宽凸缘拉深件模具设计标准.docx

钣金成型课程设计说明书

宽凸缘拉深件模具设计（一）

院系 航空航天工程学部（院）
专业 飞行器制造工程
班号 0403102
学号 2010040301056
姓名 韩开丞
指导教师 刘占军

沈阳航空航天大学

2013年11月

摘 要

随着国防工业的大力发展，对机械模具的要求越来越高，对工件工序安排、材料选取与、工艺设计和设备制备等环节都提出了更高的要求。
本课程设计的题目为宽凸缘拉伸件成型，在设计中，先分析了20号钢的工艺特点，接着对成型件进行了工序方案的确定（工序有落料和三次拉深）。然后确定了模具种类，并设计出了每道工序的加工尺寸。
根据加工工序尺寸和相应标准，设计出了每道工序的各个模具零件的尺寸。重点对落料和首次拉深的复合模进行了设计，该模具采用先落料再拉深；文中分别对其进行了刃口尺寸计算、冲压力计算、压力机选取、毛坯值计算、压边圈设计和凸凹模等一系列零件设计。
还用计算机软件绘制了一些列图纸，用到了CATIA、AUTOCAD绘图软件；最后生成了复合模具的装配图、零件图数张，供参考。

关键词 落料拉深 尺寸计算 凸凹模 装配图

目 录

第1章 冲压工艺性及方案设计……………………………………1
1.1冲压件工艺分析………………………………………………………1 1.2预定工艺方案…………………………………………………………1
1.2.1工艺方案分析………………………………………………1
第2章 主要工艺计算过程………………………………………………2
2.1确定修边余量………………………………………………………2
2.2计算毛坯直径D………………………………………………………2
2.3确定拉深次数…………………………………………………………2
2.4拉深工序圆角半径的确定……………………………………………4
2.5毛坯直径修正…………………………………………………………4
2.6计算以后各次拉深高度………………………………………………5
2.7落料件工序尺寸………………………………………………………6
2.8各工序的工件相关尺寸………………………………………………6
2.9绘制工序图 ……………………………………………………………7
第3章 冲压力计算………………………………………………………11
3.1落料成型时冲裁力计算………………………………………………11
3.2压边力计算……………………………………………………………11
3.3拉深力计算……………………………………………………………12
第4章 压力机选择…………………………………………………………13
第5章 模具刃口尺寸……………………………………………………14
5.1凸、凹模间隙设计………………………………………………………14
5.1.1落料成型凸、凹模间隙计算…………………………………14
5.1.2拉深成型凸、凹模间隙计算…………………………………14
5.2凸、凹模刃口尺寸和公差的确定………………………………………14
5.2.1落料凸、凹模刃口尺寸计算…………………………………14
5.2.2拉深刃口尺寸计算……………………………………………15 5.3各工序的模具刃口尺寸汇总如下………………………………………17
第6章 板料毛坯值计算……………………………………………………18
第7章 凸、凹模的材料及工艺性能选择…………………………………19
7.1复合模具凸凹模……………………………………………19
7.2第一次拉深…………………………………………………19
7.3第二次拉深…………………………………………………19
7.4第三次拉深…………………………………………………19
第8章 压边圈设计…………………………………………………………20
8.1首次拉深压边圈设计……………………………………………………20
8.2第二次拉深压边圈设计…………………………………………………20
8.3第三次拉深压边圈设计…………………………………………………20
第9章 上下模座的设计……………………………………………………21
9.1上模座的设计……………………………………………………21
9.2下模座的设计……………………………………………………21
第10章 模具其他结构图………………………………………………23
10.1模柄结构图……………………………………………………23
10.2凸凹模结构图……………………………………………………23
10.3凸模固定板结构图………………………………………………25
10.4导柱、导套结构图…………………………………………………25
10.5定位板结构图……………………………………………………27
10.6卸料板结构图………………………………………………28
10.7首次拉深凸模机构图…………………………………………29
10.8推件块机构图………………………………………………30
第11章 模具参数汇总……………………………………………32
第12章 模具装配图…………………………………………………33
12.1落料拉深复合模具装配图………………………………………33
12.2再次正拉深模具装配图…………………………………………34
第13章 总结……………………………………………………………36
参考文献………………………………………………………………37

第1章 冲压工艺性及方案设计
1.1冲压件工艺分析
（1）材料：该拉深件的材料20钢是碳素工具钢，具有较好的韧性、塑性和可拉深性能。
（2）零件结构：该制件为宽凸缘圆桶形拉深件，故对毛坯的计算要参照冲压手册确定合理的修边余量。
（3）单边间隙、拉深凸凹模及拉深高度的确定应符合制件要求。
（4）凹凸模的设计应保证各工序间动作稳定。
（5）尺寸精度：根据要求，零件图上所有未注公差的尺寸按IT14级确定工件尺寸的公差。
查公差表可得工件基本尺寸公差为：
，，，，
1.2预定工艺方案
1.2.1工艺方案分析
该工件包括 落料、拉深 两个基本工序，经分析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。
第2章 主要设计计算
2.1确定修边余量
该件d凸=60mm，d凸/d=60/39=1.53,查《简明冲压工艺与模具设计手册》表7-3
可得
则可得拉深最大直径dt
dt=d凸+2 式2-1
=60+2*3.0=66.0mm
故实际外径为66.0mm
2.2计算毛坯直径D
由《冲压手册》机械工业出版社中，毛坯计算公式表4-7序号20可计算出毛坯的直径
式2-2

107mm
2.3确定拉深次数
首先判断能否一次拉深成型
h/d=50/39=1.28 t/D=1/107 *100%=0.93%
dt/d=66.0/39=1.69 m=d/D=39/107=0.36
据《冲压手册》第二版表4-20可查出=0.37-0.44，而=1.28>0.44，故一次不能拉出来，需要多次拉深。
计算拉深次数及各次拉深直径。用逼近法确定第一次拉深直径（以表格形式列出有关数据，便于比较）。
表2.1第一次拉深值数据
相对凸缘直径假定值

毛坯相对厚度

第一次拉深直径

实际拉深系数

极限拉深系数[]
由表4-21得
拉深系数相差值

1.05
0.93
66/1.05=63.9
0.59
0.55
+0.04
1.10
0.93
66/1.10=60
0.56
0.55
+0.01
1.15
0.93
66/1.15=57.4
0.54
0.53
+0.01
1.16
0.93
66/1.16=56.8
0.532
0.53
+0.002
1.20
0.93
66/1.2=55
0.51
0.53
-0.02
1.30
0.93
66/1.3=50
0.47
0.53
-0.05
1.40
0.93
66/1.4=47
0.43
0.50
-0.07
1.50
0.93
66/1.5=44
0.41
0.50
-0.09
1.60
0.93
66/1.6=41.25
0.39
0.47
-0.12
有以上数据和实际情况综合考虑，应选取实际拉深系数稍大于极限拉深系数者，故暂定第一次拉深直径=57mm。再确定以后各次拉深直径。
由《冲压手册》第二版表4-15查得：
，mm
，mm
，mm
从上述数据看出，各次拉深变形程度分配不合理，现调整如下：
表2.2拉深数据调整
极限拉深系数[]
实际拉深系数
各次拉深直径
拉深系数差值

=0.53
=0.5327
=57
+0.0027
=0.77
=0.8070
=46
+0.0370
=0.79
=0.8478
=39
+0.0578
=0.81
=
=

各次的颇接近，故知变形程度分配合理。
故采用三次拉深的方法来进行成型。
2.4拉深工序圆角半径的确定
加工模具以此为：拉深落料复合模，拉深模具，拉深模具，以下为刚性模具的圆角半径。
,因， 式2-3
=工件圆角半径，=工件圆角半径
则=5.4mm，=4mm，=4mm
2.5毛坯直径修正
参看《冲压手册》关于宽凸缘工序尺寸修正的第二个原则，为保证以后拉深是凸缘不参加变形，宽凸缘拉深件首次拉入凹模的材料应比零件最后拉深部分实际所需材料多百分之三至百分之五，取修正余量为百分之五。这样，毛坯直径应修正为：
式2-4
则第一次拉深高度：取 参看《冲压手册》
式2-5

校核第一次拉深相对高度
查《冲压手册》表4-20，当，时，许可最大相对高度，不满足要求，必须修正。
初取=20，验算
，满足要求。
2.6计算以后各次拉深高度
设第二次拉深时多拉入百分之三的材料（其余百分之二的材料返回到凸缘上）。为了方便计算，先求出假想的毛坯直径。取参看《冲压手册》
式2-6
故 式2-7

设第三次拉深多拉入百分之二的材料，另外百分之一的材料返回到凸缘上。则假想毛坯直径为：取 (由图纸要求而来)
式2-8
故 式2-9

由可知，满足要求。
2.7落料件工序尺寸
有以上分析可知取毛料直径，加工工序为：落料加第一次拉深，第二次拉深，第三次拉深

图2.1落料件俯视图D=110mm
查公差表可得工件基本尺寸公差为：（取IT14）

2.8各工序的工件相关尺寸
表2.3各工序尺寸汇总

毛坯（mm）
H(mm)
（mm）
拉深系数M
凸模(mm)
凹模R1(mm)
落料
D=110
0
110
0
0
0
第一次拉深
D=66
20
57
0.5327
5.4
6
第二次拉深
D=66
46.25
46
0.8070
4
4
第三次拉深
D=66
50
39
0.8478
4
4

2.9绘制工序图

图2.2落料工序

图2.3第一次拉深

图2.4第二次拉深

图2.5第三次拉深

图2.6修边

第3章 冲压力计算
3.1落料成型冲裁力计算
由《冲压工艺学》机械工业出版社，有关“冲裁力的计算方法”则有：
F=L， 式3-1
其中
L为冲裁周长（mm）, 材料的抗剪强度，t材料的厚度（mm）
考虑到模具刃口的磨损，凸、凹模间隙的波动，材料机械性能的变化，材料厚度偏差等因素，实际所需冲裁力还需增加百分之三十。
L=2π55=345.4mm ，=333MPa
故有：
F=1.3 L =1.3345.41333=149.52 KN
3.2压边力的计算
采用压边的目的是为力防止变形区板料在拉深过程中的起皱，拉深时压边力必须适当，压边力过大会引起拉伸力的增加，甚至造成制件拉裂，压边力过小则会造成制件直壁或凸缘部分起皱，所以是否采用压边装置主要取决于毛坯或拉深系数m和相对厚度t/D100%
由于t/D100%=1/110100% =0.91%
首次拉深系数=0.5327
故：查《冲压手册》表4-80知，三次拉深均需要采用压边装置。
材料第一次拉深时压边力为
=π[D02-(d1+2rd1)]p/4 式3-2
=π[1102-(57+2*4)]*2.8/4=26.45 KN
式中p为单位压边力（MPa）,20钢为极软钢，故查《冲压手册》表4-82,取p=2.8MPa
第二次拉深时压边力为
=π[d12-(d2+2rd2)]p/4 式3-3
=π[572-(46+2*4)]*2.8/4=7.02 KN
第三次拉深时压边力为
Fy3=π[d22-(d3+2rd3)]p/4 式3-4
=π[462-(39+2*4)]*2.8/4=4.55KN
3、3拉深力的计算
查的20钢的强度极限=376 MPa，m1=0.5327，m2=0.8070,m3=0.8478
查《冲压模具设计与制造技术》北京出版社，有关“有凸缘筒形件拉深力”的计算方法：
首次拉伸力： 式3-5
以后各次拉深凸缘不变，计算公式为：
式3-6
查《冲压模具设计与制造技术》表5-22，得K3=1.0，K2=0.66,
首次拉深时拉深力
=3.14*57*1*376*1.0=67296.48N
第二次拉深时拉深力
=3.14*46*1*376*0.66=35844.23 N
第三次拉深时拉深力
=3.14*39*1*376*0.66=30389.67N

第4章 压力机的选择
上套模具加工过程中，各个工序是分开进行的，各个工序所需要的压力分别为：
冲裁力=149.52 KN =175.97KN
拉深力+压边力=67296.48N+26.45 KN=93.95KN
拉深力+压边力=35844.23 N+7.02 KN=42.86KN
拉深力+压边力=30389.67N+4.55KN=39.94KN
综合以上可得所需最大的压力为：175.97KN，故取压力为250KN
采用“开式压力机”公称压力为250KN，由《冲压手册》表9-3查得。
其他参数为：
滑块行程80mm，行程次数100次每分，
发生公称压力时滑块距下死点距离6mm，
最大封闭高度280-460mm，封闭高度调节70mm，
滑块中心到床身距离190mm，
工作台尺寸560mm（左右）、360mm（前后），
工作台孔尺寸260mm(左右)、130mm（前后）、180mm（直径），
立柱间距离260mm，
活动太压力机滑块中心到床身紧固工作台平面距离180mm，
模柄孔尺寸（mm），工作台板厚度70mm，
垫板厚度50mm，
倾斜角30度
第5章 模具刃口尺寸
5.1凸、凹模间隙设计
5.1.1落料成型凸、凹模间隙计算
查《冲压工艺学》机械工业出版社，表2-3得出，20号钢的双面间隙值为：。
5.1.2拉深成型凸、凹模间隙计算
凸、凹模单边间隙值C，查《冲压手册》表4-74可有如下：
第一次拉深：
C1 =1.2t=1.2 mm 式5-1
第二次拉深：
C2=1.1t=1.1 mm 式5-2
第三次拉深：
C3=t=1.0 mm 式5-3
5.2凸、凹模刃口尺寸和公差的确定
5.2.1落料凸、凹模刃口尺寸计算
参看《冲压工艺学》机械工业出版社，有关“落料件的刃口尺寸计算”落料的尺寸由凹模刃口尺寸确定，且凹模刃口尺寸为A类尺寸（即在加工中，凹模的尺寸会越变越大）。
由公式可计算得：
式5-4
该零件的凸模刃口尺寸按上述凹模刃口尺寸进行配制，可算得凸模的尺寸为：
式5-5

5.2.2拉深刃口尺寸计算
由《冲压手册》机械工业出版社，有关“拉深模工作尺寸计算”，凸、凹模的尺寸计算公式为（要求工件外形尺寸）：
式5-6
其中D为工件的外形基本尺寸，为 凹模的制造公差，为凸模的制造公差，为工件的公差，c为凸、凹模的单边间隙。
第一次拉深：
第一次拉深后，工件的基本尺寸为 ：
查《冲压手册》表4-76(凸、凹模的制造公差)分别查得：δ凹=0.08 ，δ凸=0.05 。
式5-7
式5-8
第二次拉深：
第二次拉深后，工件的基本尺寸为：
查表4-76得凸、凹的制造公差为: δ凹=0.07mm，δ凸=0.04mm
式5-9

式5-10

第三次拉深：
第三次拉深后，工件的基本尺寸为：
查表得凸凹的制造公差为: δ凹=0.07mm ，δ凸=0.04mm
式5-11

式5-12

5.3各工序的模具刃口尺寸汇总
表5.1各工序的模具刃口尺寸汇总

凹模尺寸
（mm）
凸模尺寸
(mm)
单边间隙C（mm）
凸模圆角R(mm)
凹模圆角R(mm)
落料

/
/
第一次拉深

1.2
5.4
6
第二次拉深

1.1
4
4
第三次拉深

1.0
4
4

第6章 板料毛坯值计算
工件毛坯件为圆形件，根据《冲压工艺学》有关“毛坯搭边值的计算”，可计算得：
板料为矩形板料，样件为圆形结构 ，T=1mm，查得相应的参数：工件间a1=0.8，沿边a=1.0
算得板料的宽度为：
B=110mm+2*a=110+2*1.0=112mm， 式6-1
根据模具结构的需要，方便卸料，取板料宽度B=120mm，
采用固定挡料销基本尺寸为6mm，由《模具标准应用手册》表2-64而查得。

第7章 凸、凹模的材料及工艺性能选择
7.1复合模具凸凹模
参考《模具结构图汇编》中国模具工业协会经济技术咨询部，第284页，有关落料拉深复合模具的设计，材料用T10A，热处理58~62HRC，采用车床加工，根据其经验值取落料凸模高度为H=80mm。
7.2第一次拉深凸模
拉深凸模采用台阶式，材料用T10A，热处理58~62HRC，也是采用车床加工,与凸模固定板的配合按H7/m6的配合，根据经验值取厚度为L=20+25+20=65mm。
7.3第二次拉深凸、凹模
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。
7.4第三次拉深凸、凹模
（1）凸模
采用车床加工，与凸模固定板的配合按H7/m6。凸模长度
L=H1+H2+Y 式7-1
式中 H1——凸模固定板厚度H2——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50mm，
因此凸模长度L=48+60+50=158mm。
（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×50mm。
第8章 压边圈的设计
8.1首次拉深压边圈设计
为了防止拉深过程中起皱，生产中主要采用压边圈，查《冲压手册》知，三次拉深均需要采用压边装置。压边圈采用45钢制造，热处理硬度为42～45HRC。
首次拉深的压边圈零件图为：

图8.1压边圈零件图
8.2第二次拉深压边圈设计
压边圈结构与尺寸由标准中选取，压边圈圆角半径rY应比上次拉深凸模的相应圆角半径大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.其结构如下图详见冲压手册。
8.3第三次拉深压边圈设计
压边圈结构与尺寸由标准中选取，压边圈圆角半径rY应比上次拉深凸模的相应圆角半径大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，结构图可以参考冲压手册。

第9章 上下模座的设计
9.1上模座的设计
选取上模座为“后侧导柱上模座”根据《冲压工艺学》有关模具尺寸的设计查表8-3，取得K=0.2算得凹模周界
L=(110*O.2*2)*2+110=198mm, 式9-1
查表可知因选取200*200*200,H=45mm，查出一系列数据，上模座的结构图为：

图9.1上模座结构图
9.2下模座的设计
根据上模座的尺寸可得出下模座的尺寸，其尺寸为：200*200*200，H=45mm其结构图为：

图9.2下模座结构图

第10章 模具其他结构图
10.1模柄结构图
参考冷冲模有关结构的设计标准，可得出模具其他结构的尺寸。模柄选取“槽型模柄”，根据资料，查得相应的参数，结构图为：

图10.1模柄结构图
10.2凸凹模结构图
参考冷冲模有关结构的设计标准，可得出模具其他结构的尺寸，其凸凹模的结构为：

图10.2凸凹模结构图
图10.3凸凹模的零件图

（3）压边圈的设计
参考《模具结构图汇编》中国模具工业协会技术咨询部，第284页，相关落料拉深复合模具的结构图纸。结合经验值，取压边圈高度为20mm。
根据落料模具的凹模结构可得到压边圈的直径
10.3凸模固定板结构图

图10.4凸模固定板结构图
10.4导柱、导套结构图
导套与上模座为过盈配合，查得标准，选取以下导套：

图10.5导套结构图
导柱与下模座为过盈配合，选取以下导柱，导柱与导套之间采用间隙配合，中间凸模润滑油，

图10.6导柱结构图
10.5定位板结构图
定位板为自行设计结构，其结构图为：

图10.7导套结构图
10.6卸料板结构图
复合模的卸料版为两块固定卸料板，分别安放在模具的两侧，中间为凸凹模，从装配图的左视图中可以看出。（如下图）
：

图10.8装配图的左视图

图10.9卸料板结构图：
10.7首次拉深凸模机构图
根据以上计算过程得出相关尺寸，其凸模示意图为：

图10.10首次拉深凸模机构图
10.8推件块机构图
推件块与凸凹模之间为间隙配合，上部用螺纹与打杆相连接，其结构图为：

图10.11推件块机构图

第11章 模具参数汇总
经过计算，汇总模具各零件的尺寸参数如下表
表11.1参数汇总
名称
数量
尺寸
凸凹模
1
见凹模零件图纸
落料凹模
1
见凹模零件图纸
拉深凸模
1

推件块
1

打杆
1

压边圈
1

上模座
1
200*200*45
下模座
1
200*200*50
模柄
1

卸料版
2
43*20*200
导柱
2

导套
2

圆柱弹簧
2
（中径）
托杆
2

第12章 模具装配图绘制过程
根据以上计算所得参数，用CATIA建立各零件的三维模型，运用装配设计和工程图将三维图纸转换成二维图纸，后用AUTOCAD对之进行修改即可生成二维图纸。
12.1落料拉深复合模具装配图

图12.1正视图

图12.2俯视图
12.2再次正拉深模具装配图
此课程设计主要做落料与首次拉深复合模具的设计，再次拉深模具的设计可以参考《模具结构图汇编》有关拉深模具的结构图纸。
其相应的零件结构可参考冷冲模的设计，现就推荐一些二次拉深模具的说明图纸，仅供参考。

图12.3拉深模具

图12.4拉深模具
第13章 总结

此次冲压模具课程设计以老师命题未注，为其两周，内容包括数据计算，课程设计说明书制作，图纸绘制以及课程设计小结。以小组为单位进行。
我们认为，在这学期的课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
而且，这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
与队友的合作更是一件快乐的事情，只有彼此都付出，彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。而团队合作也是当今社会最提倡的。 总的来说课程设计锻炼了我们的动手能力与总体规划能力，也让我们对冲压模具有了更深刻的认识，让我们在模具方面有了更大的成长，也学会了合作，学会了彼此迁就与忍让，学会了倾听，学会了正确的表达自我。记住每一次有意义的经历，我们都能成长。

参考文献
1．殷国富，solidworks2004模具设计精解.机械工业出版社，2005
2．黄鸿源，solidworks2004应用详解，人民邮电出版社，2005
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