《冲压模具设计与制作》配套案例库：案例18-连接器壳冲压工艺分析与冷冲模设计.doc

案例十八 连接器壳冲压工艺分析与冷冲模设计
1.工件工艺分析及方案确定

零件图
上图为法兰产品图 t=1mm ，材料为Ocr18ni9钢，生产纲领为大量生产
2.1 工件的工艺性分析
2.1.1 材料分析
本零件材料为0cr18ni9，属于不锈钢，其具有较好的冲裁成形能力。其力学性能如下：
抗拉强度 σb (MPa)：≥520
条件屈服强度 σ0.2 (MPa)：≥205
伸长率 δ5 (%)：≥40
断面收缩率 ψ (%)：≥60
硬度 ：≤187HBS;≤90HRB;≤200HV
2.1.2 结构分析
该工件是无凸筒形轴对称缘零件，结构简单，有利于合理进行排样设计，材料利用率也高，无尖角，对冲裁加工也较为有利。该零件加工涉及落料、拉深、冲孔、翻边工序，因为圆角半径R=1，半径较小，需要进行整形工序。
2.1.3 精度分析
该工件的主要配合尺寸为Φ80、Φ40和拉深高度15，零件上未标注公差要求，对于未标注公差尺寸按IT14精度等级查补。
2.2 拉深工艺计算
零件的材料厚度为1mm，所以所有计算以中经为准。
2.2.1 毛坯尺寸计算
该零件属于无凸缘筒形回转件，根据无凸缘筒形拉深件坯料尺寸计算公式得：
D=
=
≈103
注： d=76 h=13 =1.5
2.2.2 确定零件修边余量
零件的相对高度h/d=14.5/79=0.184<0.5,查阅文献知不需要加修边余量。
2.2.3 判断是否采用压边圈
根据零件的相对厚度t/D ×100=1/103 ×100=0.97<1.5,经查需要压边圈。
2.2.4 确定拉深次数
根据冲压件相对高度h/d=0.184，查手册可知0.184远远小于一次拉深时所允许的拉深相对高度0.5—0.71，可一次拉深成形
根据工件的拉深系数d/D=79/103=0.767,查表可知0.767大于圆筒形件的极限拉深系数0.53—0.55，也可一次拉深成形。
综上所述，此零件可以经毛坯一次拉深成形，拉深高度为15。
2.3 翻边工艺分析
2.3.1 翻边工艺性分析
此工件翻边为内孔翻边，翻边高度为h=3.5>1.5t=1.5。
2.3.2 翻边预孔计算
翻边预孔直径dm=〔d+2(r+t)〕-〔(r+t/2)+2(h-r-t)〕
=42-1.5-5
=32.3mm
式中： h=4.5 r=1 t=1
2.3.3 翻边次数计算
翻边系数M=dm/40=32.3/40=0.81,相对厚度=d/t=32.3,根据《冲压工艺与模具设计》表9-1，其极限翻边系数0.57—0.61,此零件的翻边系数0.81>0.61,所以可以一次翻边成形。
2.4 工艺方案的确定
根据以上的计算可知，该工件需要经过落料、拉深、整形、冲孔、翻边工序才能加工完成。此零件为无凸缘筒形件，需要大批量生产，根据这些工序可以拟定以下几种方案：
方案一：全部采用单工序模；
方案二：采用一套落料拉深复合模，其余采用单工序模；
方案三：采用一套落料、拉深和冲孔复合模，其余采用单工序模；
方案四：采用一套落料拉深复合模，一套冲孔翻边复合模，其余用单工序模。
对于方案一，单工序模虽然优点很多，比如结构简单，制造费用低，但是最大的缺陷就是生产效率低，不适合大批量生产，因此不满足本设计的要求。
对于方案二，虽然采用了一套复合模，较方案一相比，有效的提高了生产效率，但是单工序模还是很多，制造精度和生产效率还是不太适合大批量生产。
对于方案三，生产效率较前面两种有很大提高，但是在冲完孔之后再进行整形不能精确的保证孔径的位置和尺寸，要是孔径一旦发生变化的话，将会对
翻边的高度尺寸和翻边口部的质量产生严重影响，有可能加工出来的工件完全不符合要求，因此这种工序安排不太合理。
对于方案四，无论从生产效率还是制造精度方面较前面三种相比都更合理。
综上，采用第四种方案最合适。即先落料拉深复合、再进行圆角整形、最后进行冲孔翻边复合。
2.5 零件加工工序图
零件加工工序为落料、拉深、整形、冲孔、翻边。
2.6 排样设计与材料利用率
2.6.1 排样设计
该工件的落料件为圆形，形状结构简单，故可以采用单直排的排样方式，考虑到零件精度和模具寿命等因素，选择搭边排样。
查得零件间的搭边值为a=0.8，a1=1.0。
进料步距：S=D+a1=103+0.8=103.8
条料宽度：b=D+2a=103+2=105
板料选用规格：1mm*2000mm*2000mm
2.6.2材料利用率
每张钢板裁板条数：n1=2000/105=19条 余13mm
每条裁板上的冲压件数：n2=B/S=2000/103.8=19个
每张钢板总的冲压件数：n=n1*n2=19*19=361个
材料的利用率η=（3.14*n*D*D）/（4LB）*100%
=（3.14*361*103*103）/（4*2000*2000）*100%
=75.16%
3 冲裁力及压力中心的计算
3.1 落料
3.1.1落料力
根据落料力公式：F落=kLtτ0=1.3*3.14*103*460*1 =193.40KN
式中：F落—落料力（N）
K—安全系数 取K=1.3
L—冲裁件周长（mm）
t—材料厚度（mm）
τ0—材料的抗剪强度 （460MPa）
3.1.2 卸料力
根据卸料力公式：F卸=k1*F落=0.05*193.40 =9.67KN
式中：F卸—卸料力（N）
F落—落料力（N）
K1—卸料力系数 取K1=0.05
3.2 拉深
3.2.1 拉深力
根据拉深力公式：F拉=k2*d1*t*τb=1.0*3.14*80*1*520=130.62KN
式中：F拉—拉深力（N）
K2—修正系数 取K=1.0
d1—拉深工序件直径（mm）
t—材料厚度（mm）
τb—材料的抗拉强度 （520MPa）
3.2.2 顶件力
根据顶件力公式：F顶=k2*F拉=0.1*130.62=13.06KN
式中：F顶—顶件力（N）
F拉—拉深力（N）
K2—顶件力系数 取K1=0.1
3.2.3 压边力
根据压边力公式：F压=[D2-（d+t+2r）]*q/4
=3.14*[1032-（80+1+2）]*4.5/4
=13.14KN
式中：F压—压边力（N）
D—坯料直径（mm）
d—拉深直径（mm）
q—单位压边力（N）
t—材料厚度（mm）
r—圆角半径（mm）
3.3 冲孔
3.3.1 冲孔力
根据冲孔力公式：F冲=k*D孔*t*τ0=1.3*3.14*32.3*1*460=60.65KN
式中：F冲—冲孔力（N）
K—安全系数 取K=1.3
D孔—冲孔工序件直径（mm）
t—材料厚度（mm）
τ0—材料的抗剪强度 （460MPa）
3.3.2 卸料力
根据卸料力公式：F卸=k1*F冲=0.05*60.65=3.03KN
式中：F卸—卸料力（N）
F冲—冲孔力（N）
K1—卸料力系数 取K1=0.05
3．4 翻边
3.4.1 翻边力
根据翻边力公式：F翻=k3*（D-d） *t*σs
=1.1*3.14*（38-32.3）*1*205
=4.36KN
式中：F翻—翻边力（N）
K3—翻边力系数 取K3=1.1
t—材料厚度（mm）
σs—材料的屈服极限 （205MPa）
3.4.2 顶件力
根据顶件力公式：F顶=k2*F拉=0.1*4.36=0.44KN
式中：F顶—顶件力（N）
F翻—翻边力（N）
K2—顶件力系数 取K1=0.1
3.5压力中心的计算
为了保证压力机和模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心线重合，否则，冲压时滑块就会受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分不正常的磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而影响制件的质量，降低模具的寿命以致损坏模具。
从该零件的外形形状来看，其属于回转体结构，形状对称，故压力中心就在零件轮廓圆形的几何中心上。
3.6 压力机的选择
3.6.1 落料拉深复合模压力机选择
F= F落 + F卸 + F拉 + F顶 + F压
=（193.40+9.67+130.62+13.06+13.14）KN
=359.89KN
因此压力机的公称压力应大于359.89KN，可以选定JH21-40开式可倾压力机，其公称压力为400KN。其参数如下：
公称压力：400KN
滑块行程：100mm
最大闭合高度：330mm
闭合高度调节量：80mm
工作台尺寸：420mm*630mm
工作台孔尺寸：150mm*300mm
模柄孔尺寸：Φ50*70mm
工作台模板厚度：80mm
3.6.2 整形单工序模压力机的选择
整形单工序模是进行圆角整形，将拉深圆角R4整形到R1，根据有关手册和经验可得，可以选择JH21-25开式压力机。其主要参数如下：
公称压力：250KN
滑块行程：80mm
最大闭合高度：250mm
闭合高度调节量：70mm
工作台尺寸：360mm*560mm
工作台孔尺寸：130mm*260mm
模柄孔尺寸：Φ50*70mm
工作台模板厚度：70mm
3.6.3 冲孔翻边复合模压力机的选择
F= F冲 + F卸 + F翻 + F顶
=（60.65+3.03+4.36+0.44）KN
=68.48KN
因此压力机的公称压力应大于68.48KN，可以选定JH21-25开式可倾压力机，其公称压力为250KN。其参数如下：
公称压力：250KN
滑块行程：80mm
最大闭合高度：250mm
闭合高度调节量：70mm
工作台尺寸：360mm*560mm
工作台孔尺寸：130mm*260mm
模柄孔尺寸：Φ50*70mm
工作台模板厚度：70mm
4 模具结构的设计与计算
4.1 工作零件刃口尺寸计算
4.1.1 落料模刃口尺寸
落料时先确定凹模刃口尺寸，凹模刃口的基本尺寸取接近于或等于制件的最小极限尺寸，以保证凹模磨损在一定的范围之内仍能冲出合格制件。凸模刃口的基本尺寸则按凹模刃口基本尺寸减小一个合理间隙值来确定。
对于毛坯外形尺寸Φ103，取IT14级确定公差，查表可得x=0.5mm。设凸凹模分别按IT6和IT7加工制造，由相关手册查得冲裁间隙ZMAX=0.24,ZMIN=0.13 ZMAX- ZMIN=0.24-0.13=0.1。凹模制造公差δd=0.035，凸模制造公差δp=0.025，
查表可得Δ=0.35。
Dd=
=
=102.830+0.035
Dp=
=
=102.7-0.0250
校核：|δd|+|δp|=0.06< ZMAX- ZMIN=0.24-0.13=0.1 满足公差条件
4.1.2 拉深模工作尺寸
凹模圆角半径：rd1=0.8=0.8=3.8 取4mm
拉深凸模圆角半径：rp1=（0.7-1.0）rd1 取rp1= rd1=4mm
有压边圈的拉深模其单边间隙：Z=（1-1.1）t=1mm
查手册图表得凹模制造公差δd=0.05 ，凸模制造公差 δp=0.03
Dd=
=
Dp=
=
=78-0.030
4.1.3 冲孔模刃口尺寸
对于冲翻边预孔Φ32.3，按IT10级确定公差，查表有：=0.22,x=0.5, 查手册图表得凹模制造公差δd=0.03 ，凸模制造公差 δp=0.02，冲裁间隙ZMAX=0.240,ZMIN=0.132
凸模刃口尺寸:dp===
凹模刃口尺寸:dd===
校核：|δd|+|δp|=0.05< ZMAX- ZMIN=0.24-0.132=0.108 满足公差条件
4.1.4 翻边模工作尺寸
为保证翻孔边的竖直，翻边模的单边间隙值应略小于材料的厚度。一般取单边间隙Z为：Z=（0.75～0.85）t 取Z=0.8，凹模制造公差δd=0.05 ，凸模制造公差 δp=0.03
翻边凸模的圆角半径：r≥t=1mm
翻边凹模的圆角半径：r=r工件 =1mm
翻边凸模直径：Dp=mm
翻边凹模直径：Dd= ==mm
4.2 落料拉深复合模结构设计
4.2.1 落料拉深凹凸模
该凸凹模既充当落料的凸模，同时又充当拉深的凹模。内外缘均为刃口，壁厚取决于制件的形状和尺寸。查表得厚度t=1mm的制件最小壁厚为2.7mm，由冲裁件的尺寸可知，凸凹模壁厚应为10mm，因此壁厚合理。其长度取104mm
最终形状和尺寸如下图：
图1 凹凸模
4.2.2 落料凹模
凹模厚度H=kb>0.18*190=34.2mm
凹模壁厚C=（15—2）H>64mm
根据模具各尺寸可取H=45mm，C=80mm
落料凹模最终形状和尺寸如下图所示：

图2 落料凹模

4.2.3 拉深凸模
拉深凸模的工作尺寸已由之前的计算部分可知，因此只需确定其高度即可。拉深凸
模的高度可以根据制件的尺寸及生产经验取为H=60mm,其最终的形状和尺寸如下图所示：

图3 拉深凸模