圆筒形冲压零件

一、冷冲压模具设计的目的

冷冲压模具课程设计是为机械设计制造及自动化专业在学完基础理论课、技术基础课和专业课的基础上，所设置的一个重要的实践性教学环节。其目的是：

1、综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识，进行一次冷冲压模具设计工作的实际训练，从而培养和提高学生独立工作的能力。

2、巩固与扩充“模具设计与制造”等课程所学的内容，掌握冷冲压模具设计的方法和步骤。

3、掌握冷冲压模具设计的基本技能，如计算机绘图、计算、查阅设计资料和手册，熟悉标准和规范等等

二．分析零件

零件为圆筒形冲压零件

生产批量：中批量

材料：45钢材料厚度：2 mm

三．工艺分析:

工艺性是指冲压件对冲压工艺的适应性。

工件:此工件只有落料和拉深两个工序.工件形状简单,并且工件为无凸缘圆筒件,要求内形尺寸,拉深时厚度不变,因此工件能满足落料拉深要求.工件的底部圆角半径r=2mm≥t,满足再次拉深圆角半径要求.尺寸φ20 mm,也满足拉深工序对工件的公差等级要求。

材料: 45钢,由于强度低,塑性好,适用于制造受力不大的冲压件和拉深件,并有利于冲压成形和制件质量的提高,还具有良好的冲压成形性能,即有良好的抗破裂性,良好的贴模和定形性,所以具有良好的冲压性能。

四．工艺方案的确定:

1．先确定拉深次数：

=d n/D中的, d n实际上是确定拉深次数,先判断能否一次拉出总拉糸数m

总

> m1时,则该零件只需要一次拉出,否则就要进行多次拉零件所要求的直径.当m

总

深

计算毛坯尺寸：查[1]中表6-2得修边余量△h, h/d=49/18=2.54,取△h=4mm

毛坯直径公式D= d2+4dh-1.72rd-0.56r2

参数:d = 18mm

参数:h = 49mm

参数:r = 4mm

计算结果D=63.3mm

查[1]中表6-6得,取m1=0.4,；取m2=0.7,m3=0.75

=d n/D=18/63.3=0.28

总拉深糸数: m

总

则可以判断出一次拉不出.

则第一次拉深直径d1=m1D=0.4×63.3≈25.3mm

第一次拉深的高度:h1=0.25[(D2/d1)-d1]+(0.43r1/d1)(d1+0.32r1)

参数:d1=25.3mm

参数r1=4mm

计算结果h1≈37.5mm

第二次拉深直径d2=m2d1=0.7×25.3≈17.7mm

由此可得知，d2〈d

则产品是通过二次拉深所得到的。工序图如1-1所示

工件

2．工艺方案：

该工件包括落料、拉深两个基本工序，可有以下三种工艺方案：

方案一：先落料，首次拉深一，再次拉深。采用单工序模生产。

方案二：落料+拉深复合，后拉深二。采用复合模+单工序模生产。

方案三：先落料，后二次复合拉深。采用单工序模+复合模生产。

方案四：落料+拉深+再次拉深。采用复合模生产。

方案一模具结构简单，但需三道工序三副模具，成本高而生产效率低，难以满足

大批量生产要求。方案二只需二副模具，工件的精度及生产效率都较高，工件精度也能满足要求，操作方便，成本较低。方案三也只需要二副模具，制造难度大，成本也大。方案四只需一副模具，生产效率高，操作方便，工件精度也能满足要求，但模具成本造价高。通过对上述四种方案的分析比较，该件的冲压生产采用方案二为佳。

五．模具总体设计

（1）模具类型的选择

由冲压工艺分析可知，采用落料拉深冲压和再次拉深。所以模具类型

为复合模和单工序模二套模具。

（2）定位方式的选择

复合模：因为该模具采用的是条料，控制条料的送进方向采用导料板，无侧压装置。控制条料的送进步距采用固定挡料销定距。而第

一件的冲压位置因为条料长度有一定余量，可以靠操作工目测来定。

拉深二模：采用带有压边圈装置对工件进行定位。

（3）卸料、出件方式的选择

因为工件料厚为2mm，相对较薄，卸料力也比较小，故可采用弹性卸料。对于复合模生产，应采用上出件比较便于操作与提高生产效

率。对于拉深二,也是采用上出件比较方便.

（4）导向方式的选择

为了提高模具寿命和工件质量，方便安装调整，该两套模具采用后侧

导柱的导向方式

六．工艺设计计算

1．排样方式的确定及其计算

设计复合模，首先要设计条料排样图。圆筒形状简单，落料形状就是一个圆，可以采用直排方式，如图4-1所示的排样方法，

1)、查[1]中表3-10得搭边值a=1.0mm a1=1.2mm

2）、送料步距A

A=D+a=63.3+1=64.3mm

3）、条料宽度B（采用无侧压装置的导料板之间送料时）

B =（D+2a 1+2Δ+b 0）

=[（63.3+2×1.2+2×0.5） =66.7mm

4）、一个步距内材料料利用率η

η=(s 1/s 0)×100%

=(π×63.32/4)/(64.3×66.7 )×100% =73.33%

5）、 查[3]板材标准，宜选600mm ×1750mm 的钢板，每张钢板可剪裁为5张条料（120mm ×1750mm ），每张钢板的材料利用率为74%

2、冲压力的计算

料落:采用弹性卸料装置和下出件模具 查[1]表2-3得,取て=300MP

冲裁力F=Lt σb =1.3てLt=1.3×300×3.14×63.3×0.8≈62013N 式中 L ——冲裁件周长(mm)

t ——板料厚度（mm ）

σb ——材料的抗拉强度（MPa ） 查[1]表3-8得K 卸=0.05 K 顶=0.06 F 卸=K 卸F=0.05×62013=3100.68N F 顶 = K 顶F=0.06×62013=3720.78N

压力机所需的冲压力 F 冲总=F+ F 卸+ F 顶=68834.46N 拉深一

查[1]表6-11得,K 1=1;K 2=0.85; σ

b

查[1]得表2-3, 查[1]6-13得σ

b

=400MP P=2.5MP

拉深力:F 拉=K πdt σ

b

=1×3.14×25.3×0.8×400

=25421.44N

压边力:F Q1=(π/4)[D 2-(d 1+2R 凹)2]p

=(3.14/4)[63.32-(25.3+2×6.4凹)2]×2.5

=1071.23N

总冲裁力: F= F 冲总+ F 拉+ F Q1=95327.13N 也就是压力机所需的冲压力

故落料拉深复合模配的的压力机所需的总冲压力为 F 总=95327.13N 拉深二

查[1]表6-11得,K 2=0.85; σb 查得表2-3,得σb =400MP 查[1]表6-13得:p=2.5MP; 查[1]表3-8得 K 顶=0.06;

拉深力:F 拉2=K 2πd 2t σ

b

=0.85×3.14×17.7×0.8×400

=15117N

压边力:F Q2=(π/4)[d 12-(d 2+2R 凹)2]p

=(3.14/4)[25.32-(17.7+2×2.4)2]×2.5 =262.66N

顶件力: F 顶= K 顶 F 拉2=0.06×15117=907N

总冲裁力: F= F 拉+ F Q2+ F 顶=15117+262.66+907=16286.66N 也就是压力机所需的冲压力

所以二次拉深时的压力机所需的总冲压力为 F 总=16286.66N 七．主要零部件设计

1. 工艺零件设计：

1．1 工作零件： 拉深落料复合模： ① 凸凹模

结合工件外形并考虑加工，将凸凹模设计成带肩台阶式圆凸凹模，一方

面加工简单，另一方面又便于装配与更换，采用车床加工，与凸凹模固定板的配合按H7/m6。

凸凹模长度L=36+16+6+29+1=88mm 。具体结构可参见图5-1.1(b)所示。 ②拉深凸模

拉深凸模采用台阶式，也是采用车床加工,与凸模固定板的配合按H7/m6的配合,拉深凸模结构如图5-1.1（a）所示。

③落料凹模

凹模采用整体凹模，冲裁的凹模孔可采用线切割机床和铣床加工，安排凹模在模架上的位置时，要依据计算压力中心的数据，将压力中心与模柄中心重合。

凹模的轮廓尺寸应要保证凹模有足够的强度与刚度，凹模板的厚度还应考虑修磨量，根据冲裁件的厚度和冲裁件的最大外形尺寸在标准中选取凹模板的各尺寸为：长230mm，宽200mm，因考虑到整套模具的整体布置要求，选其厚度为79mm，

④模具刃口尺寸的计算

落料:按按单配加工时的尺寸的计算

查[1]中表3-3得

Z min =0.072mm Z

max

=0.104mm

取落料的尺寸公差为IT14,则公差为△=0.87mm

查[1]中表3-5得 x=0.5

所以落料料凹模尺寸：D=（D

max

-x△）

=(63.3-0.5*0.87) =62.865mm

因此落料凸模的基本尺寸与与凹模相同是62.865mm,但不必注公差,注明以0.72～0.104mm的间隙与落料凹模配制.

落料凹模如图5-1.2所示:

拉深一:查[1]中表6-14得C

1=1, C

2

=8

1).凹模圆角半径R

凹= C

1

C

2

t=1×8×0.8=6.4mm

R

凸=(0.7～1.0) R

凹

=0.85×6.4=5.44mm取R

凸

=5.5mm

2).拉深模的单边间隙Z=(D

凹-D

凸

)/2

查[1]表6-15,得单边间隙Z=1.1t=1.1×0.8=0.88mm

3).拉深凸模和凹模工作部分的尺寸及其制造公差:

第一次拉深模,由于其毛坯尺寸与公差没有必要予以严格的限制,这时凸模和凹模尺寸只要取等于毛坯的过渡尺寸即可,以凸模为基准.取公差等级为IT10=0.12mm.

d

凸=d

-

δ凸=63.2

-0.12

mm

d

凹=( d

凸

+ 2Z)

+δ凹=(63.2+2×0.88)

+0.12=64.96

+0.12mm

图形如5-1.1图所示:

1．2 工作零件：二次拉深模

①凸模

根据工件外形并考虑加工，将凸模设计成带肩台阶式圆凸凹模，一方面加工简单，另一方面又便于装配与修模，采用车床加工，与凸模固定板的配合按H7/m6。

凸模长度 L=H

1+H

2

+Y

式中 H

1

——凸模固定板厚度

H

2

——压边圈高度

Y——附加长度，包括凸模刃口修磨量，凸模进入凹模的深度46mm，因此凸模长度L=28+60+46=134mm。具体结构可参见图5-1.2(a)所示。

②凹模

凹模采用整体凹模，各冲裁的凹模孔均采用线切割机床加工，安排凹模在模架上的位置时，要依据计算压力中心的数据，将压力中心与模柄中心重合。取凹模轮廓尺寸为φ160mm×58.8mm，结构如图5-1.2（b）所示

③模具刃口尺寸的计算

1).凹模圆角半径R

凸= r

凸

=2mm

R

凹= R

凸

/0.85=2/0.85=2.352mm≈2.4 mm

2).拉深模的单边间隙Z=(D

凹-D

凸

)/2

查[1]表6-15,得单边间隙Z=1t=1×0.8=0.8mm 3).拉深凸模和凹模工作部分的尺寸及其制造公差:

查[1]表6-16得凸凹的制造公差为:δ

凸

=0.02mm δ凹=0.03mm

当工件要求内形尺寸:凸模尺寸:d

凸=(d

min

+0.4△)

=(17.7+0.4×0.4) mm=17.86mm

凹模尺寸: d

凹=( d

min

+0.4△+2Z)

=(17.7+0.4×0.4+2×0.8) =19.46mm

图形如5-1.2所示:

1.3. 定位零件的设计

落料拉深复合模

①固定挡料销

落料凹模上部设置固定挡料销，采用

固定挡料销的进行定距.挡料装置在复合模

中,主要作用是保持冲件轮廓的完整和适量

的搭边.,如图所示为钩形挡料销,因其固定孔

离刃口较远,因此凹模强度要求,结构上带有

防转定向销.挡料销采用H7/r6安装在落料

凹模端面

②导料板的设计

导料板的内侧与条料接触，外侧与凹模齐平，查[2]表14-17导料板与条料之间的间隙取0.5mm，这样就可确定了导料板的宽度，导料板的厚度按[2]表14-15选择。导料板采用45钢制作，热处理硬度为28～32HRC，用螺钉固定在凹模上。

③卸料部件设计

卸料装置用弹压卸料板的卸料装置，如下图1-3所示，卸料板内孔每侧与凸模保持间隙C＇=0.1~0.2t=0.16mm;卸料板周界尺寸与凹模周界尺寸一样，厚度根据冲裁件料厚t和卸料板宽度B查模具手册之四[2]中表14-10得其厚度为16mm。卸料板采用45钢制造，淬火硬度为43～48HRC。

卸料螺钉的选用

卸料板上设置2个卸料螺钉，公称直径为12mm，螺纹部分为M8×16mm。卸料钉尾部应留有足够的行程空间。卸料螺钉拧紧后，应使卸料板超出凸模端面lmm，有误差时通过在螺钉与卸料板之间安装垫片来调整。

④压边圈设计

首次拉深:

为了防止拉深过程中起皱，生产中主要采用压边圈，查[1]表6-12，可判断出需要压边圈。压边圈采用45钢制造，热处理硬度为42～45HRC。其结构如5-2.4(a)所示

二次拉深:

压边圈,结构与尺寸由标准中选取，压边圈圆角半径r

应比上次拉深凸模的

Y

相应圆角半径大0.5～1mm,以便将工序件套在压边圈上.材料采用45钢，热处理硬度为调质42-45HRC.其结构如图5-2.4(b)所示.

2.结构零件

1．1 模架及其他零部件设计

①落料拉深复合模

采用滑动导向后侧导柱式模架的导向方式，如图所示，带有导柱的冲裁模适合于精度要求较高，生产批量较大的冲裁件，且导柱模结构比较完善，对后侧导柱的导向方式可从左右和前后两个方向进行送料。故相应选后侧导柱模架。

因为它的模具较高所以选取比较大一点的模架模

架的结构与尺寸都直接由标准中选取，相关参数如下：

凹模周界L: 315

凹模周界B: 250

闭合高度(参考)|最小: 275

闭合高度(参考)|最大: 320

1上模座数量1 规格: 315×250×55

2下模座数量1 规格: 315×250×70

3导柱数量1 规格: 40×260

4导套数量1 规格: 40×140×53

导柱与导套结构由标准中选取，尺寸由模架中参数决定。

导柱的长度应保证冲模在最低工作位置时，导柱上端面与上模座顶面的距离不小于10-15mm，而下模座底面与导柱底面的距离应为0.5-1mm。导柱与导套之间的配合为H7/h6,导套与上模座之间的配合为H7/r6，导柱与下模座之间的配合为R7/h5。导柱与导套材料采用20钢，热处理硬度为（渗碳）56-62HRC。上下模座材料采用45钢，热处理硬度为调质28-32HRC。

②二次拉深模

也是采用滑动导向后侧导柱式模架的导向方式，如图所示，

模架的结构与尺寸都直接由标准中选取，因为它的模具

较高所以选取比较大一点的模架相关参数如下：

凹模周界L: 250

凹模周界B: 250

闭合高度(参考)|最小: 240

闭合高度(参考)|最大: 285

1上模座数量1 规格: 250×250×50

2下模座数量1 规格: 250×250×65

3导柱数量1 规格: 35×230

4导套数量1 规格: 35×125×48

导柱与导套结构由标准中选取，尺寸由模架中参数决定。

导柱的长度应保证冲模在最低工作位置时，导柱上端面与上模座顶面的距离不小于10-15mm，而下模座底面与导柱底面的距离应为0.5-1mm。导柱与导套之间的配合为H7/h6,导套与上模座之间的配合为H7/r6，导柱与下模座之间的配合为R7/h5。导柱与导套材料采用20钢，热处理硬度为（渗碳）56-62HRC。上下模座材料采用45钢，热处理硬度为调质28-32HRC。

1．2 弹顶器的弹性元件的选取

①落料拉深复合模

选用橡皮作为弹性元件，橡皮一般为聚氨胶，因为它允许承受的载荷较弹簧大，并且安装调理方便。

因为聚氨脂橡胶的总压缩量一般≤35%,所以取30%，刚聚氨胶的高度

h=0.3×H

h为压边圈运行的高度=39.8mm

H=39.8/0.3=132.7mm

橡胶的高度H与直径D应有适当比例:H=(0.5~1.5)D

根据上二式查[3]表3-100得.D=60mm; d=16.5mm; H=50mm; D1=78mm

选取三块同样的橡胶.中间加上钢垫圈,防止失稳弯曲.其结构图如下

②二次拉深模

选用弹簧作为弹性元件.选用圆柱螺旋弹簧,它的主要技术参数是工作极限负荷F j与其相对应的工作极限负荷下的变形量L j。根据所需要的卸料力或推件力F Q以及所需要的量大压缩行程L0，来计算F j与L j，然后就可以在标准中选取相应的规格弹簧。

1）确定弹簧的数目为1

2）顶件载荷F Q=压边力=1260N

3）最大压缩行程L0=h1 + h2 + h3 + t =1+46.8+7+0.8=55.6mm

4）计算所需的弹簧的工作极限负荷F j与工作极限负荷下的变形量L j，K取

40%

F j = F Q/K=1260/0.4=3150N

L j= L0/(1-K)=55.6/(1-0.4)=92.67N

由上述二式查弹簧标准表得：弹簧材料直径为10mm，弹簧中径为75mm，节距为t=26.5,工作极限负荷F j =3500N,变形量L j=111mm,有效圈数为7.5

六.模具总装图

通过以上设计，可得到如图6-1的落料拉深模和6-2拉深二模所示的模具总装图。

①落料拉深模：模具上模部分主要由上模座板、垫板、凸模、凸模固定板、推件板及卸料板等组成。卸料方式采用弹性卸料，以弹簧为弹性元件。下模部分由下模座、垫板、凹模板、凹模固定板、压边圈和导料板等组成。条料送进时采用固定挡料销粗定距，拉深凸模7低于落料凹模8的距离为一个料厚，是为了在冲压是能保证先落料再拉深。

②拉深二模：拉深前毛坯套在压边圈6上，所以设计的压边圈形状与上一次拉出来的半成品相适应，拉深后，压边圈将冲压件从凸模7上托出，推件板9将冲压件从凹模中推出。

图6-1

图6-2

七．冲压设备的选定

落料拉深复合模：

通过校核，根据F

总

查[1]中表1-3选型号为J23-40的压力机其基本参数：标称压力（kN）——400

滑块行程（mm）——80

行程次数( 次/min)——45/90

连杆调节长度（mm）——65

最大装模高度（mm）——330

工作台尺寸前后×左右（mm×mm）——460×700

模柄孔尺寸直径×深度（mm）——φ50×70

电动机功率（kW）——5.5

模具的闭合高度H

模具应介于压力机的最大装模高度H

max

与最小装模高度H

min

之间，

否则就不能保证下常的安装与工作。其关系为：

H min +10mm≤H

模具

≤H

max

-5mm

若模具的闭合高度H

模具>H

max

，则该压力机不能用，若H

模具

< H

min

，则可以加垫板。

实际算得H

模具

=301mm

则满足H

min +10mm≤H

模具

≤H

max

-5mm的要求。

二次拉深模：

根据F

总

查《冷冲模设计》中表1-3选型号为J23-25的压力机其基本参数：标称压力（kN）——250

滑块行程（mm）——65

行程次数( 次/min)——50/105

连杆调节长度（mm）——55

最大装模高度（mm）——270

工作台尺寸前后×左右（mm×mm）——370×560

模柄孔尺寸直径×深度（mm）——φ50×70

电动机功率（kW）——2.2

模具的闭合高度H

模具应介于压力机的最大装模高度H

max

与最小装模高度H

min

之间，

否则就不能保证下常的安装与工作。其关系为：

H min +10mm≤H

模具

≤H

max

-5mm

若模具的闭合高度H

模具>H

max

，则该压力机不能用，若H

模具

< H

min

，则可以加垫板。

实际算得H

A

8mm

则满足H

min +10mm≤H

模具

≤H

max

-5mm的要求。

七．对二次拉深件进入切边：

主要通过切边模具对二次拉深件进切边，而达到所需要的产品尺寸。可以采用带锥形口的拉深凹模或带圆角的拉深凹模设计进行切边，由于切边凹模没有锋利的刃口，所以切下的废料拖有较大的毛刺，也有将这种切边方法称为挤边。用这种方法对筒形件切边由于其结构简单，使用方便，并可用复合模的结构与拉深同时进行，所以使用十分广泛。切边的工序图如下所示：

八.参考文献

[1].丁松聚主编. 冷冲模设计.北京:机械工业出版社,2001

[2]《冲压设计手册》编写组编写. 冲压设计手册.北京:机械工业出版社,1999

[3]杨玉英主编. 实用冲压工艺及模具设计手册. 北京:机械工业出版社,2004

[4]王树勋主编. 典型模具结构图册. 广州:华南理工大学出版社,2005

[5]孙凤勤、阎亚林主编. 冲压与塑压成形设备. 北京:高等教育出版社,2003