拉深冲压复合模毕业设计

1 分析零件的工艺性

冲压件工艺性是指冲压零件在冲压加工过程中加工的难易程度。虽然冲压加工工艺过

程包括备料—冲压加工工序—必要的辅助工序—质量检验—组合、包装的全过程，但分析

工艺性的重点要在冲压加工工序这一过程里。而冲压加工工序很多，各种工序中的工艺性又不尽相同。即使同一个零件，由于生产单位的生产条件、工艺装备情况及生产的传统习

惯等不同，其工艺性的涵义也不完全一样。这里我们重点分析零件的结构工艺性。

该零件是空气滤清器壳，从图1.1中我们可以看出该零件的精度要求不是很高，但要

求有较高的钢度和强度。在零件图中，尺寸0

1102-φ为IT14级，其余尺寸未标注公差，可

以按自由公差计算和处理。零件的外形尺寸为102φ，属于中小型零件，料厚为1.5mm 。

图1-1空气滤清器壳

下面分析结构工艺性。因为该零件为轴对称旋转体，故落料片肯定是圆形，其冲裁的

工艺性很好。零件为带法兰边圆筒形件，且d D F 、d h 都不太大，拉深工艺性较好，圆

角半径R3、R6都大于等于2倍料厚，对于拉深都很适合。

因此，该壳体零件的冲压生产要用到的冲压加工基本工序有：落料、拉深（拉深的次

数可能为多次）。用这些工序的组合可以提出多种不同的工艺方案。

2 确定工艺方案

2.1 计算毛坯尺寸

由于板料在扎压或退火时所产生的聚合组织而使材料引起残存的方向性，反映到拉深

过程中，就使桶形拉深件的口部形成明显的突耳。此外，如果板料本身的金属结构组织不

均匀、模具间隙不均匀、润滑的不均匀等等，也都会引起冲件口高低不齐的现象，因此就

必需在拉深厚的零件口部和外缘进行修边处理。这样在计算毛坯尺寸的时候就必需加上修

边余量然后再进行毛坯的展开尺寸计算。

根据零件的尺寸取修边余量的值为4mm 。

在拉深时，虽然拉深件的各部分厚度要求发生一些变化，但如果采用适当的工艺措施，

则其厚度的变化量还是并不太大。在设计工艺过程时，可以不考虑毛坯厚度的变化。同时

由于金属在塑性变形过程中保持体积不变，因而，在计算拉深件的的毛坯展开尺寸时，可

以认为在变形前后的毛坯和拉深间的表面积相等。

因为此旋转体零件不是简单结构，我们可以用“形心法”来求得。根据久里金法则，

对于任何形状的母线AB 绕轴线Y —Y 旋转所得到的旋转体面积等于母线长度L 与其重心轴

线旋转所得周长2πx 的乘积。即

旋转体面积

F=2 πlx

因为表面积拉深不变薄，所以面积相等，则

204D F π

即 π0

4F D =

因为 76543210F F F F F F F F ++++++=

2121)2

(r d F -=π )2

2(11122d r r F +=ππ [])(21113r r h d F +-=π、)22(122224d r r r F +-=π

π ??

????+--=2212325)2()2(r d r d F π、)22(332326ππr r d r F +-= )(3227r h d F -=π

由零件给出的尺寸可知：

mm d 5.791= mm d 5.1002=

mm h 5.381= mm h 25.33425.292=+=

mm r 61= mm r 32=

mm r 33=

所以可以计算出

D=194mm

由于设计的零件要在一个复合模中完成正反拉深，因此中间有一个正拉深转反拉深的

过程，我们可以把这两步分开来计算中间尺寸。

因为

[])(57.0)(43.0421*******r r r r h d d D -++-+=

其中

mm D 194= mm d 5.1001=

mm h 5.44= mm r 31=

mm r 32=

则

mm d 1452=

中间过程的零件如图2.1所示。

图 2-1

2.2 计算拉深次数

在考虑拉深的变形程度时，必需保证使毛坯在变形过程中的应力既不超过材料的变形

极限，同时还能充分利用材料的塑性。也就是说，对于每道拉深工序，应在毛坯侧壁强度

允许的条件下，采用最大的变形程度，即极限变形程度。

极限拉深系数值可以用理论计算的方法确定。即使得在传力区的最大拉应力与在危险

断面上的抗拉强度相等，便可求出最小拉深系数的理论值，此值即为极限拉深系数。但在

实际生产过程中，极限拉深系数值一般是在一定的拉深条件下用实验的方法得出的，我们

可以通过查表来取值。

该冲压工件需要正反拉深两个过程，因此可以分别计算其拉深系数来确定拉深次数。

2.2.1 正拉深

对于正拉深其实际拉深系数为： 52.0194

5.100===D d m 且材料的相对厚度为

77.0100194

5.1100=?=?d t 凸缘的相对直径为

44.15

.1001451==d d F 凸缘的相对高度为

44.05

.1005.44==d h 由此可以查出

50.0min =m 5.0max =??? ??d h 因为凸缘的相对高度0.44小于最大相对高度0.5，且实际拉深系数0.52大于最小极

限拉深系数0.50，所以正拉深过程可以一次拉深成功。

2.2.2 反拉深

对于反拉深其实际拉深系数为： 79.05

.1005.79===D d m 且材料的相对厚度为

03.1100145

5.1100=?=?d t 凸缘的相对直径为

26.15

.795.1001==d d F 凸缘的相对高度为

48.05

.795.38==d h 由此可以查出

51.0min =m 65.0max

=??? ??d h 因为凸缘的相对高度0.48小于最大相对高度0.65，且实际拉深系数0.79大于最小

极限拉深系数0.51，所以反拉深过程也可以一次拉深成功。

2.3 确定工艺方案

根据以上分析和计算，可以进一步明确该零件的冲压加工需要包括以下基本工序:落

料、正向拉深和反向拉深。

根据这些基本工序，可以拟出如下几种工艺方案：

方案一

先进行落料，再正拉深，最后进行反拉深，以上工序过程都采用单工序模加工。

方案二

落料与正拉深在复合模中加工成半成品，再在单工序模上进行反拉深。

方案三

落料、正拉深和反拉深全都在同一个复合模中一次加工成型。

方案四

采用带料连续拉深，或在多工位自动压力机上冲压成型。

分析比较上述四种方案，可以看出：

方案一

用此方案，模具的结构都比较简单，制造很容易，成本低廉，但由于结构简单定位误

差很大，而且单工序模一般无导向装置，安装和调整不方便，费时间，生产效率低。

方案二

采用了落料与正拉深的复合模，提高了生产率。对落料以及正拉深的精度也有很大的

提高。由于最后一道反拉深工序是在单工序模中完成，使得最后一步反拉深工序的精度降

低，影响了整个零件的精度，而且中间过程序要取件，生产效率不高。

方案三

此方案把三个工序集中在一副复合模中完成，使得生产率有了很大的提升。没有中间

的取放件过程，一次冲压成型，而且精度也比较高，能保证加工要求，在冲裁时材料处于

受压状态，零件表面平整。模具的结构也非常的紧凑，外廓尺寸比较小，但模具的结构和

装配复杂。

方案四

采用带料连续拉深或多工位自动压力机冲压，可以获得较高的生产效率，而且操作安

全，但这一方案需要专用的压力机或自动的送料装置。模具的结构比较复杂，制造周期长，

生产成本高。

根据设计需要和生产批量，综合考虑以上方案，方案三最适合。即落料、正反拉深在

同一复合模中完成。这样既能保证大批量生产的高效率又能保证加工精度，而且成本不高，

经济合理。

3 主要工艺参数的计算

3.1 确定排样、裁板方案

加工此零件为大批大量生产，冲压件的材料费用约占总成本的60%~80%之多。因此，材料利用率每提高1%，则可以使冲件的成本降低0.4%~0.5%。在冲压工作中，节约金属和减少废料具有非常重要的意义，特别是在大批量的生产中，较好的确定冲件的形状尺寸和合理的排样的降低成本的有效措施之一。

由于材料的经济利用直接决定于冲压件的制造方法和排样方式，所以在冲压生产中，可以按工件在板料上排样的合理程度即冲制某一工件的有用面积与所用板料的总面积的百分比来作为衡量排样合理性的指标。

同时属于工艺废料的搭边对冲压工艺也有很大的作用。通常，搭边的作用是为了补充送料是的定位误差，防止由于条料的宽度误差、送料时的步距误差以及送料歪斜误差等原因而冲出残缺的废品，从而确保冲件的切口表面质量，冲制出合格的工件。同时，搭边还使条料保持有一定的刚度，保证条料的顺利行进，提高了生产率。搭边值得大小要合理选取。根据此零件的尺寸通过查表取

搭边值为 mm a 2=

进距方向 mm a 5.11=

于是有

进距

mm a D h 5.1955.11941=+=+=

条料宽度

mm a D b 198221942=?+=+=

板料规格拟用1.5mm ×800mm ×1600mm 热轧钢板。由于毛坯面积较大所以横裁和纵裁的利用率相同，从送料方便考虑，我们可以采用横裁。

裁板条数 ===198

16001b A n 8条余16mm 每条个数 =-=-=

.1955.180012h a B n 4个余16.5mm 每板总个数

328421=?=?=n n n

材料利用率 %100)

(422??-?=B

A d D n π

1001600800)16194(4

3222??-?=π

%36.73=η

计算零件的净重G

ρFt G =

[]

g g G 33085.7105.110)41024(1619441222≈??????--=--π 式中 ρ—密度，低碳钢取385.7cm g =ρ。

[]内的第一项为毛坯面积，第二项为底孔废料面积，第三项（）内为切边废

料面积。

3.2 确定各中间工序尺寸

整个冲压过程包括落料、正拉深以及反拉深三个过程，在正反拉深过程中，由于是一次冲压成型，所以各次拉深的凸、凹模圆角尺寸必需与零件要求相一致，则

正拉深凸模圆角为 3mm

正拉深凹模圆角为 3mm

正拉深高度为 46mm

反拉深凸模圆角为 6mm

反拉深凹模圆角为 3mm

反拉深高度为 40mm

第一个过程为落料正向拉深，成型后如图3.1所示。

图3-1 正向拉深

第二个过程为反向拉深，成型后如图3-2所示。

图3-2 反向拉深

3.3 计算工艺力、初选设备

3.3.1 落料、正拉深过程

(1) 落料力

平刃凸模落料力的计算公式为

τkLt P =

式中 P — 冲裁力（N ）

L — 冲件的周边长度（mm ）

t — 板料厚度（mm ）

τ—材料的抗冲剪强度（MPa ）

K — 修正系数。它与冲裁间隙、冲件形状、冲裁速度、板料厚度、润滑情

况等多种因素有关。其影响范围的最小值和最大值在（1.0～1.3）P

的范围内，一般k 取为1.25～1.3。

在实际应用中，抗冲剪强度τ的值一般取材料抗拉强度b σ的0.7~0.85。为便于估算，通常取抗冲剪强度等于该材料抗拉强度b σ的80%。即

b στ8.0=

因此，该冲件的落料力的计算公式为

b Lt F σπ??=8.03.1落

N 3905.119414.38.03.1?????=

N 370613=

(2) 卸料力

一般情况下，冲裁件从板料切下以后受弹性变形及收缩影响。会使落料件梗塞在凹模内，而冲裁后剩下的板料则箍紧在凸模上。从凸模上将冲件或废料卸下来所需的力称卸料力。影响这个力的因素较多，主要有材料力学性能、模具间隙、材料厚度、零件形状尺寸以及润滑情况等。所以要精确地计算这些力是困难的，一般用下列经验公式计算：

卸料力

F K F 1=卸

式中 F —— 冲裁力(N)

1K ——顶件力及卸料力系数，其值可查表。

这里取1K 为0.04。

因此

N F 14825=卸

(3) 拉深力

带凸缘圆筒形零件的拉深力近似计算公式为

t K d F F b p σπ=拉

式中 p d —圆筒形零件的凸模直径（mm ）

F K —系数，这里取1.0。

b σ—材料的抗拉强度（MPa ）

因此

N F 184608=拉

(4) 压边力

压边力的大小对拉深件的质量是有一定影响的，如果过大，就要增加拉深力，因而会使制件拉裂，而压边圈的压力过小就会使工件的边壁或凸缘起皱，所以压边圈的压力必须适当。合适的压边力范围一般应以冲件既不起皱、又使得冲件的侧壁和口部不致产生显著的变薄为原则。压边力的大小和很多因素有关，所以在实际生产中，可以根据近似的经验公式进行计算。 q d D Q )(4

220-=π

式中 D —毛坯直径（mm ）

d —冲件的外径（mm ）

q —单位压边力（MPa ）这里q 的值取2.5。

所以 []

N Q 540395.2)5.1102(194422=?--=π

3.3.2 反拉深过程

(1) 反拉深力

通常反拉深力要比正常拉深力大20%。

即拉反F F 2.1=

所以有

222.1K t d F b σπ=反

5.03905.15.7914.32.1?????=

N 87620=

(2) 顶料力

逆着冲裁方向顶出卡在凹模里的料所需要的力叫顶料力，顶料力的经验计算公式为：

F K F D =顶

式中 F —冲裁力（N ）

D K —顶料力系数，这里查表取0.04。

所以有

N F 14824=顶

3.3.3 拉深功的计算

拉深所需的功可按下式计算 1000

max h CP W = 式中 m ax P —最大拉深力（N ）

h —拉深深度（mm ）

W —拉深功（N ·m ）

C —修正系数，一般取为C=0.6~0.8。

所以

67941000

461846088.0=??=W N ·m 3.3.4 初选压力机

压力机吨位的大小的选择，首先要以冲压工艺所需的变形力为前提。要求设备的名义压力要大于所需的变形力，而且还要有一定的力量储备，以防万一。从提高设备的工作刚度、冲压零件的精度及延长设备的寿命的观点出发，要求设备容量有较大的剩余。最新的观点认为，我们只需要使用设备的60%-70%的容量，甚至50%，即取工艺变形力的2倍。

上述设备吨位的选择原则，对于冲裁、弯曲等工序已不存在什么问题。但对于本设计所使用的拉深，可能还不保险。因为拉深与冲裁不同，最大变形力不是发生在冲床名义压力的位置，而是发生在拉深成型的中前期，这时虽然最大变形力小于压力机的名义压力，但最大变形力发生的位置远离名义压力的位置而不保险。于是就需要用到压力机的许用力行程曲线。

对于本次设计的复合模，根据工艺力的大小和出现的位置，查表初选吨位为1250KN 。

4 模具的结构设计

4.1 模具结构形式的选择

采用落料、拉深复合模，首先要考虑落料凸模（兼拉深凹模）的壁厚是否过薄。本次设计中凸凹模的壁厚为 mm b 462

102194=-= 能够保证足够的强度，故采用复合模。

模具的落料部分可以采用正装式，正拉深部分采用倒装式，反拉深部分采用正装式。模座下的缓冲器兼作压边与顶件，另外还设有弹性卸料装置的弹性顶件装置。这种结构的优点是操作方便，出件畅通无阻，生产效率高，缺点是弹性卸料板使模具的结构变复杂,要简化可以采用刚性卸料板，其缺点是拉深件留在刚性卸料板中不易取出，带来操作上的不便，结合本次设计综合考虑，采用弹性卸料板。

从导向的精度和运动的平稳以及具体规格方面考虑，可以采用中间导柱模架（GB/T2851.5—1990）。

4.2 模具工作部分尺寸计算

4.2.1 落料

虫裁模刃口是尖锐锋利的，多为直角，故冲裁模刃口尺寸是指光而得到的平滑面，所以落料件的外径尺寸应等于凹模内径尺寸，冲孔件的内径尺寸应等于冲头的外径尺寸。模具两刃口尺寸中总有一个基准尺寸，设计和制造模具时，可分别根据工件的精度要求，决定第一件为基准件，把间隙取在另一件上。故落料件以凹模为基准，冲孔以凸模为基准。

模具工作部分加工时要注意经济上的合理性，精度太高，则制造困难、成本高；精度太低，则又可能加工不出合格的产品。因此，模具的精度应随工件的精度要求而定，这样才会有好的经济性。

冲裁件的尺寸精度取决于凸、凹模刃口部分的尺寸。冲裁间隙的合理也要靠凸、凹模刃口部分的尺寸来实现和保证。所以正确确定刃口部分的尺寸是相当重要的。在决定模具刃口尺寸及制造公差时，需考虑以下原则：

a 落料件的尺寸取决于凹模尺寸，冲裁件的尺寸取决于凸模尺寸。

b 考虑到冲裁时凸、凹模的磨损，在设计凸、凹模刃口尺寸时，对基准件刃口尺寸在磨损后增大的，其刃口公称尺寸应取工件尺寸范围内较小的数值。对基准件刃口尺寸在磨损后减小的，其刃口公称尺寸应取工件尺寸范围内较大的数值。这样，在凸模磨损到一定程度的情况下，能冲出合格的零件。

c 在确定模具刃口制造公差时，要既能保证工件的精度要求，又要保证合理的间隙数值。一般模具制造精度比工件精度高2～4级。

对于落料

d X D D d δ+?-=0)(

min )2(p C D D d p δ--=

式中 p D —落料凸模直径（mm ）

d D —落料凹模直径（mm ）

D —工件外径的公称尺寸（mm ）

?— 冲裁工件要求的公差

X —系数，为避免多数冲裁件尺寸都偏向于极限尺寸，此处可取X=0.5。

d δ、p δ—凹、凸模制造偏差，这里可以按IT7来选取，其值都为0.046。

min C —实用间隙最小值，可以通过查表选取

132.02min =C

240.02max =C

所落下的料（即为拉深的坯料）按未注公差的自由尺寸IT14级选取极限偏差，故落料件的尺寸取为0

15.1194-φ，还必须满足下列公式 min max 22C C p d -≤+δδ

有 132.0240.0092.0046.0046.0-≤=+

所以满足条件。

d X D D d δ+?-=0)(

046.00)15.15.0194(+?-=

mm 046.00

)425.193(+= 0

min )2(p C X D D p δ--?-=

046.0)132.015.15.0194(--?-=

mm 0

046.0)293.193(-=

落料凹模的外形尺寸的确定

凹模厚度

Kb H =

凹模壁厚

H C )0.2~5.1(=

式中 b —冲裁件最大外形尺寸

K —系数，考虑坯料厚度t 的影响，其值可查表取，K=0.2。所以有

mm H 8.38=

mm C )70~50(=

调整到符合标准，凹模外径设计尺寸为360φmm 。

4.2.2 正拉深

拉深模直径尺寸的确定的原则，与冲裁模刃口尺寸的确定基本相同，只是具体内容不同，这里不在复述。

正拉深时，因零件是标注外形尺寸，故拉深件的外径尺寸为0

1102-φ。

由式

d D D d δ+?-=0)75.0(

)275.0(p C D d p δ--?-=

以上各式中，冲头制造偏差p δ及d δ按公差IT8选取，其值都为0.072，间隙C 可查表取值。

有 mm t C 65.1)(10.1==

072.00)175.0102(+?-=d D

mm 072.00)25.101(+=

072.0)3.375.0102(---=p d

072.0)95.97(-=

4.2.3 反拉深

反拉深件按未注公差的极限偏差考虑，且因零件是标注内形尺寸，故拉深件的内径尺

寸取为87.0081+φ。

由式 0

)4.0(p d D p δ-?+=

d C d D d δ++?+=0)24.0(

式中制造偏差p δ和d δ按IT8选取0.072，C 的值取1.65。

有

072.0)87.04.081(-?+=p D

072.0)348.81(-=

072.00)3.387.04.081(++?+=d D

072.00)648.84(+=

5 选用模架、确定闭合高度

5.1 模架的选用

由凹模外形尺寸360φ，选择中间导柱模架（GB/T2851.5—1990）在按其标准选择具体结构尺寸如下

上模板 60400500?? HT250

下模板 75400500?? ZG450

导柱 32050? 32055? 20钢

导套 7016050?? 7016055?? 20钢

凸缘模柄 10070?φ Q235

模具闭合高度 MAX 350mm MIN 305mm

该副模具没有漏料问题，故不必考虑漏料孔尺寸。

5.2 模具的闭合高度

所谓的模具的闭合高度H 是指模具在最低工作位置时，上下模座之间的距离，它应与压力机的装模高度相适应。

模具的实际闭合高度，一般为：

冲头进入凹模深度下模板厚度凹模垫板厚度凹模厚度冲头长度垫板厚度上模板厚度模-++

+++=H

该副模具使用上垫板厚度为8mm ，凹模固定板厚度为8mm 。如果冲头（凸凹模）的长度设计为140mm ，凹模（落料凹模）设计为130mm ，则闭合高度为：

336.5m m 1.5)-40(46-881307514060=++++++=模H

查开式压力机设备参数表知，1600KN 压力机最大闭合高度为450mm （封闭调节高度为130mm ）。因为模具的闭合高度绝对不能大于所选的压力机，所以初选的1250KN 吨位的压力机装模高度过小，这里我们采用1600KN 的开式压力机。

故实际设计模具的闭合高度为

340mm =模H

压力机的装模高度必须符合模具闭合高度的要求。其关系式为

105min max +≥≥-H H H

式中

max H 、min H —压力机的最大和最小装模高度

H —模具的闭合高度

所以有

10)130450(3405450+-≥≥-

故闭合高度设计合理。

5.3 压力中心

由于该零件落料、拉深均为轴对称形状，故不必进行压力中心的计算。

6 模具的主要零部件结构设计

6.1 落料凹模

落料凹模的内外形尺寸和厚度在前面的计算中已算出，这里需要有三个的螺纹孔，以便与下模板固定，而且还需要有两个与下模板同时加工的销钉孔，在其内圈设计了限位倒角，以限制压边圈的行程。在落料凹模上还有一个销孔，用来安装挡料销。在图中标注尺寸精度、形位公差及粗糙度。落料凹模的零件图如图6.1所示。