端盖_复合冲压模具设计计算

冲压模具设计与制造
摘要
本次设计生产的是端盖，精度要求较低，形状比较简单，生产批量大，通过工艺性分析，工序均为落料，冲孔和拉深。

采用复合模制造，能很好的解决这些问题，提高材料利用率。

原料选用08F。

论文主要通过对专业知识的综合运用，对模具从设计到制造的过程的了解，广泛听取有从事模具行业经验人士的意见，经过多次修改和验证设计而成。

根据计算和查阅查资料手册得到的主要参数，运用CAD进行模具设计。

通过对端盖冲压模具设计，巩固和深化了所学知识，取得了比较满意的效果，达到了预期的设计意图。

关键词：复合模工序成形冲压工艺冲模
Design and Manufacture of Die for Stop Piece
Abstract
What this design produces is an end cap, the accuracy has low request, the shape is more simple, produce batch quantity big, pass craft analysis, work preface all for fall to anticipate，blunt bore and drawing.Adopting the compound die manufacturing, can be good to resolve these problems, raise material utilization. Selection of steel materials on the 08F.
Mainly comprehensively using professional knowledge, understanding of the process from design to fabrication, learning from people who have rich experience in the field of dies, modifying and verifying the design this design gets successful. Furthermore the design refers to some main parameters cited from some data handbooks and utilizes CAD tool.
Based on the stamping mould design of end cap, deepen the knowledge obtained satisfactory effect, achieve the expected design intent.
KeyWord: compound die ; proesses forming; stamping process; die
目录
摘要......................................................................................................... I Abstract . (Ⅱ)
第一章绪论 (1)
1.1冲压加工与模具设计简介 (1)
1.2冲压技术的现状与发展方向 (2)
第二章冲裁、拉深工艺分析 (4)
2.1 冲裁件和拉深件工艺性分析 (5)
2.1.1分析工件的技术要求 (5)
2.1.2工件材料分析 (6)
2.1.3工件结构工艺性分析 (6)
2.1.4工件工艺性分析 (7)
2.2工艺方案的确定 (7)
2.2.1冲裁、拉深工序的组合 (7)
2.2.2冲裁、拉深顺序的安排 (7)
2.2.3冲裁、拉深工艺方案的确定 (8)
第三章排样图设计 (9)
3.1材料利用率 (9)
3.2 排样方法 (10)
3.3搭边值的选用和条料的选用及步距的确定 (11)
3.3.1搭边值的选用 (11)
3.3.2 毛坯尺寸计算 (11)
III
3.3.3条料宽度的确定 (12)
3.4 排样图确定 (12)
第四章压力部分的计算与压力机的选取 (13)
4.1冲压力的计算 (13)
4.1.1冲裁力计算 (13)
4.1.2 拉深力计算 (14)
4.1.3总冲压力计算 (16)
4.2压力中心的计算 (16)
4.3压力机选择 (16)
4.3.1冲压设备类型的选择 (16)
4.3.2确定压力机设备的规格 (17)
第五章复合模工作部分设计 (18)
5.1冲裁间隙 (18)
5.1.1 间隙的影响 (18)
5.1.2合理间隙的选用 (18)
5.2拉深间隙 (20)
5.2.1间隙影响 (20)
5.2.2 合理间隙的选用 (20)
5.3模具刃口尺寸的计算 (21)
5.3.1 计算原则 (21)
5.3.2计算方法 (22)
第6章模具总体设计 (23)
6.1凹凸模设计 (23)
6.1.1落料凸凹设计 (23)
6.1.2 冲孔凹凸模设计 (25)
6.1.3 拉深图凸凹模设计 (25)
参考文献 (30)
总结 (31)
V
第一章绪论
1.1冲压加工与模具设计简介
冲压是通过模具对板材施加压力或拉力，使板材塑性成形，有时对板料施加剪切力而使板材分离，从而获得一定尺寸、形状和性能的一种零件加工方法。

由于冲压加工经常在材料冷状态下进行，因此也称为冷冲压。

冲压加工的原材料一般为板材或带料，故也称板材冲压。

冲压加工需要研究冲压工艺与模具两个方面的问题。

冲压工艺可以分为分离工序和成形工序。

而分离工序又有落料、冲孔、切断、切边、剖切等工序；成型工序又包括卷圆、扭曲、拉深、变薄拉深、翻孔、翻边、拉弯、胀形、起伏、扩口、缩口、旋压、校形等。

冲压加工作为一个行业，在国民经济的加工业中占有重要的地位。

根据统计，冲压件在各个行业中均占相当大的比重，尤其在汽车、电机、仪表、军工、家用电器等方面所占的比重更大。

冲压加工的应用范围极广，从精细的仪表指针到重型汽车的覆盖件和大梁、高压容器封头以及航天器的蒙皮、机身等均需冲压加工。

冲压件在形状和尺寸精度方面的互换性较好，一般情况下，可以直接满足装配和使用要求。

此外，在冲压过程中由于材料经过塑性变形，金属内部组织得到改善，机械强度有所提高，所以，冲压件具有质量轻、刚度好、精度高和外表光滑、美观等特点。

冲压加工是一种高生产率的加工方法，如汽车等大型零件每分钟可生产几件，而小零件的高速冲压则每分钟可生产千件以上。

由于冲压加工的毛坯是板材或卷材，一般又在冷状态下加工，因此轻易实现机械化和自动化，比较适宜配置机械人而实现无人自动化生产。

特别是适用于定型产品的中大批生产。

“冲压要发展，模具是关键”，提高模具的效率需从冲模设计和制造开始。

冲压加工的材料利用率较高，一般可达70%~85%，冲压加工的能耗低，由于冲压生产具有节材、节能和高生产率等特点，所以冲压件批量生产时，其成本比较低，经济效益较高。

当然，冲压加工与其他加工方法一样，也有其自身的局限性，
1
第一章绪论
例如，冲模的结构比较复杂，模具价格偏高。

因此，对小批量、多品种生产时采用昂贵的冲模，经济上不合算，目前为了解决这方面的问题，正在努力发展某些简易冲模，如聚氨脂橡胶冲模、低合金冲模以及采用通用组合冲模、钢皮模等，同时也在进行冲压加工中心等新型设备与工艺的研[17]。

1.2冲压技术的现状与发展方向
我国考古发现，早在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面的成就就在世界领先。

改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。

近年来，我国模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得到了快速发展。

由于冲压工艺具有生产率、生产成本低、材料利用率高、能成形复杂零件、适合大批量生产等优点，在某些领域已取代机械加工，并正逐步扩大其应用范围。

据国际生产技术协会预测，到本世纪中，机械零部件中60%粗加工、80%精加工要由模具来完成。

因此，冲压技术对发展生产、增加效益、更新产品等方面具有重要作用。

在近半个世纪以来，我国的冷冲压工艺和其它生产工艺一样，得到了迅速的发展。

在一些工厂中，建立了具有现代规模和技术先进的冷冲压生产车间，并建立了专门研究冷冲压技术的科研机构及专业性工厂，培养了大批从事冷冲压生产的科技人员，广泛地开展了冷冲压生产的科技及学术活动，编辑出版了各种冷冲压技术资料，从而使冷冲压生产技术得到了迅速发展。

在冷冲压生产中，出现了很多可喜的高科技成果。

冲压加工的工艺和设备正在不断地发展，例如精密冲裁、冷挤压、多工位自动冲压、高速成形、超塑冲压等，把冷冲压生产技术提高到了新的水平。

为了适应冷冲压工艺水平的提高我国对冲模的研制也在不断加强。

近年来出现了很多制造周期短、使用寿命长的新型冲模结构。

并且模具加工工艺及模具材料也相应地在不断革新，例如采用钢结硬质合金、硬质合金或低熔点合金浇注模具、采用电加工技术及计算机制造冲模等以适用于不同的生产条件。

从而使冲压生产的产品质量、劳动生产率大大提高，成本也大幅度下降，有利地推动了我国社会主义经济建设和发展。

为了促进我国冲压模具技术的发展，从计算机技术、先进加工技术及装备、其它新技术与冲压模具等方面分析了我国冲压模具的技术现状。

结果表明：经过几十年的发展，我国的冲压模具总量位居世界第三位，加工技术装备基本已与世界先进水平同步。

以汽车覆盖件为代表的大型、复杂、精密冲压模，用CAD／CAM ／CAE软件进行三维设计和模拟，靠高速、精密的加工设备生产，用新型研磨或抛光代替传统的手工研磨抛光，提高模具质量。

这些都代表了冲压模具发展的趋势。

Pro／E在冲压工艺及模具设计中的应用，其中包括钣金件的展开计算、模具压力中心的计算、标准零件库及标准模架库的建立，从而大大地减轻了设计者的工作量。

冲压成形理论的研究是提高冲压技术的基础。

目前，国内外对冲压成形理论的研究非常重视，在材料冲压性能研究、冲压成形过程应力应变分析、板料变形规律研究及坯料与模具之间的相互作用研究等方面均取得了较大的进展。

特别是随着计算机技术的飞跃发展和塑性变形理论的进一步完善，近年来国内外已开始应用塑性成形过程的计算机模拟技术，即利用有限元（FEM）等有值分析方法模拟金属的塑性成形过程，根据分析结果，设计人员可预测某一工艺方案成形的可行性及可能出现的质量问题，并通过在计算机上选择修改相关参数，可实现工艺及模具的优化设计。

这样既节省了昂贵的试模费用，也缩短了制模具周期。

研究推广能提高生产率及产品质量、降低成本和扩大冲压工艺应用范围的各种压新工艺，也是冲压技术的发展方向之一。

目前国内外相继涌现出精密冲压工艺、软模成形工艺、高能高速成形工艺及无模多点成形工艺等精密、高效、经济的冲压新工艺。

其中，精密冲裁提高冲裁件质量的有效方法，它扩大了冲压加工范围，目前精密冲裁加工零件的厚度可达25mm，精度可达IT16~17级；用液体、橡胶、聚氨酯等作柔性凸模或凹模的软模成形工艺，能加工出用普通加工方法难以加工的材料和复杂形状的零件，在特定生产条件下具有明显的经济效果；采用爆炸等高能效成形方法对于加工各种尺寸在、批量小、强度高和精度要求较高的板料零件，具有很重要的实用意义。

随着计算机软件的发展和进步，CAD/CAE/CAM 技术也日臻成熟，其现代模具中的应用将越来越广泛。

可以预料不久的将来，模具制造业将从机械制造业中分离出来，而独立成为国民经济中不可缺少的支柱产业，与此同时，也进一步促进了模
3
第二章冲裁、拉深工艺分析
具制造技术向集成化、智能化、益人化、高效化方向发展。

因此，大力发展模具工业可以促进我国更快的走向工业化国家[17]。

第二章冲裁、拉深工艺分析
冲裁工艺设计主要包括冲裁件的工艺分析和冲裁工艺方案的确定两方面的内容。

拉深工艺设计主要包括拉深件的工艺分析和拉深工艺方案的确定两方面的内容。

良好的工艺性分析和合理的工艺方案，可以用最小的材料消耗，最少的工序数量和工时，稳定地获得符合要求的优质产品，并使模具结构简单，寿命高，因而可以减少劳动量和冲裁、拉深成本。

本工件需要进行落料、拉深、冲孔三个工序。

本次设计工件图如下图：
图2-1 工件CAD图
5
图2-2 工件UG 三维视图
2.1 冲裁件和拉深件工艺性分析
冲裁件的工艺性，是指冲裁件对冲裁工艺的适应性，在冲裁加工中的难易程度。

一般情况下，对冲裁工艺性影响最大的是制件的结构形状、精度要求、行为公差及技术要求等。

冲裁件的工艺性合理与否，影响到冲裁件的质量、模具寿命、材料消耗、生产效率等。

拉深件的工艺性，是指拉深件对拉深工艺的适应性，在拉深加工中的难以程度。

对拉深工艺性影响最大的是制件的结构形状、精度要求、及技术要求等。

拉深件的工艺性合理与否，影响到冲裁件的质量、模具寿命、材料消耗、生产效率等。

2.1.1分析工件的技术要求
1. 加工表面的尺寸精度及尺寸基准
根据零件图尺寸要求，此工件属于筒形件。

尺寸公差要求较松，均为自由公差。

圆角半径均满足筒形件圆角半径要求。

此工件的公差等级均按IT13级要求。

冲裁件的尺寸基准应尽可能和制模时的定位基准重合，以避免产生基准不重合误差。

孔位尺寸基准应尽量选择在冲裁过程中始终不参加变形的面或线上，切
第二章冲裁、拉深工艺分析
不要与参加变形的部分联系起来。

2. 主要加工表面的形位公差精度
通过分析零件图，零件的主要形位公差精度未标注，形位公差精度按一般的精度要求处理即可满足工艺要求。

3. 表面质量要求
工件未标有表面质量精度要求，按照一般要求处理即可满足工艺要求，即表面粗糙度Ra=3.2。

2.1.2工件材料分析
工件材料为08F，机械性能抗剪强度230~310MPa，抗拉强度275~380MPa，屈服强度180MPa，伸长率27~30%。

2.1.3工件结构工艺性分析
冲裁件的形状应尽可能简单、对称、避免复杂形状的曲线，在许可的情况下，把冲裁件设计成少、无废料排样的形状，以减少废料。

矩形孔两端宜用原弧连接，以利于模具加工。

冲裁件各直线或曲线的连接处，尽量避免锐角，严禁尖角。

除在少、无废料排样或采用镶拼模结构时，都应有适当的圆角相连，以利于模具制造和提高模具寿命。

工件部分要采用冲孔工序。

冲裁件的孔径受冲孔凸模强度和刚度的限制，不宜太小，否则容易折断或压弯。

如果采用带保护套的凸模，稳定性高，凸模不易折损，最小冲孔尺寸可以减小。

冲孔件上孔和孔、孔与边缘之间的距离不能过小，以避免工件变形、模壁过薄或因材料易被拉入凹模而影响模具寿命。

拉深件的形状应尽量简单对称，凸缘的外轮廓最好与拉深部分的轮廓形状相似，拉深件的圆角半径要合适，且底部孔的大小要合适，拉深件的精度要求不宜过高。

2.1.4工件工艺性分析
综上分析，工件材料为08F。

工件体积不大，厚为2mm，结构简单。

零件图上尺寸均未标注尺寸偏差，可按IT13级确定工件尺寸的公差。

结论：可以通过冲裁、拉深加工。

2.2工艺方案的确定
工艺方案的内容是确定工件的工艺路线，一般包括确定工序数、工序的组合和工序顺序的安排。

根据工件的结构形状可以确定加工的主要工序为落料、拉深、冲孔，所以还需要对工序的组合和工序顺序的安排进行设计。

2.2.1冲裁、拉深工序的组合
加工工序按工序的组合程度可分为单工序模、复合模和级进模加工。

复合模是在压力机一次行程中，在模具的同一位置同时完成两个或两个以上的工序；级进模是把一个工件的几个工序排列成一定顺序，组成级进模，在压力机的一次行程中，在模具的不同位置同时完成两个或两个以上的工序，除最初几个冲程外，每次冲程都可完成一个冲裁件。

组合方式的选择由以下几个方面来综合考虑：
1.根据生产批量
2.根据工件尺寸精度
3.根据工件尺寸、形状的适应性
4.根据模具制造、安装调整和成本
5.根据操作方便与安全
2.2.2．冲裁、拉深顺序的安排
1．级进模的顺序安排
先落料，再拉深，最后冲孔。

2．多工序工件用单工序模时的顺序安排
先落料使毛坯与条料分离，然后以外轮廓定位进行其他冲裁、拉深。

后续各
7
第二章冲裁、拉深工艺分析
工序的定位基准要一致，以避免定位误差和尺寸链换算。

3 复合模冲裁顺序安排
先落料使毛坯与条料分离，然后以外轮廓定位进行其他冲裁、拉深。

冲裁大小不同、相距较近的孔时，为减少孔的变形，应先冲大孔，后冲小孔。

2.2.3冲裁、拉深工艺方案的确定
根据以上情况可以有以下三种工艺方案：
方案一：先落料，再拉深，最后冲孔，采用单工序模生产。

单工序模结构简单，制作周期短，制作成本低廉；但生产效率低，冲出的制件精度不高，且工人劳动强度大，不适合大批量的生产。

方案二：落料、拉深、冲孔复合冲压，采用复合模生产。

复合模结构紧凑，冲出的制件精度较高，适合大批量生产，特别是孔与制件外形的同心度容易保证。

但模具结构复杂，模具制造较困难，制造成本高，制造周期长等。

方案三：落料、拉深、冲孔级进冲裁，采用级进模生产。

在一副级进模上可对形状十分复杂的冲压件进行冲裁、弯曲、拉深成形等工序，故生产率高，便于实现机械化和自动化，适于大批量生产。

由于采用条料（或带料）进行连续冲压，所以操作方便安全。

级进模的主要缺点是结构复杂，制造精度高，周期较长，成本高。

若采用方案一，需三副模具才能完成，一副落料，一副拉深，一副冲孔。

生产效率低，生产过程复杂，浪费了人力、物力、财力，从经济性的角度考虑，难以满足工件要求的大批量生产的生产要求。

若采用方案二，只需一副模具即可成型。

根据复合模的特点，制件的精度和批量都能满足。

若采用方案三，只需一副模具即可成型，能满足生产所需的精度和批量，操作安全方便，且生产效率高。

综上所述，采用复合模生产。

适合大批量生产，特别是孔与制件外形的同心度容易保证。

9
第三章 排样图设计
冲裁件在板、条等材料上的布置方法称为排样。

排样的合理与否，影响到材料的经济利用率，还会影响到模具结构、生产率、制件质量、生产操作方便与安全等。

3.1材料利用率
冲压件大批量生产成本中，毛坯材料费用占60%以上，排样的目的就在于合理利用原材料。

衡量排样经济性、合理性的指标就是材料的利用率。

其计算公式如下：
一个步距内的材料利用率η为： 100%nA Bh
η=⨯ 式中 A ——冲裁件面积（包括冲出的小孔在内）（mm 2）；
n ——一个步距内的冲件数目；
B ——条料宽度（mm ）；
h ——进距（mm ）。

一张板料上总的材料利用率η∑为：
式中 N ——一张板料上冲件的总数目；
L ——板料长度（mm ）。

要提高材料的利用率，就必须减少废料面积，冲裁过程中所产生的废料可分为两种情况：
1.结构废料 由于工件结构形状的需要，如工件内孔的存在而产生的废料，称为结构废料，它决定于工件的形状，一般不能改变。

2.工艺废料 工件之间和工件与条料边缘之间存在的搭边，定位需要切去的料边与定位孔，不可避免的料头和料尾废料，称为工艺废料，它决定于冲压方式和排样方式，是可以改变的，我们提高材料的利用率，主要就是减少工艺废料，优化排样方式。

第三章排样图设计
3.2 排样方法
根据材料的利用情况，排样的方法分三种：
1．有废料排样
沿工件的全部外形冲裁工件与工件之间，工件与条料侧边之间都有工艺余料（搭边）存在，冲裁后搭边成为废料，如下图3-1 a）所示。

2．少废料排样
沿工件的部分外形轮廓切断或冲裁，只在工件之间或是工件与条料侧边之间有搭边存在，如下图3-1 b）所示。

3．无废料排样
工件与工件之间，工件与条料侧边之间均无搭边存在，条料沿直线或曲线切断而得到工件。

如下图3-1 c）所示。

图3-1 排样方法
a)有废料排样 b)少废料排样 c）无废料排样
有废料排样法的材料利用率较低，但制件的质量和冲模寿命较高，常用于工件形状复杂、尺寸精度要求较高的排样。

少、无废料排样法的材料利用率较高，同时，少、无废料排样法有利于一次冲裁多个工件，可以提高生产率。

由于这两种排样法冲切周边减少，所以还可以简化模具结构，降低冲裁力。

但它们的应用范围有一定局限性，受工件形状的限制，且由于条料本身的宽度公差，条料导向与定位所产生的误差，会直接影响工件尺寸而使工件精度降低。

同时也会降低冲模的寿命，并会影响到工件的断面质量，所以少、无废料排样常用于精度要求不高的工件排样。

本工件落料形状为圆形，故采用有废料排样方法[17]。

3.3搭边值的选用和条料的选用及步距的确定
3.3.1 搭边值的选用
搭边的作用是补偿定位误差，防止由于条料的宽度误差、送料步距误差、送料歪斜误差等原因而冲裁出残缺的废品。

此外，还应保持条料有一定的强度和刚度，保证送料的顺利进行，从而提高制件质量，使凸、凹模刃口沿整个封闭轮廓线冲裁，使受力平衡，提高模具寿命和工件断面质量。

另外，还可以防止冲裁时条料边缘的毛刺拉入模具中损坏模具。

搭边值要合理确定。

过大，材料利用率低；过小，材料利用率高，但是过小时不能发挥搭边的作用，在冲裁过程中会被拉断，造成送料困难，使工件产生毛刺，有时还会被拉入凸模和凹模之间，损坏模具刃口，降低模具寿命。

影响搭边值大小的因素主要有：
1．材料的力学性能塑性好的材料，搭边值要大些，硬度高与强度大的材料，搭边值可小一些。

2．材料的厚度材料越厚，搭边值也越大。

3．工件的形状和尺寸工件外形越复杂，圆角半径越小，搭边值越大。

4．排样的形式对排的搭边值大于直排的搭边。

5．送料及档料方式用手工送料，有侧压板导向的搭边值可小一些。

综合上面各种因素，查[17]表2-7得：
工件与条料侧边之间的搭边值a=1.5mm。

工件与工件之间的搭边值b=1.2mm。

3.3.2 毛坯尺寸计算
要确定排样图，必须先计算出毛坯尺寸。

在计算拉深毛坯尺寸时，应首先确定修边余量。

（1）确定修边余量
一般在拉深成形后，工件口部或凸缘周边不齐，必须进行修边，以达到工件的要求。

因此，在按照工件图样计算毛坯尺寸时，必须加上修边余量后再进行计算。

修边余量可参考[16]中表4-2。

查表得修边余量⊿h=4.3mm。

（2）毛坯尺寸的计算
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第三章排样图设计
如图将工件分割为若干简单的几何形状，参考[16]表4-3，分别求出各部分的面积并相加，即得工件面积为：
A=a1+a2+a3+a4+a5=∑a
=π/4×(109.6²－88²)+π/2×4×(π×88－4
×4)+π×80×28
+π/2×4×(π×68+4×4)+π×68²÷4
≈16740.00mm
毛坯面积为：
A0=π/4×D²
按照拉深前后毛坯与工件表面积相等的原则，故A=A0。

图 3-2
毛坯直径为D≈146.0mm
3.3.3 条料宽度的确定
条料方案的确定原则是：最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值，最大条料宽度要能在冲裁时顺利地在导料板之间送进，并与导料板之间有一定间隙。

工件条料是在无侧压装置的导料板之间送料时，条料宽度用以下公式计算：
B = D + 2a
式中B——条料标称宽度（mm）；
D——工件垂直于送料方向的最大尺寸（mm）；
a——侧搭边值（mm）。

由此，有：B = 146 + 1.5 + 1.5 =149
则条料宽度为149mm。

3.4 排样图确定
综上所述，工件排样方案如下图：
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图3-3
第四章 压力部分的计算与压力机的选取
4.1冲压力的计算
计算冲压力的目的是为了合理地选择压力机和设计模具，压力机的吨位必须大于所计算的冲压力，以适应冲裁、拉深的要求。

4.1.1 冲裁力计算
冲裁力的大小主要与材料力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度有关。

冲裁力F(N)的计算可用下式
F KLt τ=或b F Lt σ= （4-1） 式中 L ——冲裁件周边长度（mm ）；
t ——材料厚度（mm ）；
τ——材料抗剪强度（MPa ），可取τ=0.8b σ；
K ——系数。

考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素，一般取K =1.3。

b σ——材料的抗拉强度（MPa ），一般情况下，材料的 1.3b στ=。

由于冲裁中材料的弹性变形及摩擦的存在，冲裁完成，在板材上冲裁出的废。