寸要小于工作臺尺寸。模具通過模柄、壓板與螺栓安裝在壓力機上。將閉合的沖模放在壓力機的工作臺墊板上，清潔上模上平面和沖床滑塊下端面，用手或撬棒轉(zhuǎn)動壓力機的飛輪（大型壓力機應(yīng)該開啟電動機），同時調(diào)整模具在工作臺墊板上的位置，使模板處于壓力機滑塊的模柄孔內(nèi)，用壓塊和其上的緊頂螺栓將模柄緊固，同時使模具上模座的上表面與壓力機滑塊的底面保持接觸。
6.5 模具工作效率與保養(yǎng)
由于J23-100壓力機，行程為140mm，完成一個行程來回是5秒鐘，所有一分鐘完成12次工件沖壓。按每天工作8小時，一年按工作300天計，每年沖壓量為1728000個。
本設(shè)計中的模具所設(shè)計的凸凹模材料均為Cr12，淬火后硬度保持在60-64HRC之間，能承受60萬次左右沖壓，根據(jù)模具年沖壓量，約100天更換一次凸模、凹模。
模具種類繁多，工作狀態(tài)差別很大，損壞部位也各異，但失效形式歸納起來大致有三種，即磨損、斷裂、塑性變形。
1)磨損失效：模具在服役時，與成形坯料接觸，產(chǎn)生相對運動。由于表面的相對運動，接觸表面逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象叫磨損。
2)斷裂失效：模具出現(xiàn)大裂紋或分離為兩部分和數(shù)部分喪失服役能力時，成為斷裂失效。斷裂可分為塑性斷裂和脆性斷裂。模具材料多為中、高強度鋼，斷裂的形式多為脆性斷裂。
3)塑性變形失效：塑料模具在服役時承受很大的應(yīng)力，而且不均勻。當(dāng)模具的某個部位的應(yīng)力超過了當(dāng)時溫度下模具材料的屈服極限時，就會以晶格滑移、孿晶、晶界滑移等方式產(chǎn)生塑性變形，改變了幾何形狀或尺寸，而且不能修復(fù)再服役時，叫塑性變形失效。塑性變形的失效形式表現(xiàn)為鐓粗、彎曲、形腔脹大、塌陷等。
為了延長模具壽命，應(yīng)按照以下步驟保養(yǎng)：
每日的例行檢查和維護：
是否有低壓鎖模保護； 活動部位如導(dǎo)柱、頂桿、行位是否磨損，潤滑是否良好？要求至少12小時要加一次油，特殊結(jié)構(gòu)要增加加油次數(shù)；模具的固定模板的螺絲和鎖模夾是否松動；
生產(chǎn)正常狀況：檢查產(chǎn)品的缺陷是否與模具有關(guān)。
下機時要對模具進行全面檢查并進行防銹處理：抹干型腔、型芯、頂出機構(gòu)和行位等部位水份并噴灑模具防銹劑或涂抹黃油。
下機后的模具要放在指定地點并作好記錄。
7 設(shè)計小結(jié)
通過對漏油器外殼的設(shè)計，更深一層地了解拉深模的設(shè)計流程，具體流程包括：拉深件的工藝分析、工藝方案的確定、模具結(jié)構(gòu)的選擇、必要的工藝計算、主要零部件的設(shè)計、壓力機型號的選擇、總裝配圖及零件圖的繪制。
在設(shè)計的過程中，有些數(shù)據(jù)尺寸是一點也馬虎