冲压模具设计

设计题目：

零件图：

前 言

从几何形状特点看，矩形盒状零件可划分成 2 个长度为 (A-2r) 和 2 个长度为 (B-2r) 的直边加上 4 个半径为 r 的 1/4 圆筒部分。若将圆角部分和直边部分分开考虑，则圆角部分的变形相当于直径为 2r 、高为 h 的圆筒件的拉深，直边部分的变形相当于弯曲。但实际上圆角部分和直边部分是联系在一起的整体，因此盒形件的拉深又不完全等同于简单的弯曲和拉深，有其特有的变形特点，这可通过网格试验进行验证。

拉深前，在毛坯的直边部分画出相互垂直的等距平行线网格，在毛坯的圆角部分，画出等角度的径向放射线与等距离的同心圆弧组成的网格。变形前直边处的横向尺寸是等距的，即321L L L ?=?=?，纵向尺寸也是等距的，拉深后零件表面的网格发生了明显的变化(如图1所示) 。这些变化主要表现在：

图 1

⑴直边部位的变形 直边部位的横向尺寸变形后间距逐渐缩小，愈向直边中间部位缩小愈少，纵向尺寸变形后，间距逐渐增大，愈靠近盒形件口部增大愈多，可见，此处的变形不同于纯粹的弯曲。

(2) 圆角部位的变形 拉深后径向放射线变成上部距离宽，下部距离窄的斜线，而并非与底面垂直的等距平行线。同心圆弧的间距不再相等，而是变大，越

向口部越大，且同心圆弧不位于同一水平面内。因此该处的变形不同于纯粹的拉深。

盒形件拉深有以下变形特点：

σ的分布是不均匀的。在圆角部分最大，直

(1) 凸缘变形区内径向拉应力

1

σ也远小于相应的圆筒形件的拉应力。边部分最小。即使在角部，平均拉应力

1

因此，就危险断面处载荷来说，矩形盒拉深时要小得多；对于相同材料，矩形盒拉深的最大成形相对高度要大于相同半径的圆筒形零件拉深时的最大成形相对高度。

(2) 由于直边和圆角变形区内材料受力情况不同，直边处材料向凹模流动的阻力要远小于圆角处，并且，直边处材料的径向伸长变形小而圆角处材料的径向变形大，使变形区内两处材料的变形量不同，直边处大于圆角处。由此引起两处位移速度差，因而必然诱发出切应力（图2），以协调直边与圆角处的变形。

图2 盒形件拉深时的应力分布

σ的分布也是不均匀的。从角部到中间直

(3)在毛坯外周边上，切向压应力

3

σ的数值逐渐减小。通常情况下，起皱都发生在角部，但是起边部位，压应力

3

皱的趋势要小于拉深相应圆筒形件时的情况。

常用相对圆角半径r/B表示矩形盒的几何形状特征，0

变间的相互影响亦不同。在实际生产中，应根据矩形盒的相对圆角半斤r/B 和相对高度H/r 来设计毛坯和拉深工艺。 一、拉深工艺分析 1.1 拉深件的材料

拉深件材料为304J1是适宜于深拉深的不锈钢。 1.2 拉深件结构

零件为带凸缘的盒形件，其中凸缘圆角半径为d r =4mm >1t=1mm ，底部圆角半径为p r =3mm>1t=1mm ，均满足对拉深件的圆角要求。 1.3 拉深件的精度等级

零件尺寸工差为自由公差，因此初定公差等级为IT14。 1.4 拉深件工序安排的一般原则

（1） 在大批量生产中，在凹、凸模壁厚强度允许的条件下，应采用落科、拉深复合工艺；

（2） 当拉深件的尺寸精度要求高或带有小的圆角半径时．应增加整形工序；

（3） 修边工序一般安排在整形工序之后；

二、毛坯尺寸计算

2.1 确定修边余量

根据mm B f 85=，33.164

85

==

B B f ，查冲压工艺与模具设计表4-4得到修边余量为：

mm 5.3=δ

2.2 确定毛坯尺寸

由于，39.064/25==B

h

，查冲模设计手册得： 当

6.0≤B

h

时，可按以下步骤求展开图：

（1） 直边部分按弯曲件求展开长度（图2-1），即：

a f r r h B B l 43.057.02

0-++-=

图2-1

? mm l 49.35443.0357.0252

64

85=?-?++-=

（2） 四圆角拼成一带凸缘的圆筒（图2-2），其展开半径为：

)(14.0)(86.022

02020r r r r r rh R R a a f -++-+=

? mm R 36.290=

图2-2

（3）按求得的l 和0R 得到待修正的展开图后，选用较为简单的修正方法，即做切线修正法，计入修边余量后修正。

展开图的宽度为：

)(86.0220a f r r h B K +-++=δ

? mm K 98.135= 展开图的长度为：

δ22)(86.020+?-+-+-+=a a f l r r h B B A L

? mm L 98.150= （其中a l ?对于小型工件取2～3mm ，取2.5mm ） 修正后的毛坯展开图如图2-3所示。

图2-3 毛坯图

三、拉深次数的确定

矩形盒能否一次拉深的成形极限，可以用最大成形相对高度r H /max 表示。它除受板材的性能影响外，还与零件的几何参数r/B 有关。r/B 越小，直边部分对圆角部分的影响越大，因此可以获得的最大成形相对高度r H /max 也就越大；

反之，r/B 越大，直边部分对圆角部分的影响越小，当r/B=0.5时，方形盒零件变为圆筒形件，最大成形相对高度r H /max 也必然等于圆筒形件的最大成形相对高度。具体数值参见《冲压工艺与模具设计》表4-17。当矩形盒的相对厚度t/B<0.01且A/B ≈1时，取表中最小值；当t/B>0.015且A/B ≥2时,取较大值。

由r/B=3/64=0.05,r H /max =25/3=8.3。由表4-17可知，当0.01≤r/B ≤0.1时，

矩形盒一次成型的最大相对高度r H /max 为8～15，因此可知该矩形件可一次拉深成

形。

四、冲压力及压力中心的计算

4.1 压边力的计算

压边力必须适当，如果压边力过大，会增大拉入凹模的拉力，使危险断面拉裂；如果压边力不足，则不能防止凸缘起皱。实际压边力的大小要根据既不起皱也不被拉裂的原则，并且在试模中加以调整。设计压边装置时应考虑便于调节压边力，即

Ap F Q =

? N F Q 38543128483=?=

（其中单位压边力p 查表4-19得，取3）

Q F —压边力（N ）

A —在压边圈下毛坯的投影面积（2mm ） p —单位压边力（MPa ）

（其中单位压边力p 查表4-19得，取3） 4.2 拉深力的计算

由《冲模设计手册》查得：对于矩形、方形，椭圆形等拉深件，按下式计算拉深力：

b KLt P σ=

K —系数，一般取0.5～0.8，这里取0.7；

L —拉深件断面周长（mm ）； t —材料厚度（mm ）； b σ—抗拉强度（MPa ）

? N P 10774452012967.0=???= 4.3 总压力的计算

总压力为：

N P F F Q 14628710774438543=+=+=总

4.3 压力中心的计算

由于工件为对称件，所以该工件的压力中心为几何中心，即压力中心到短边距离为53mm ，到长边距离为42.5mm 。

五、选择冲压设备

在冷冲压生产中，材料、模具、设备是冲压的三要素，而压力机是安装冲模的主要成形设备。每副冲模只能安装在与其相适应的压力机上才能对板料进行施压 ，冲制出合格的制品零件。因此在设计冲模时，必须选用合适的压力机。 5.1 压力机的选用方法及原则： （1）冲压设备类型的选择：

1.中小型冲裁模、弯曲模、拉深模，应选用单柱、开式压力机；

2.批量小，材料较厚的大型冲压件的冲模应选用液压机；

3.批量大的自动冲模，应选用高速压力机及多工位压力机；

4.对于校平，校形模应选用大吨位的双柱或四柱压力机；

5.大中型拉深模应选用闭式拉延压力机；

6.多孔电子仪器板件冲裁应选用冲模回转头压力机。 （2）压力机规格的选择：

1.压力机的工称压力应大于计算的模具冲压力的1.2～1.3倍；

2.压力机的行程应满足制品高度尺寸要求，并保证冲压后制品能顺利地从模具中取出，尤其是弯曲、拉深件；

3.压力机的装模高度，应满足：)(10521mm H H H +≥≥-模；

4.压力机的工作台尺寸，滑块底面尺寸应满足模具的正确安装尺寸，漏料孔尺寸应大于或能通过制品及废品尺寸；

5.压力机的行程次数应符合生产率和材料变形速度的要求；

6.压力机的结构应根据工作类别及零件的冲压性质，应具备有特殊装置和夹具，如缓冲器顶出装置，送料或卸料装置等；

7.压力机的电动功率应大于冲压所需的功率； 8.压力机应保证使用的方便和安全。 5.2 确定压力机的型号

根据压力机的选用方法及原则选用开式曲柄压力机。由于拉深所需总压力为146.3kN ，压力机的公称压力应为总压力的1.2～1.3倍，则：

2.1(=P ～1.3）总F =146.3?（1.2～1.3）=175.6～190.2kN

根据算的的压力，确定压力机的型号J23—25。其技术参数如表4-1所示：

表5-1 开式曲柄压力机J23—25的技术参数

公称压力/kN 250

工作台孔尺寸/mm 前后200

滑块行程/mm 65 左后290

滑块行程次数/1

min-55 直径260 最大闭合高度/mm 270

垫板尺寸/mm

厚度50 闭合高度调节量/mm 55 直径—

滑块中心线到机身距离/mm 200

模板尺寸/mm

直径40 立柱距离/mm 270 深度60

工作台尺寸/mm 前后370

滑块底面尺寸/mm

前后—左右500 左右—

机身最大可倾角/（0）30 模柄孔尺寸/mm

直径40

深度60

六、凸模、凹模刃口尺寸计算

6.1 确定凸模圆角半径

由《模具设计与加工速查手册》可知，凸模尺寸与形状应取为等于盒形零件

内表面尺寸与形状。由于盒形件内底部圆角为3mm，故凸模圆角半径

p

r取3mm。

而凹模圆角半径

a

r则按下式确定：

=

a

r（4～10）t =81?=8mm

6.2 确定凸模与凹模间隙

矩形盒零件间隙选择原则：

1.矩形盒零件拉深模凸、凹模间隙根据拉深过程中坯料各部位壁厚变化情况而定。一般直壁部分小些，圆角部分大些。在选择时，圆角部位应比直壁部位大0.1t左右；

2.高矩形盒零件多次拉深时，其前几道工序的凸、凹模间隙可按一般圆筒形零件拉深时确定，而最后一次拉深成形时，按上述原则及下面公式选择适当的间隙值。

盒形件尺寸精度要求较高时：

=z （0.9～1.05）t （1）

盒形件尺寸精度要求不高时：

=z （1.1～1.3）t （2） 由于矩形件为自由公差，精度要求不高，故按（2）式选择凸、凹模间隙。 即：

mm z 2.112.1=?=

6.3 确定凸模、凹模刃口尺寸及公差

由于盒形件只需一次拉深，因此 其凸模、凹模的尺寸及公差应按零件的要求来确定。

（1）当零件要求外形尺寸时： 凹模尺寸：

d

L L d δ+?-=0)75.0(

凸模尺寸：

0)275.0(p Z L L p δ--?-=

（2）当零件要求内形尺寸时： 凸模尺寸：

0)4.0(p l L p δ-?+=

凹模尺寸：

d Z l L d δ++?+=0)24.0(

由零件图尺寸标注方式可知，盒形件要求内形尺寸，因此根据要求内形尺寸

时的计算方法求解凸、凹模工作部件的尺寸公差。

盒形件的公差等级为IT14，而p δ、d δ根据一般公差等级（IT6～IT8）（GB1800—79）选取得：

mm mm

p d 03.005.0==δδ。

按内形尺寸要求计算：

凸模： mm L p 0

03.0003.035.8487.04.084--=?+=）（长

mm L p 0

03.0003.03.6474.04.064--=?+=）（短

四个圆角部分相当于拉深直径为6mm 的圆筒形件，

mm mm p d 02.0,04.0==δδ，则：

mm d D p p 0

02.0002.0012.6)3.04.06()4.0(---=?+=?+=δ圆

凹模： mm L d 05

.0005.00

75.862.1287.04.084++=?+?+=）（长 mm L d 05.0005.00

7.662.1274.04.064++=?+?+=）（短 四个圆角部分：

mm z d D d d 04

.0004.00052.8)2.123.04.06()24.0(+++=?+?+=+?+=δ圆

七、模具的总体设计

7.1 模具类型

由于只需完成一道拉深工序，故选用单工序模。 7.2 定位方式

定位方式采用定位销进行定位。 7.3 出件方式

采用刚性推件方式，刚性推件不起压料的作用，但推件力大。推件杆的长度根据压力机相应的尺寸来确定，一般在推件位置时，推杆要超出滑块孔的高度5～10mm ，推件的行程即为横梁的行程。

刚性推件应考虑不应过多的削弱上模板的强度，推件力应尽可能分布均匀。

6.4 送料方式

由于所下的料为单个毛坯，所以采用人工下料的方式进行下料。

八、拉深模主要零件设计

8.1 凸模、凹模的固定形式

凸模、凹模均采用直接固定在模板上的方式。 8.2 凹模外形和尺寸

圆形凹模可由冷冲模国家标准或工厂标准中选用。非标准尺寸的凹模受力状态比较复杂，目前还不能用理论计算方法确定，一般按下列经验公式概略地计算：

凹模高度： )15(mm Kb H ≥=

凹模壁厚

=c （1.5～2）H （ ≥30～40mm ）

式中 b —冲压件最大外形尺寸

K —系数，考虑板材厚度的影响，其值可查表8-1。

根据冲压件的最大外形尺寸为106mm ，一及材料厚度t=1mm ，查《冲压工艺与模具设计》表8-1得：K=0.18。则：

凹模高度： mm Kb H 1.1910618.0=?=≥

考虑到拉深件高度为25，及推件板厚度15mm ，故凹模高度取50mm 凹模壁厚： mm H c 2.381.1922=?==

根据计算结果选择凹模的高度为：H=20mm ，壁厚：c=40mm 。 8.3 模架的选择

在冲压模具中，由上模板、下模板、导柱导套、模柄等零件组成一个整体模架。模架的作用是把冲模所有零件组合连接在一起，构成完整的冲模结构。

选用滑动导向模架中的后侧导柱模架。其结构特点是：导柱、导套安装在模板后侧，有偏心载荷时容易歪斜，滑动不够平稳。但可以从左、右、前三个方向送料，操作方便。适用范围：常用于一般精度要求的小型工件冲模。

模架的具体规格可以在GB/T2851—2008、GB/T2852—2008国家标准中选取。确定模架的尺寸如下：

模架尺寸

名称 尺寸/mm 上模座 200×160×45 下模座

200×160×55

模架的最大高度为235mm ，最小高度为190mm 。模架的材料用铸铁或HT200。

导柱导套尺寸

名称 尺寸/mm 导柱 28×180 导套

28×110×43

采用A 型导柱、导套。 材料：20钢；

热处理：表面渗碳处理，渗碳层厚度0.8～1.2mm ，淬火后硬度58～62HRC ，导柱、导套外圆，内孔配合部位：m R a μ8.0≤其余m R a μ3.6。 8.4 模柄的设计

模柄主要是用来连接压力机滑块与冲模上模零件，它安装在模具上模板上，设计要点如下：

1.模柄的支撑面对轴线的垂直度误差应不大于0.2mm ；

2.模柄的两个圆柱体直径同轴度误差应不大于0.25mm ；

3.浮动模柄中传递压力的凹、凸球面在摇摆和旋压的情况下，必须相互吻合，其吻合接触面积应不小于总接触面积的80%；

4.模柄的安装外径应与压力机安装孔相适应或加套筒紧固。

技术要求：

材料：Q235A 、Q275或45钢；

加工：按图纸样一次车削成形m R a μ2.3≤。

这里采用压入式模柄，其结构简单，安装方便，应用广泛。其压入部分与安装模板孔应成H7/m6配合形式。

根据压力机模柄孔尺寸及上模板厚度，查模具设计与制造简明手册得： 直径：D=42mm ； 长度 ；H=105mm 。 8.5 凸模的通气孔尺寸

工件在拉深时，由于空气压力的作用或润滑油的黏性等因素，使工件很容易粘附在凸模上。为使工件不至于紧贴在凸模上，设计凸模时，应有通气孔。根据凸模的形状尺寸查《模具设计与加工速查手册》确定通气孔的直径d=8mm 。 8.6 确定顶件杆尺寸

顶件杆安装在模柄中，主要起推件作用，其设计要点如下： 1.顶件杆长度，一般试冲后确定；

2.顶件杆与模柄孔的配合不能过松或过紧，一般为H11/c11。 顶件杆长度L 计算：

C L L L ++=21

式中 1L —顶件杆在上模上平面以上的长度（mm ）； 2L —压力机结构尺寸（mm ）；

C —常数，一般取10～15mm ，这里取15mm 。

则： mm L 3251570240=++= 8.7 推件板的设计

推件板的外形形状及尺寸应根据模具结构形式而定，分圆形与矩形，一般应与凹模型腔大小形状大致相同，应尽量保证推件力尽可能分布均匀，故推件板按

凹模型腔的形状并与凹模内壁保持3mm 的间隙来设计。 8.8 紧固零件的选用

冲模的紧固零件主要包括六角螺钉及圆柱销等，这类零件全都是标准件，都可在市场上购买。螺钉的作用主要是拉紧、连接冲模各零件。圆柱销除了起紧固作用外，还兼起定位作用。设计时，对标准件螺钉及销钉选用遵循下述原则：

1.螺钉最好选用内六角螺钉，其优点是紧固牢固，外形美观；

2.销钉采用圆柱形，一套模具中不应少于两组；

3.螺钉一般用45号钢制成，其头部淬火硬度应为35～40HRC ；销钉用T7、T8钢制成，其淬火硬度为48～52HRC ；

4.销钉表面粗超度应为：m R a μ60.1≤；

5.在设计时，同一块板上销钉孔与螺钉孔距离不应太小，以防降低模板强度，其值可在《模具设计与加工速查手册》表2-137中查找确定；

6.内六角螺钉过孔尺寸的大小按表2-138中规定的数值选取； 选用淬火后的，M12的内六角螺钉则：

d=13.5mm ；D=116.5.5mm ；mm H mm H 55;6max min ==

7.销钉与销孔配合应设计加工成H7/n6精度；

8.螺钉拧入基体内深度及圆柱销配合深度按下列方法计算。

螺钉拧入基体内深度H ：

钢： )(1mm d H ≥ 铸铁： )(5.11mm d H ≥ 底座量小窝座深度2H ： )(112mm d H +≥ 式中 1d —螺钉直径（mm ）。

圆柱销最小配合深度3H ： 232d H ≥ 式中 2d —圆柱销直径（mm ）

九、冲模材料选用及热处理要求

冲压生产实践证明：冲模质量的好坏、使用寿命的长短以及制品精度的高低，在很大程度上取决于模具零件材料的选用及热处理硬度要求。故设计冲模时，一定要根据各类冲模使用性能及服役条件，认真选用材料和制定合理的热处理工艺要求。

1.冲模对材料性能要求：

冷冲模所使用的材料主要是钢材，其本身应具有如下性能要求： (1）材料经淬火、回火后应具有较高的硬度（60HRC 以上）以及抗压、抗弯等变形抗力；

(2)材料应具有较高的韧性，即抗疲劳、抗断裂的能力；

(3)材料应具有较好的冷热加工工艺性； (4)材料应具有良好的抗粘附性； (5)材料应具有较高的耐磨性。 2.冲模零件材料的选用原则： (1)要用淬透性良好的材料； (2)要选用回火稳定性高的材料； (3)要选用能抗热处理变形的材料； (4)要根据冲模所冲制品批量选用； (5)要根据冲模精密程度选择； (6)要根据零件公用选择。

总之，在选用冲模用钢材料时，既要考虑材料的性能，又要考虑冲模的成本，两者综合分析，进行选用。

冲模零件的热处理要求参考《模具设计与加工速查手册》确定。

十、冲模总体结构校核

为慎重起见，应在设计模具时进行强度校核，以免强度过低，造成使用过早损坏，而产生不必要的浪费。 10.1 凸模强度核算

压应力 对于非圆形凸模其压应力需满足：

[]στσ≤=k k S Lt /

凸模的材料为T10A ，许用压应力在1000MPa 以上，而MPa S Lt k k 772/==τσ，故符合强度要求。 10.2凹模强度核算

对于矩形凹模，则需满足：

[]弯弯σσ≤+=)//(3222a b H a H Fb

凹模厚度需满足：

[][])//(32a b a Fb H 弯弯σσ+≥

经计算，凹模的抗弯强度与凹模厚度均满足要求。 10.3 压力机公称压力核算

J23-25压力机的公称压力为250kN ，而拉深所需的总压力为147kN ，即压力机的公称压力大于拉深所需总压力的1.2～1.3倍，满足拉深要求。 10.4 工作台面尺寸校核

根据下模座mm B L 235003?=?,且每边留出mm 100~60,即

mm B L 36506411?=?,而压力机的工作台面mm mm B L 70300522?=?,故也满足拉深模具对压力机工作台面尺寸的要求。 10.5 模具闭合高度校核

模具的闭合高度为225mm ，压力机的最大闭合高度为270mm ，最小闭合高度为215mm,)(10521mm H H H +≥≥-模可知，模具的闭合高度需满足

)(225265mm H mm ≥≥模，显然模具的闭合高度符合要求。

参考文献

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[2] 姜奎华.冲压工艺与模具设计 [M].北京：机械工业出版社，2012.

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