无凸缘筒形件的拉深模具设计说明

无凸缘筒形拉深件模具设计
目录
一、概述 (3)
1. 模具概述 (3)
2. 冷冲模具工业的现状 (3)
3. 冷冲模具的发展方向 (3)
二、工艺方案分析及确定 (4)
1. 零件工艺性分析 (4)
i. 材料分析 (4)
ii. 结构分析 (4)
iii. 一次拉深成形条件 (4)
iv. 拉深件所能达到的偏差 (4)
v. 变形特点的分析 (5)
2. 工艺方法的确定 (5)
三、零件工艺计算 (5)
1. 拉深工艺计算 (5)
i. 确定零件修边余量 (5)
ii. 确定坯料尺寸D (5)
iii. 判断是否采用压边圈 (6)
iv. 确定拉深次数 (6)
v. 确定各次拉深半成品尺寸 (6)
vi. 拉深件工序尺寸图 (6)
vii. 排样计算 (7)
2. 拉深压力计算与设备的选择 (8)
i. 首次拉深 (8)
ii. 二次拉深: (8)
iii. 压力中心的计算 (9)
iv. 压力设备的选择 (9)
3. 拉深模工作零件设计与计算 (9)
i. 凸、凹模刃口尺寸计算 (9)
ii. 落料拉深复合模其它工艺计算 (11)
四、模具结构的确定 (12)
1. 模具的形式 (12)
i. 正装式特点 (12)
ii. 倒装式特点 (12)
2. 定位装置 (13)
3. 卸料装置 (13)
i. 条料的卸除 (13)
ii. 出件装置 (13)
4. 导向零件 (13)
5. 模架 (13)
i. 标准模架的选用 (13)
五、第二次拉深凹模零件图 (15)
i. 拉深凹模如图5-1所示 (15)
六、第二次拉深凸模零件图 (15)
ii. 拉深凸模如图5-2所示 (15)
七、模具的工作原理 (15)
1. 拉深的变形过程 (15)
2. 各种拉深现象 (16)
i. 起皱： (16)
ii. 变形的不均匀: (16)
iii. 材料硬化不均匀 (16)
八、总结 (17)
九、参考文献 (18)
一、概述
1.模具概述
模具是高新技术产业的一个组成部分，是工业生产的重要基础装备．用模具生产的产品，其价值往往是模具价值的几十倍。

模具技术是一门技术综合性强的精密基础工艺装备技术，涉及新技术、新工艺、新材料、新设备的开发与推广应用．是冶金、材料、计量、机电一体化、计算机等多门学科以及铸、锻、热处理、机加工、检测等诸多工种共同打造的系统工程。

用模具生产制品具有高效率、低消耗、高一致性、高精度和高复杂程度等特点，这是其他任何加工制造方法所不及的。

目前，模具制造业已成为与高新技术产业互为依托的产业，模具工业技术水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。

2.冷冲模具工业的现状
到了21世纪．随着计算机软件的发展和进步．CAD／CAE／CAM技术日臻成熟，其现代模具中的应用越来越广泛。

目前我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国民经济需求和世界先进水平相比，仍具有较大的差异，一些大型、精密、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具。

目前仍主要依靠进口。

而一些低档次的简单冲模，则已供．过于求，市场竞争非常激烈。

3.冷冲模具的发展方向
发展模具工业的关键是制造模具的技术、相关人才以及模具材料。

模具技术的发展是模具工业发展最关键的—个因素，其发展方向应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、质量好”和“价格低”的要求服务。

为此，急需发展如下：1．全面推广模具CAD／CAM／CAE技术：：随着微机软件发展和进步，普及CAD ／CAM／CAE技术的条件已基本成熟，各企业需要加大CAD／CAM技术培训和技术服务的力度，同时进一步扩大CAE技术的应用围。

2．模具扫描及数字化系统：高速扫描机和模具扫描系统具备从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，这样可以大大缩短模具研制制造周期。

3．电火花加工：电火花加工(EDM)虽然已受到高速铣削的严峻挑战，但其固有特性和独特的加工方法是高速铣削所不能完全替代的。

4．优质材料及先进表面处理技术：选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。

5．模具研磨抛光将自动化、智能化：模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，研究自动化、智能化的研磨与抛光方法替代
现有手工操作，提高模具表面质量是重要的发展趋势。

二、工艺方案分析及确定
1.零件工艺性分析
如图2-1所示拉深零件，材料为08F，厚度为1mm。

其工艺性分析容如下：
图2-1 筒形件拉深零件图
i.材料分析
此拉深模选用材料为08F
08F是极软的低碳钢，强度、硬度很低，而塑性、韧性极高，具有良好的冷变形性和焊接性，正火后切削加工性尚可，退火后导磁率较高，剩磁较少，但淬透性、淬硬性极低。

因此，此材料具有良好的拉深成形性能。

ii.结构分析
零件为一无凸缘筒形件，结构简单，底部圆角半径为R3，满足筒形拉深件底部圆角半径大于一倍料厚的要求，因此，零件具有良好的结构工艺性。

iii.一次拉深成形条件
∵圆筒形拉深件一次成型条件为：H≤(0.5~0.7d)
拉深件高度H=29mm ;拉深件中径d=30+1=31mm
（0.5~0.7）d=(0.5~0.7)*31=15~21mm<H
该筒形件不能一次拉深成形
iv.拉深件所能达到的偏差
a)直径偏差
查文献[2]表4.4得此零件所能达到的直径偏差是0.25，因此∅300+0.52满足条件。

b)高度偏差
查文献[2]表4.5得此零件所能达到的高度偏差是0.06，因此290.06满足条件。

v. 变形特点的分析
1）拉深时的变形区在毛坯的凸缘部分，其它部分为传力区，不参与主要变形；
2）毛坯变形区在切向压应力和径向拉应力作用下，产生切向压缩和径向拉长变形；
3）极限变形参数主要受到毛坯传力区承载能力的限制。

2. 工艺方法的确定
由上面分析可知，为了保证工件的性能，该工件不能一次拉深到位，至少需经过两次拉深。

而完成该工件需经过落料、拉深工序。

综合实际情况，可有以下3种方案（如表格2-1所示）供选择：
表2-1
根据本零件的设计要求以及各方案的特点，决定采用第2种方案比较合理。

三、零件工艺计算
1. 拉深工艺计算
零件的材料厚度为1mm ，以下所有的计算以中线为准。

i. 确定零件修边余量
零件的相对高度92.01
305.029≈+-=d h ，由文献[1]表6-2查得修边余量mm 5.2=δ，故修正后拉深件的总高应为mm 315.25.28=+。

ii. 确定坯料尺寸D
由公式D =√∅2+4∅∅−1.72∅∅−0.56∅2
计算出D
其中:d=31mm ，h=28.5mm ，r=3.5mm
则：D=68mm
iii. 判断是否采用压边圈 零件的相对厚度%47.1%10068
1%100=⨯=⨯D t ，由文献[2]表4-11知：该拉深工艺须可用可不用压边圈，为保险起见，第一次拉深采用压边圈。

iv. 确定拉深次数
先判断能否一次拉出
456.06831零件的总拉深系数总≈==D d m
由文献[1]表6-8， 5.0取1=m ，75.0=n m ，
由此可知：5.0456.01总=<=m m ,故判断不能一次拉深成形。

故可根据公式n n m D m d n lg )
lg(lg 11-+=求得316.1≈n 取较大整数：2=n
v. 确定各次拉深半成品尺寸 1）调整各次拉深系数，使各次拉深后系数均大于文献[1]表6-6、6-7查得
的相应极限拉深系数。

调整后，实际选取56.01=m ，81.02=m 。

所以各次拉深的直径确定为：
mm 38mm 6856.011=⨯==D m d
mm 31mm 3881.0122=⨯==d m d
2）各次半成品的高度计算：取各次的r 凹分别为：
由公式∅凹1=0.8√(D −∅1)∅,∅凸=(0.7~1)∅凹,
计算得：r 凹1=4.4mm,r 凸1=3.08~4.4mm ，取r 1=4mm ，r 2=3.5mm
则由公式可计算出各次h ：
∅1=0.25(∅2∅1−∅1)+0.43∅1∅1
(∅1+0.32∅1) ∅2=0.25(∅2∅2−∅2)+0.43∅2∅2
(∅2+0.32∅2) 将所有已知数据带入可求得:h 1=23.2mm, h 2=31.1mm.
vi. 拉深件工序尺寸图
根据前面分析计算，可知本零件须两次拉深，各工序尺寸如图3－1所示
图3－1各工序尺寸图
vii. 排样计算
零件采用单直排排样方式，查文献[1]表3-10得零件间的搭边值a=0.8mm ，零件与条料侧边之间的搭边值a 1=1.0mm ，若模具采用无侧压装置的导料板结构，则
条料上零件的步距S=D+a=68+0.8=68.8mm ，由文献[1]式3-26可知条料的宽度应为
B =(∅+2∅1+2∆+∅0)−∆ 0=(68+2×1+2×0.5+0.5)−0.5 0=71.5−0.05 0mm
其中，b 0=0.5由文献[1]表3-12查得。

故一个步距的材料利用率1η为：
1η=A/BS ⨯10000=(D/2)2/BS ⨯10000
=π(68/2)2 /(71.5×68.8)×100%=73.8%
零件的排样图如图3-2所示：
图3-2 排样图
2. 拉深压力计算与设备的选择
i. 首次拉深 模具为落料拉深复合模，动作顺序是先落料后拉深，现分别计算落料力
落F 拉深力拉F 和压边力压F 。

∅落=∅∅∅τ,=295mPa,
则F 落=1.3*3.14*68*1*295=81884.92N=81.88kN
P 卸=K 卸F 落
式中K 卸—卸料系数，查参考文献
[1]表3-8知k 卸=0.025～0.06，取K 卸=0.04，
所以P 卸=0.04*81,88=3.28kN ∅拉=∅∅1∅∅∅∅1,
b =295mPa ，d 1=38mm, 由文献[1]表6-11查取
K 1=0.965 则：∅拉=∅×38×1×295×0.965=33967.42N =33.97kN
∅压=∅4[∅2−(∅1+2r 1)2]∅,其中r 1=4∅∅,由文献
[1]表6-13查P=2.75mPa 则：F 压=∅4[682−(38+2×4)2]×2.75=5416.89∅=5.42kN
F 拉+∅压=33.97+5.42=39.39kN <∅落,所以，应按照落料力的大小选用设备。

∅公称压力>(1.6~1.8)∅=131~147kN , 故F 公称压力至少要131~147kN
为方便取件，工作行程s ≥2.5∅工件=2.5×23=57.5mm 。

初选设备J23-25。

ii. 二次拉深:
∅拉=∅∅2∅∅∅∅2,b =295mPa ，d 2=31mm, 由文献[1]表6-11查取K 2=0.78 则：∅拉=∅×31×1×295×0.78=22397.93N =22.40kN
∅公称压力>(1.6~1.8)∅=35.84~40.32kN , 故F 公称压力至少要131~147kN
为方便取件，工作行程s ≥2.5∅工件=2.5×31=77.5mm 。

初选设备JA21-35。

iii.压力中心的计算
图3-3 压力中心图
由于是圆形工件，如图3-3所示，所以工件的压力中心应为圆心即O(34,34)
iv.压力设备的选择
1) 落料拉深复合模设备的选用
根据以上计算，同时考虑拉深件的高度选取开式可倾压力机J23-25，
其主要技术参数为：
公称压力：250KN
滑块行程：65mm 滑块行程次数：105次/min
最大装模高度：220mm 最大闭合高度：270mm
连杆调节长度：55mm 工作台尺寸：370560mm
模柄孔尺寸：4060 mm 垫板厚度：50mm
2) 第二次拉深模设备的选用
考虑零件的高度，选取开式固定式压力机JA23-80，以保证拉深的顺利操作，其主要技术参数如下：
公称压力：350KN 最大闭合高度：280mm
滑块行程：130mm 滑块行程次数：50次/min
工作台尺寸：380610mm 模柄孔尺寸：5070 mm
3.拉深模工作零件设计与计算
i.凸、凹模刃口尺寸计算
a)首次拉深凸、凹模尺寸的刃口尺寸计算
由上边计算可知：第一次拉深件后零件直径为38mm，查文献[3]4-12由公式
Z
=1.1t确定拉深凸、凹模间隙值Z，所以间隙Z=2×1.1×1=2,2mm，则
2
由于工件要求形尺寸，则以凸模为设计基准。

拉深凸模直径：
d ∅=(∅∅∅∅+0.4∆)−∅∅ 0=36.3−0.020∅∅
拉深凸模刃口尺寸如图3-5所示
图3-5 拉深凸模刃口尺寸图
拉深凹模直径：
D 凹=(∅∅+∅)0+∅凸=（36.3+2.2）0+0.03
拉深凹模刃口尺寸如图3-4所示
图3-4 凸凹模刃口尺寸图 以上凹、p 查文献[1]表3-6得知，凹=+0.03，p =-0.02
b) 二次拉深凸、凹模尺寸刃口尺寸计算
由文献[3]表4-12查取Z/2=1.05t=1.05mm,则2Z=2.1mm
由于工件要求形尺寸，则以凸模为设计基准。

拉深凸模直径： d ∅=(∅∅∅∅+0.4∆)−∅∅ 0=（30+0.4×0.52）−0.03 0=30.2−0.030∅∅
拉深凸模刃口尺寸如图3-7所示
图3-7 拉深凸模刃口尺寸图拉深凹模直径
D 凸=(d∅∅∅+0.4∆+Z)
+∅
凸=(30.2+0.4×0.52+2.1)
−0.05
0=32.20+0.05∅∅
拉深凹模刃口尺寸如图3-6所示
图3-6拉深凹模刃口尺寸图
ii.落料拉深复合模其它工艺计算
根据零件形状特点，刃口尺寸计算采用配作加工法。

落料尺寸为φ680.2mm，落料凹模刃口尺寸计算如下：
由文献[1]
表3-3查取该零件冲裁凸、凹模最小间隙Z
min
=0.10mm，最大间隙
Z
max
=0.14mm，表3-5查得磨损系数x=0.5，以凹模为基准，则：落料凹模直径
D 凹=(D∅∅∅−x∆)
+
∆
4=（68.02−0.5×0.4）
+0.44
=680+0.1mm
拉深凹模刃口尺寸如图3-10所示：
图3-10拉深凹模刃口尺寸图
=68mm
落料凸模直径d
凸
落料凸模刃口尺寸如图3-11所示：
图3-11 拉深凸模刃口尺寸图
四、模具结构的确定
1.模具的形式
本产品冲孔落料采用正装式复合模进行冲裁，拉深则采用倒装式拉深模具成形。

i.正装式特点
冲出的工件表面比较平直为后续加工提供条件。

ii.倒装式特点
操作方便，应用很广，但工件表面平直度较差，凸凹模承受的力较大，因此凸凹模的壁厚应严格控制，以免强度不足。

经分析，此工件，若采用正装式复合模，操作很不方便；另外，此工件无较高的平直度要求，工件精度要求也较低，所以从操作方便、模具制造简单等方面考虑，决定二次拉深采用倒装式复合模，首次拉深用正装。

2.定位装置
首次拉深采用固定式挡料销纵向定位，安装在凹模上，工作很方便。

3.卸料装置
i.条料的卸除
采用弹性卸料板。

因为是正装式复合模，所以卸料板安装在上模。

ii.出件装置
本模具采用打料装置将工件从落料凹模中推下，落在模具工作表面上。

4.导向零件
导向零件有许多种，如用导板导向，则在模具上安装不便而且阻挡操作者视线，所以不采用；若用滚珠式导柱导套进行导向，虽然导向精度高、寿命长，但结构比较复杂，所以也不采用；针对本次加工的产品的精度要求不高，采用滑动式导柱导套极限导向即可。

而且模具在压力机上的安装比较简单，操作又方便，还可降低成本。

5.模架
若采用中间导柱模架，则导柱对称分布，受力平衡，滑动平稳，拔模方便，但只能一个方向送料。

若采用对焦导柱模架，则受力平衡，滑动平稳，可纵向或横向送料。

若采用后侧导柱模架，则可三方向送料，操作者视线不被阻挡，结构比较紧凑，但模具受力不平衡，滑动不平稳。

本设计决定采用后侧导柱模架。

i.标准模架的选用
1）落料拉深复合模零部件设计
标准模架的选用依据为凹模的外形尺寸，所以应首先计算凹模周界的大小。

根据凹模高度和壁厚的计算公式得
凹模高度H=Kb=0.35*32=11.2mm，凹模壁厚C=（1.2-2）H=1.6×11.2=18mm 所以，凹模的外径为D=(32+2×18)=68mm。

以上计算仅为参考值，由于本套模具为落料拉深复合模，所以凹模高度受拉
深件高度的影响必然会有所增加，其具体高度将在绘制装配图时确定。

另外，为了保证凹模有足够的强度，将其外径增大到70mm。

模具采用后置导柱模架，根据以上计算结果，查文献[2]表15.2得模架规格为：
上模座：286mm×190mm×40mm，
下模座：286mm×190mm×40mm，
导柱： A25mm×150mm，
导套： A25mm×95mm×38mm。

2）第二次拉深模零部件设计
标准模架的选用依据为凹模的外形尺寸，所以应首先计算凹模周界的大小。

根据凹模高度和壁厚的计算公式得
凹模高度H=Kb=0.35*32=11.2mm，凹模壁厚C=（1.2-2）H=1.6×11.2=18mm 所以，凹模的外径为D=(32+2×18)=68mm。

以上计算仅为参考值，由于本套模具为落料拉深复合模，所以凹模高度受拉深件高度的影响必然会有所增加，其具体高度将在绘制装配图时确定。

另外，为了保证凹模有足够的强度，将其外径增大到70mm。

模具采用后置导柱模架，根据以上计算结果，查文献[2]表15.2得模架规格为：
上模座：200mm×160mm×40mm，
下模座：200mm×160mm×45mm，
导柱：28mm×170mm，
导套：38mm×100mm×42mm。

五、第二次拉深凹模零件图
i.拉深凹模如图5-1所示
图5-1 拉深凹模零件图
六、第二次拉深凸模零件图
ii.拉深凸模如图5-2所示
图5-2 拉深凸模零件图
七、模具的工作原理
1.拉深的变形过程
拉深时压边圈先把中板毛坯压紧，凸模下行，强迫位于压边圈下的材料
（凸缘部分）产生塑性变形而流进凸凹模间隙形成圆筒侧壁。

拉深材料的变形主要发生在凸缘部分，拉深变形的过程实质上是凸缘处的材料在径向拉应力和切向压应力的作用下产生塑性变形，凸缘不断收缩而转化为筒壁的过程，这种变形程度在凸缘的最外缘为最大。

2.各种拉深现象
由于拉深时各部分的应力（受力情况）和变形情况不一样，使拉深工艺出现了一些特有的现象：
i.起皱：
A.拉深时凸缘部分的切向压应力大到超出材料的抗失稳能力，凸缘部分材料会失稳而发生隆起现象，这种现象称起皱.起皱首先在切向压应力最大的外边沿发生,起皱严重时会引起拉断.
B.起皱是拉深工艺产生废品的主要原因之一,正常的拉深工艺中是不答应的.常采用压力圈的压力压住凸缘部分材料来防止起皱.
C.起皱的影响因素:
a）. 相对厚度:t/D
其中t----毛坯厚度,D----毛坯直径
判定是否起皱的条件:D-d<=2Zt, d ----工件直径.
b). 拉深变形程度的大小
但是在拉深变形过程中,切向压应力及凸缘的抗失稳能力都是随着拉深进行,切向压应力是不断增大,变形区变小,厚度相对增加,变形失稳抗力增加,两种作用的相互抵消,使凸缘最易起皱的时刻发生于拉深变形的中间阶段,即凸缘宽度大约缩至一半左右时较易发生起皱现象.
ii.变形的不均匀:
拉深时材料各部分厚度都发生变化,而且变化是不均匀的. 凸缘外边沿材料厚度变化最大,拉深件成形后,拉深件的坯口材料最厚,往里逐渐减薄,而材料底部由于磨擦作用(拉深凸模与底部材料间)阻止材料的伸长变形而使底部材料变薄较小,而底部圆角部分材料拉深中始终受凸模圆角的顶力及弯曲作用,在整个拉深中一直受到拉应力作用,造成此处变薄最大。

所以拉深中厚度变薄主要集中于底部圆角部分及圆筒侧壁部分,我们把这一变薄最严重的部位称作危险断面.
拉深过程中,圆筒侧壁起到传递凸模拉力给凸缘的作用,当传力区的径向拉应力超出材料极限,便出现拉破现象.
iii.材料硬化不均匀
拉深后材料发生塑性变形,引起材料的冷作硬化.
由于各部分变形程度不一样，冷作硬化的程度亦不一样，其中口部最大，往下硬化程度降低，拉近底部时，由于切向压缩变形较小，冷作硬化最小，材料的屈服极限和强度都较低，此处最易产生拉裂现象。

八、总结
通过这次的模具课程设计，使我对于模具有了更加深入的了解，对模具的设计过程有了清晰的认识。

模具的设计过程就是一次在总结前人经验的基础上不断创新的过程。

在具体操作设计的时候，我发现有很多需要的理论、数据、参数等都是在课本上找不到的，很多情况下都只能凭借设计者自己的经验进行，由此可见实践对于我们设计人员的重要性。

并且通过具体的操作，不仅让我学到了许多新知识，还让我重新拾起了许多已经淡忘的知识，如CAD、机械制图、公差等。

具体遇到问题如下：
●压力机的选型遇到瓶颈，不知道该如何选择设备。

之后在大家的讨论下，
以及查阅文献[1]、[2]、[3]、[4]通过对公称压力以及安全工作行程等
的计算得以确定。

●选择许多标准件的时候无从着手，通过参考文献中相类似的实例加以分
析确定。

●凸模高度无法确定，最终小组决定先画装配图以确定凸模尺寸。

●画装配图时发现中间凸模留空长度过长，之后调整凹模以及凸模固定板
改善。

●对于一些标准件，例如螺钉螺栓等画法已经忘记，以及机械设计的有关
准则都已淡忘，通过网上查阅进行确定。

综上，这次的课程设计让我充分体验了团队合作的优越性和高效性，以及对于理论知识的实际应用，使得学习过的知识更加直观深刻的印在脑海里。

九、参考文献
[1]丁松聚.冷冲模设计.：机械工业，2013.
[2]赫滨海.冲压模具简明设计手册第二版.：化学工业，2009.
[3]模具实用技术丛书编委会.冲模设计应用实例.：机械工业，1999.
[4]高军，熹平，修大鹏.冲压模具标准件选用与设计指南.：化学工业，2007.
[5]周玲，冲模设计实例详解.：化学工业，2007.
[6]王立人，辉.冲压模设计指导.理工大学 2009.
[7]德群.现代模具设计方法.机械工业 2004.
[8]健，杜东福.冲压工艺及模具设计技术问答.科学技术 2005.
[9] 毛昕，黄英，肖平阳.画法几何与机械制图.第四版，：高等教育，2010.
[10] 徐学林.互换性与测量技术基础[M].：大学，2005.。