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圓筒形沖壓模設計 第1章 緒 論 目前，我國沖壓技術與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當的落后，主要原因是我國在沖壓基礎理論及成形工藝、模具標準化、模具設計、模具制造工藝及設備等方面與工業(yè)發(fā)達的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、生產周期等方面與工業(yè)發(fā)達國家的模具相比差距相當大。 1.1 國內模具的現狀和發(fā)展趨勢 1.1.1國內模具的現狀 我國模具近年來發(fā)展很快，據不完全統(tǒng)計，2003年我國模具生產廠點約有2萬多家，從業(yè)人員約50多萬人，2004年模具行業(yè)的發(fā)展保持良好勢頭，模具企業(yè)總體上訂單充足，任務飽滿，2004年模具產值530億元。進口模具18.13億?美元，出口模具4.91億美元，分別比2003年增長18%、32.4%和45.9%。進出口之比2004年為3.69:1，進出口相抵后的進凈口達13.2億美元，為凈進口量較大的國家。 在2萬多家生產廠點中，有一半以上是自產自用的。在模具企業(yè)中，產值過億元的模具企業(yè)只有20多家，中型企業(yè)幾十家，其余都是小型企業(yè)。?近年來，?模具行業(yè)結構調整和體制改革步伐加快，主要表現為：大型、精密、復雜、長壽命中高檔模具及模具標準件發(fā)展速度快于一般模具產品；專業(yè)模具廠數量增加，能力提高較快；"三資"及私營企業(yè)發(fā)展迅速；國企股份制改造步伐加快等。 雖然說我國模具業(yè)發(fā)展迅速，但遠遠不能適應國民經濟發(fā)展的需要。我國尚存在以下幾方面的不足: 第一，體制不順，基礎薄弱。 “三資”企業(yè)雖然已經對中國模具工業(yè)的發(fā)展起了積極的推動作用，私營企業(yè)近年來發(fā)展較快，國企改革也在進行之中，但總體來看，體制和機制尚不適應市場經濟，再加上國內模具工業(yè)基礎薄弱，因此，行業(yè)發(fā)展還不盡如人意，特別是總體水平和高新技術方面。 ??? 第二，開發(fā)能力較差，經濟效益欠佳.我國模具企業(yè)技術人員比例低，水平較低，且不重視產品開發(fā)，在市場中經常處于被動地位。我國每個模具職工平均年創(chuàng)造產值約合1萬美元，國外模具工業(yè)發(fā)達國家大多是15～20萬美元，有的高達25～30萬美元，與之相對的是我國相當一部分模具企業(yè)還沿用過去作坊式管理，真正實現現代化企業(yè)管理的企業(yè)較少。 ?? 第三，工藝裝備水平低，且配套性不好，利用率低．雖然國內許多企業(yè)采用了先進的加工設備，但總的來看裝備水平仍比國外企業(yè)落后許多，特別是設備數控化率和CAD/CAM應用覆蓋率要比國外企業(yè)低得多。由于體制和資金等原因，引進設備不配套，設備與附配件不配套現象十分普遍，設備利用率低的問題長期得不到較好解決。裝備水平低，帶來中國模具企業(yè)鉗工比例過高等問題。 ? 第四，專業(yè)化、標準化、商品化的程度低、協作差． 由于長期以來受“大而全”“小而全”影響，許多模具企業(yè)觀念落后，模具企業(yè)專業(yè)化生產水平低，專業(yè)化分工不細，商品化程度也低。目前國內每年生產的模具，商品模具只占45%左右，其余為自產自用。模具企業(yè)之間協作不好，難以完成較大規(guī)模的模具成套任務，與國際水平相比要落后許多。模具標準化水平低，標準件使用覆蓋率低也對模具質量、成本有較大影響，對模具制造周期影響尤甚。 第五，模具材料及模具相關技術落后．模具材料性能、質量和品種往往會影響模具質量、壽命及成本，國產模具鋼與國外進口鋼相比，無論是質量還是品種規(guī)格，都有較大差距。塑料、板材、設備等性能差，也直接影響模具水平的提高。 1.1.2　國內模具的發(fā)展趨勢 巨大的市場需求將推動中國模具的工業(yè)調整發(fā)展。雖然我國的模具工業(yè)和技術在過去的十多年得到了快速發(fā)展，但與國外工業(yè)發(fā)達國家相比仍存在較大差距，尚不能完全滿足國民經濟高速發(fā)展的需求。未來的十年，中國模具工業(yè)和技術的主要發(fā)展方向包括以下幾方面:???? 1） 模具日趨大型化；??? ? 2）在模具設計制造中廣泛應用CAD/CAE/CAM技術；?? ? 3）模具掃描及數字化系統(tǒng)；??? 4）在塑料模具中推廣應用熱流道技術、氣輔注射成型和高壓注射成型技術；? ?? 5）提高模具標準化水平和模具標準件的使用率；??? 6）發(fā)展優(yōu)質模具材料和先進的表面處理技術；??? 7）模具的精度將越來越高；? 8）模具研磨拋光將自動化、智能化；?? ?? 9）研究和應用模具的高速測量技術與逆向工程；?? 10）開發(fā)新的成形工藝和模具。 1.2　國外模具的現狀和發(fā)展趨勢 模具是工業(yè)生產關鍵的工藝裝備，在電子、建材、汽車、電機、電器、儀器儀表、家電和通訊器材等產品中，60％－80％的零部件都要依靠模具成型。用模具生產制作表現出的高效率、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。模具生產技術水平的高低，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品的質量、效益和新產品的開發(fā)能力。近幾年，全球模具市場呈現供不應求的局面，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--德國機械制造商聯合會（VDMA）工模具協會了解到，德國有模具企業(yè)約5000家。2003年德國模具產值達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)的產值就占德國模具產值的90%，可見其規(guī)模效益。 隨著時代的進步和技術的發(fā)展，國外的一些掌握和能運用新技術的人才如模具結構設計、模具工藝設計、高級鉗工及企業(yè)管理人才，他們的技術水平比較高．故人均產值也較高．我國每個職工平均每年創(chuàng)造模具產值約合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。 國外先進國家模具標準件使用覆蓋率達70%以上，而我國才達到45％． 1.3　深圓筒拉深件模具設計與制造方面 1.3.1 深圓筒拉深模具設計的設計思路 拉深是沖壓基本工序之一，它是利用拉深模在壓力機作用下，將平板坯料或空心工序件制成開口空心零件的加工方法。它不僅可以加工旋轉體零件，還可以加工盒形零件及其他形狀復雜的薄壁零件，但是，加工出來的制件的精度都很底。一般情況下，拉深件的尺寸精度應在IT13級以下，不宜高于IT11級。 只有加強拉深變形基礎理論的研究，才能提供更加準確、實用、方便的計算方法，才能正確地確定拉深工藝參數和模具工作部分的幾何形狀與尺寸，解決拉深變形中出現的各種實際問題，從而，進一步提高制件質量。 圓筒件是最典型的拉深件，其工作過程很簡單就一個拉深，根據計算確定它不能一次拉深成功.因此，需要多次拉深。在最后的一次拉深中由于制件的高度太高，根據計算的結果和選用的標準模架，判斷此次拉深不能采用標準的模架。為了保證制件的順利加工和順利取件，模具必須有足夠高度。要改變模具的高度，只有從改變導柱和導套的高度。導柱和導套的高度可根據拉深凸模與拉深凹模工作配合長度決定．設計時可能高度出現誤差，應當邊試沖邊修改高度。 1.3.2深圓筒拉深模具設計的進度 1.了解目前國內外沖壓模具的發(fā)展現狀，所用時間20天； 　　2.確定加工方案，所用時間5天； 　　3.模具的設計，所用時間30天； 4．模具的調試．所用時間5天． 第2章 深圓筒沖壓工藝的分析 2.1 拉深件工藝分析 圖2-1 材料：08鋼板 厚度：1mm 此工件為無凸緣圓筒形工件，要求內形尺寸，沒有厚度不變的要求。此工件的形狀滿足拉深的工藝要求，可采用拉深工序加工。 工件底部圓角半徑 圖2-1 制件圖r＝8mm,取拉延凹模圓角半徑=8t=8mm.而根據式（6-13）=（0.6-1）r=5-8mm,現取=8mm,滿足拉延對圓角半徑的要求。尺寸，按沖壓設計資料中公差表查得為IT14級，滿足拉延工序對工件公差等級要求。 2.2 拉深工藝計算和工藝方案 拉深件的工藝計算是拉深工藝設計中的一個環(huán)節(jié)，本制件的工藝計算屬于最簡單的。其主要的內容包括計算毛坯直徑、決定拉深次數及確定工序件的尺寸等。為了避免設計拉深模時出現尺寸錯誤，可以畫出圓筒形拉深件的工序圖。 2.2.1 工藝方案的確定 根據制件的工藝分析,知道制件是個簡單的圓筒形拉深件。所以它的工序只有一個：拉深。 2.2.2 計算毛坯尺寸 根據表面積相等原則，用解析法求該零件的毛坯直徑D?？砂聪旅娴墓接嬎悖? 公式見[2]。該件mm，查表得出修邊余量mm。則，，一次拉深可以成形。 D= =116.3mm 2.2.3 確定是否用壓邊圈 相對厚度，查表得，需要采用壓邊圈。拉深時一般采用平面壓邊裝置。 首次拉深 圖2-2 壓邊圈拉深采用形式 2.2.4 拉深次數的確定 　　 采用查表法。根據和工件相對高度，查表得n=1。 2.2.5 排樣及相關的計算 圖 2-3 排樣方式 采用有廢直排的排列的方式，因為沖件與沖件之間，沖件與條料之間都存在搭邊廢料，這樣沖件尺寸完全由沖模來保證，因此精度較高，模具壽命也較長，但材料的利用率較低。 沖裁件的面積A： 條料的寬度B=D+2a+c=116.3+2+0.5=118.8.查表2.5.2得最小搭邊值a=1.0mm, ,條料與導料板間隙，n=1. 步距S=D+=116.3+0.8=117.1mm. 一個步距的材料的利用率 2.3 壓力、壓力中心計算及壓力機的選用 因為本制件是軸對稱零件，所以不用計算壓力中心。 2.3.1 壓力計算 由《沖壓模設計與制造》式4.4.6確定壓邊力的計算公式為：，。由表4.4.5 p=3.0Mpa. ==12904.5N 查表得。 代入公式得F拉==0.8x400x1x73.7x3.14 =74053.76N 沖裁件的面積A： ，t=1mm，，F沖=10617.7x1x400=4025x10.壓力機的公稱壓力。 2.3.2 壓力機的選用 根據沖裁工藝總力的計算結合工件的高度，初選開式雙拄可傾壓力機JH23-40 第3章 模具的結構設計 3.1 模具工作部分的計算 3.1.1 拉深模的間隙 深間隙對拉深過程有較大的影響。它不僅影響拉深件的質量與尺寸精度，而且影響拉深模的壽命以及拉深是否能夠順利進行。因此，應該綜合考慮各種影響因素，選取適當的拉深間隙值，既可保證工件的要求，又能使拉深順利進行。 本模具的拉深間隙查表得出：Z1/2=1.2t=1.2mm Z2/2=1.1t=1.1mm Z3/2=t=1mm 3.1.2 拉深模的圓角半徑 凸模、凹模的選用在制件拉深過程中有著很大的作用。凸模圓角半徑的選用可以大些，這樣會減低板料繞凸模的彎曲拉應力，工件不易被拉裂，極限拉深因數會變小些；凹模的圓角半徑也可以選大些，這樣沿凹模圓角部分的流動阻力就會小些，拉深力也會減小，極限拉深因數也會相應減小。但是凸、凹模的圓角半徑也不易過大，過大的圓角半徑，就會減少板料與凸模和凹模端面的接觸面積及壓邊圈的壓料面積，板料懸空面積增大，容易產生失穩(wěn)起皺。 拉深凸凹模的圓角半徑已有前面計算得出結果： 　 3.1.3 凸凹模工作部分的尺寸和公差 圖 3-1 凸 凹 模 （1）沖裁凸凹模刃口的尺寸計算 該圓形零件，無特殊要求，屬一般落料件，內形，由表查得其公差為 mm，查表得2.32[3]得Zmin=0.07㎜，Zmax=0.09㎜ 則： Zmax-Zmin=（0.09-0.07）㎜=0.02㎜ 由公差表查得為IT10級，取X=1㎜ 該凸凹模分別按IT6級和IT7級加工制造，則： =（Dmax-X）== == 核查0.016㎜+0.025㎜=0.041＞0.01㎜，不能滿足間隙公差條件，因此只有縮小，提高制造精度才能保證間隙合理。 ?。? 故： （2）計算拉深凸凹模刃口尺寸 ①拉深模的圓角半徑，凸凹模的圓角半徑按表選取：凸模的圓角半徑 ②拉深默的間隙由查表得拉深模的單位間隙Z/2=1.1t=1.1×1=1.1㎜ 則拉深模的間隙： Z=2×1.1=2.2㎜ ③凸凹模工作部分的尺寸和公差由于工件要求外形尺寸，則以凹模為設計基準，凹模尺寸計算見表4.29[1] ，間隙取在凸模上，則凹模的尺寸按表4.29[1]計算 代入上式，則凸模尺寸為： ④確定凸模的通氣孔由表4.32查得凸模通氣孔的直徑為5mm。 3.1.4 選用模架、確定閉合高度及總體尺寸 由于拉深凹模外形尺寸較大，為了工作過程穩(wěn)定，選用中間導柱模架。再按其標準選擇具體結構尺寸見表3-1。 表3-1 模架規(guī)格選用 名稱 尺寸 材料 熱處理 上模座 160x160x40 HT200 下模座 160x160x45 HT200 導柱 28x35、32x150 20 滲碳58～62 導套 28x100x38、32x100x38 20 滲碳58～62 Hmin=160mm,Hmax=200mm 模具的閉合高度H閉=H上+H凹+H壓+H下=40+100+35+45=220mm 式中：H凹—凹模厚度，H凹=100mm； 　　　H壓—壓邊圈的厚度，H壓＝35mm； 　 由此可見模具的實際閉合高度遠遠大于所采用模架的最大閉合高度。查標準件的資料。結果發(fā)現模具的實際閉合高度還是遠遠大于其它標準的最大閉合高度。所以此制件不能采用標準模架。 為了節(jié)省加工時間，只有在模具標準模架的基礎上進行修改。因為模具的封閉高度H應該介于壓力機的最大封閉高度Hmax和最小封閉高度Hmin之間，一般?。篐max-5mm≥H≥Hmin+10mm 由此可以看出，要想讓制件順利加工和從模具上取出，只有使模具有足夠的封閉高度： Hmax≥H+5mm=220+5=225mm Hmin≤H-10mm=220-10=210mm 要使模具具有足夠的封閉高度，只有改變導柱和導套的高度： 導柱：28x50、32x180； 導套：28x120x50、32x120x50 為了使模座有足夠的強度，上，下模座的厚度應該再增加一些。 3.2 模具零件的結構設計 3.2.1 拉深凹模 圖3-2 凹 模 內、外形尺寸和厚度已由前面的計算確定；拉深凹模需要有三個以上的螺釘與上模座固定，還需要兩個與上模座同時加工的銷釘孔。 3.2.2 拉深凸模 圖3-3 凸模 拉深凸模的外形尺寸〔工作尺寸〕由前面的計算確定。它需要三個以上的螺紋孔，以便與下模座固定。拉深凸模上一般開有出氣孔，這樣會使卸件容易些，否則凸模與工件由于真空狀態(tài)而無法卸件。查表，本凸模出氣孔的直徑為φ5mm　 3.2.3 打料塊 一般與打料桿聯合使用，屬于剛性卸件裝置，靠兩者的自重把工件打出來。打料塊與拉深凹模間隙配合。 3.2.4 壓邊圈 圖3-4 壓邊圈 在拉深工序中，為保證拉深件的表面質量，防止拉深過程中材料的起皺，常采用壓邊圈用合適的壓邊力使毛坯的變形區(qū)部分被壓在凹模平面上，并使毛坯從壓邊圈與凹模平面之間的縫隙中通過，從而制止毛坯的起皺現象。 壓邊圈的內形與拉深凸模間隙配合，外形套有半成品制件。一般與頂料桿(三根以上)、橡皮等構成彈性卸料系統(tǒng)。 3.2.5 導柱、導套 對于生產批量大、要求模具壽命高的模具，一般采用導柱、導套來保證上、下模的導向精度。導柱、導套在模具中主要起導向作用。導柱與導套之間采用間隙配合。根據沖壓工序性質、沖壓的精度及材料厚度等的不同，其配合間隙也稍微不同。因為本制件的厚度為1mm，所以采用H7/f6。 3.2.6 其他零件 模具其他零件的選用見表3-2． 表3-2 模具其他零件的選用 序號 名稱 數量 材料 規(guī)格/ mm 熱處理 1 上模座 1 HT200 160x160x40 2 銷釘 2 40Cr φ25×90　 3 打桿 1 40 φ25×80 40～45HRC 4 螺釘 4 45 M24×54 5 打料塊 1 40 φ72×40 40～45HRC 6 凹模 1 Cr12 160×160×100 60～62HRC 7 導套 2 20 28x120x50 滲碳58～62HRC 8 導柱 2 20 28x50 滲碳58～62HRC 9 下模座 1 HT200 160x160x45 10 壓邊圈 1 45 φ73×35 56～58HRC 11 卸料螺釘 3 40Cr M20×100 30～35HRC 12 凸模 1 T10A φ72.7×40 60～62HRC 13 螺釘 3 45 M24×60 14 頂桿 3 T8A M20×450 40～45HRC 15 導套 2 20 32x120x50 滲碳58～62HRC 16 導柱 2 20 90×670 滲碳58～62HRC 3.3 模具總裝圖 圖 3-5 模具裝配圖 由以上設計，可得到模具的總裝圖，其工作過程是：模具在工作時，將前一道工序拉深后所得的半成品坯件套在壓邊圈上。凹模裝在上模，凸模裝在下模。待凹模隨上模下降時，首先將坯件壓住，然后坯件和壓邊圈同時向下推，凸模逐漸露出壓邊圈，而將坯料上端一部分材料壓入凹模內，使坯件在凸、凹模作用下，產生塑性變形而制成所要求的零件。 當凹模隨上?；厣龝r，零件制品在打料塊及打料桿的作用下，將其從凹模內推出。而壓邊圈在緩沖器系統(tǒng)作用下又回到原位，準備下一次拉深。 結束語 深圓筒件屬于簡單拉深件，分析其工藝性，并確定工藝方案。根據計算確定本制件是多次拉深成的，然后相應選取各次拉深時的壓力機。本設計主要是最后一次拉深模具設計，需要計算拉深時的間隙、工作零件的圓角半徑、尺寸和公差，并且還需要確定模具的總體尺寸和模具零件的結構，然后根據上面的設計繪出模具的總裝圖。 由于在零件制造前進行了預測，分析了制件在生產過程中可能出現的缺陷，采取了相應的工藝措施。因此，模具在生產零件的時候才可以減少廢品的產生。 深圓筒件的形狀結構較為簡單，但是高度太高不適合選用標準模架。要保證零件的順利加工和取件，必須有足夠的高度，因此需要改變導柱、導套的長度，以達到要求。模具工作零件的結構也較為簡單，它可以相應的簡化了模具結構。便以以后的操作、調整和維護。 深圓筒模具的設計，是理論知識與實踐有機的結合，更加系統(tǒng)地對理論知識做了更深切貼實的闡述。也使我認識到，要想做為一名合理的模具設計人員，必須要有扎實的專業(yè)基礎，并不斷學習新知識新技術，樹立終身學習的觀念，把理論知識應用到實踐中去，并堅持科學、嚴謹、求實的精神，大膽創(chuàng)新，突破新技術，為國民經濟的騰飛做出應有的貢獻。 致 謝 首先感謝本人的導師原紅玲老師，她對我的仔細審閱了本文的全部內容并對我的畢業(yè)設計內容提出了許多建設性建議。原紅玲老師淵博的知識，誠懇的為人，使我受益匪淺，在畢業(yè)設計的過程中，特別是遇到困難時，她給了我鼓勵和幫助，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廖文龍同學，和他在一起討論、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] 陳錫棟、周小玉主編.實用模具技術手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2001 [2] 李紹林、馬長福主編.實用模具技術手冊.上?？茖W技術出版社，1998 [3] 許發(fā)樾主編.實用模具設計與制造手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2000 [4] 楊玉英主編.實用沖壓工藝及模具設計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 [5] 模具實用技術叢書編委會.沖壓設計應用實例.北京：機械工業(yè)出版社.1999 [6] 翟德梅主編.模具制造技術.河南機電高等專科學校 [7] 王芳主編.冷沖壓模具設計指導. 北京：機械工業(yè)出版社，1998 [8] 任嘉卉主編.公差與配合手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，2000 [9] 李易、于成功、聞小芝主編.現代模具設計、制造、調試與維修實用手冊.北京：金版電子出版公司，2003 [10] 建聲、秦曉剛編著.模具技術問答. 北京：機械工業(yè)出版社，1996 19