端盖加工复合模设计

毕业设计（论文）

前言

随着经济的发展，冲压技术应用范围越来越广泛，在国民经济各部门中，几乎都有冲压加工生产，它不仅与整个机械行业密切相关，而且与人们的生活紧密相连。

冲压工艺与冲压设备正在不断地发展，特别是精密冲压。高速冲压、多工位自动冲压以及液压成形、超塑性冲压等各种冲压工艺的迅速发展，把冲压的技术水平提高到了一个新高度。新型模具材料的采用和钢结合金、硬质合金模具的推广，模具各种表面处理技术的发展，冲压设备和模具结构的改善及精度的提高，显著地延长了模具的寿命和扩大了冲压加工的工艺范围。

由于冲压工艺具有生产效率高、质量稳定、成本低以及可加工复杂形状工件等一系列优点，在机械、汽车、轻工、国防、电机电器、家用电器，以及日常生活用品等行业应用非常广泛，占有十分重要的地位。随着工业产品的不断发展和生产技术水平的不断提高，冲压模具作为各部门的重要基础工艺装备将起到越来越大的作用。可以说，模具技术水平已成为衡量一个国家制造业水平的重要指标。

目前国内模具技术人员短缺，要解决这样的问题，关键在于职业培训。我们做为踏入社会的当代学生，就应该掌握扎实的专业基础，现在学好理论基础。毕业设计是专业课程的理论学习和实践之后的最后一个教学环节。希望通过这次设计，能掌握模具设计的基本方法和基本理论。

1

端盖加工复合模设计

1 分析零件的工艺性

本论文重点分析冲压件的结构工艺性。冲压件工艺性指的是冲压零件在冲压加工过程中加工的难易程度。虽然冲压件的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、包装等的全过程，但分析工艺性的重点在冲压加工工序这一环节里。

冲压的加工工序很多，各种工序中的工艺性又不尽相同。即便是规格相同的同一种零件，由于生产单位的生产条件、生产工艺、生产设备情况以及生产的传统习惯等因素的不同，其工艺性的涵义也不完全一样。

116685R1.25R1.100±0.2R86φ-240

图1.1 工件图

如图1.1所示，该零件为端盖，其外形可看成带凸缘的筒形件，料厚t=2mm，拉深后厚度不变；零件底部圆角半径r=1.5mm凸缘处的圆角半径也为R=1.5mm。

2

毕业设计（论文）

该零件的尺寸公差均为自由公差，满足拉深工艺对精度等级的要求。影响拉深件工艺性的因素主要有：拉深件的结构与尺寸、精度以及材料等。

拉深工艺性对结构与尺寸的要求：

1.拉深件应尽量地简单、对称，并能一次拉深成形；拉深件的壁厚公差或变薄量一般不应超出拉深工艺壁厚的变化规律；

2.在保证装配要求下，应允许拉深件侧壁有一定的斜度；

3.当零件一次拉深的变形程度过大时，为避免拉裂，需采用多次拉深，这时在保证必要的表面质量前提下，应允许内、外表面存在拉深过程中可能产生的痕迹；

4.拉深件的径向尺寸应只标注外形尺寸或内形尺寸，而不能同时标注外形尺寸或内形尺寸。

在工艺性对精度的要求为一般的情况下，拉深件的尺寸精度应在IT13级以下，不宜高于IT11级；对于精度要求高的拉深件，应在拉深后增加整形工序，以提高其精度，由于材料各向异性的影响，拉深件的口部或凸缘外缘一般是不整齐的，出现“突耳”现象，所以需要增加切边工序。

工艺性要求材料具有良好的塑性，屈强比度越大，拉深的性能越好。

板厚方向性系数r和板平面方向性系数?r反映了材料的各向异性性能，当r较大或?r较小时，材料宽度的变形比厚度方向的变形容易，板平面方向性能差异较小，拉深过程中材料不易变薄或拉裂，因而有利于拉深成形。

该零件的结构较简单、形状对称，完全由圆弧和直线组成，没有长的悬臂和狭槽。零件尺寸除中心孔和两中心孔之间的距离尺寸精度接近IT11级外，其余尺寸均为自由尺寸且无其他特殊要求，利用普通冲裁方法可以达到零件图样的要求。

该零件所用的材料为20号钢，退火抗拉强度为400Mpa，屈服强度为206Mpa.此材料具有良好的结构强度和塑性，其冲裁加工性能较好。因此该零件的冲裁性能较好，可用于冲裁的方式加工，适用于大批量生产。

但也有如下几点应该注意：

1.零件是底部有孔的筒形件，因此必须得考虑这一筒形件的成型方案； 2.根据工件的形状分析，该工件为圆筒形件，因此在加工时要考虑到整形工序；

?s/?b值越小，一次拉深允许的极限变形程

3

端盖加工复合模设计

3.拉深的h/d较大，要考虑是否能够一次拉深成形，且最后一次拉深成型应注意保证R2的圆角；

4.制件较小，从安全方面考虑，要采取适当的取件方式，在结构上设计好模具的推件和取件方式；

5.大批量生产，应重视模具材料的选择和模具结构的确定，保证模具的寿命。

2 确定工艺方案

2.1 计算毛坯尺寸

由于板料在轧压或退火时产生聚合组织而使材料引起残存的方向性，反映到拉深过程中，就会使桶形拉深件的口部形成明显的突耳。此外，由于如果板料本身存在有金属结构组织不均匀、模具间隙不均匀、润滑不均匀等等因素，也都会引起冲件口高低不齐的现象，因此就必需在拉深后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。

在拉深时，虽然拉深件的各部分厚度会产生一些变化，但如果采取适当的工艺措施，则其厚度的变化量还并不是太大。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，因此，在计算拉深件的毛坯展开尺寸时，可以认为在变形前后的毛坯和拉深件的表面积相等。

对于该零件，可看成带凸缘拉深件。 其相对凸缘最大直径

d'f116??1.7，?d?3.6mm，故切边前的凸缘直径为： d68dfmax?d'fmax?2?d=116+2?3.6=123mm??????????2.1

因

d70??47??20, r1.5毛坯直径: Dmax=d2f?4dh????????????????2.2

=1232?4?70?38=160mm

毛坯形状如图2.1所示

4

毕业设计（论文）

图2.1 毛坯图

2.2 确定是否加修边余量

根据2.1中的分析，又根据冲压件的相对高度

h40??0.59，经查表可知，大于0.5d68则应该加修边余量，0.59〉0.5，所以，应考虑加修边余量。

根据零件的尺寸取修边余量的值为3.6mm。

2.3 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，所以需要通过查表来取值。

df123d68??1.81?1.4，属零件的总拉深系数为m ???0.43，其相对凸缘直径d68D160 5

毕业设计（论文）

凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格的零件。

3.在确定模具刃口制造公差时，既要能保证工件的精度要求，又能要保证有合理的间隙数值。

3.2.4冲裁工序：工件尺寸精度均为IT11级

零件尺寸及公差见本表；查设计手册：x=0.5，Zmax=0.14mm，Zmin=0.10mm，（双面间隙）Zmax －Zmin=0.04；

凸模制造精度采用IT6级，凹模制造精度采用IT7级。

拉深工序：工件未注公差按IT11级，凸、凹模的制造精度采用IT9级。拉深的单边间隙为Z=t+C·t=t+0.1t=1.1t

3.3 计算工艺力、初选设备

3.3.1 计算工艺力

a 落料力

平刃凸模落料力的计算公式为

F落 ?kLt????????????????????3.6

式中 F落— 落料力（N）

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 L— 冲件的周边长度（mm） t— 板料厚度（mm）

?—材料的抗冲剪强度（MPa）

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

??0.8?b ???????????????????3.7 因此，该冲件的落料力的计算公式为

F落?1.3?0.8?Lt?b ??????????????3.8

11

端盖加工复合模设计

=1.3?0.8?387?2?400 =321984N

b 冲孔力

冲孔力可按下式计算：

F冲?0.8KLt?b??????????????????3.9 式中 F冲—冲孔力（N）

L—冲件的内轮廓长度（mm） t—板料厚度（mm）

?b—材料的抗拉强度（MPa）

因此，该零件的冲孔力为：

F冲=0.8KLt?b

=0.8?1.3?18.84?2?400 =15675N

c 卸料力

一般情况下，冲裁件从板料切下以后受到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紧箍在凸模上。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且复杂，主要有材料的力学性能、模具间隙、材料厚度、零件形状尺寸以及润滑情况等。因此要精确地计算这些力是很困难的，故一般采用下列经验公式进行计算：

卸料力

F卸?K1F落??????????????????3.10

式中 K1—顶件力及卸料力系数，查表取K1的数值为0.04。

F落—落料力(N)，前面已计算出，为321984N

因此，该零件的卸料力为：

F卸?0.04?321984?12880N

d 推件力

12

毕业设计（论文）

将卡在凹模中的材料逆着冲裁力方向顶出所需要的力称为推件力。

推件力为：

F推?nK2F落?????????????????3.11

式中 K2—推件力系数，查表取K2的数值为0.05。

F落—落料力(N) ，前面已计算出，为321984N

因此，该零件的推件力为：

F推?1?0.05?321984?16099N

e 拉深力

拉深力Fmaxo凸模行程

图3.1 拉深力变化曲线

一般情况下拉深力随凸模行程变化而改变，其变化曲线如图3.1。从图中可以看出，在拉深开始时，由于凸缘变形区材料的变形不大，冷作硬化也小，所以虽然变形区面积较大，但材料变形抗力与变形区面积相乘所得的拉深力并不大；从初期到中期，材料冷作硬化的增长速度超过了变形区面积减少速度，拉深力逐渐增大，于前中期拉深力达到最高点位置；拉深到中期以后，变形区面积减少的速度超过了冷作硬化增加的速度，于是拉深力逐渐下降。零件拉深完以后，由于还要从凹模中推出，曲线出现延缓下降，这是摩擦力作用的结果，不是拉深变形力。

由于影响拉深力的因素比较复杂，按实际受力和变形情况来准确计算拉深力是比较困难的。所以，实际生产中通常是以危险断面的拉应力不超过其材料抗拉强度为依据，采用经验公式进行计算。对于带凸缘圆筒形零件的拉深力近似计算公式为：

13

端盖加工复合模设计

tb??????????????????3.12 F拉?Kd??式中 K—系数，这里取1

d—圆筒形零件的凸模直径（mm） t—材料厚度

?—圆周率，这里取3.14

?b—材料的抗拉强度（MPa）

因此，该零件的拉深力为：

F拉?1???70?2?400?175840N

f 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。

FQ?AFq(N)??????????????????3.13 式中 A—初始有效压边面积(mm2);

Fq—单位压边力(MPa)，查表，得Fq=2.5

因此，该零件的压边力为：

FQ?AFq

?(10130?732)?2.5?12000N

3.3.2 拉深功的计算

拉深所需的功可按下式计算

W?CPmaxh??????????????????3.14 1000式中 C—修正系数，一般取为C=0.6~0.8。

Pmax—最大拉深力（N）

14

毕业设计（论文）

h —拉深深度（mm） W—拉深功（N·m）

因此，该零件的拉深功为：

W?0.8?175840?38?5345N·m?????????3.15

10003.3.3 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。

因F落>F拉，故总冲压力

F??F落?F卸?F推?FQ?F冲?F拉?????????3.16

=?321984?12880?16099?12000?15675?175840? =554.5KN

应选的压力机公称压力P0??1.3~1.6?F?，取1.5，则公称压力为：

P0?1.5F??832KN ??????????????3.17

因此初选闭式单点压力机J31—630B。

3.3.4 计算压力中心

本零件为对称几何体，其压力中心与几何中心重合，即在它的圆心处，故不必计算它的压力中心。

3.3.5 计算凸、凹模刃口尺寸及公差

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：

1.落料件的尺寸取决于凹模的磨损，冲裁件的尺寸取决于凸模尺寸；

2.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变大的，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少的，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

15

端盖加工复合模设计

程度的情况下，也能冲出合格的零件；

3.在确定模具刃口制造公差时，既要能保证工件的精度要求，又要能保证合理的间隙数值。

采用凸凹模分别加工，凸凹模分别加工是指在凸模与凹模分别按各自图样上标注的尺寸及公差进行加工，冲裁间隙由凸凹模刃口尺寸及公差保证，这样就需要分别计算出凸模和凹模的刃口尺寸及公差，并标注在凸凹模设计图样上，这样的加工方法具有互换性，便于成批制造，主要用于简单、规范形状（圆形，方形或矩形）的冲压工件。

1.落料时，因为落料件表面尺寸与凹模刃口尺寸相等或基本一致，应该先确定凹模刃口尺寸，即以凹模刃口尺寸为基准，又因为落料件尺寸会随凹模刃口的磨损而增大，为了保证凹模磨损到一定程度仍能冲出合格零件，故凹模基本尺寸应该取落料件尺寸公差范围内的较小尺寸，落料凸模的基本尺寸则是凹模基本尺寸上减去最小合理间隙。

??dDd?(D?X?)0 ???????????????3.18

Dp?(Dd?2Cmin)0??p ?????????????3.19

式中 Dd—落料凹模最大直径（mm）

Dp—落料凸模最大直径（mm）

D —工件允许最大尺寸（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。

对于未标注公差可按IT14级计算，查表，得冲裁模刃口双面间隙为：

Zmin?0.120mm,Zmax?0.160mm

?d、?p—凹、凸模制造偏差，这里可以按IT7来选取: 落料刃口最大尺寸计算?160mm

凸模制造公差按IT8级精度选取，得落料尺寸?1600?1mm，查表得

d??0.030mm ?p?0.040mm

校核间隙：｜?凸｜+｜?凹｜?Zmax?Zmin条件，但相差不大，可作如下调整：

16

毕业设计（论文）

?凸?0.4(Zmax?Zmin) =0.4?0.04

?0.016mm

) ?凹?0.6(Zmax?Zmin?0.6?0.04 ?0.024mm

则 D??dd?(D?X?)0

=(160?0.5?1)?0.0240 =159.5?0.0240mm

Dp?(Dd?Z0min)??p

=(160?0.12)0?0.016 =159.880?0.016mm

2.拉深时，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，这里不再复述。

拉深凸模和凹模的单边间隙Z=1.1t=2.2mm计算凸凹模制造公差，按IT8级精度选取，查表得，对于拉深尺寸?68mm，?凸??凹?0.046mm。

因拉深件内形尺寸，按凸模进行配作：

dP?(d?0.5?)??p???????????????3.20 式中 dp—凸模尺寸；

d—拉深件内形尺寸；

?—拉深件公差，这里按IT14级精度选取，查表附录4，得?=1。

即有 dp?(68?0.5?1)?0.046=68.50?0.046mm

拉深凹模则注凸模的基本尺寸，并要求按单面拉深间隙配作：

d2?2.2)?0.046?0.046d?(68.5?0?72.90mm

17

可 端盖加工复合模设计

3.冲孔时，对于冲孔?6mm孔，?凸??凹?0.020mm，?按IT14级精度选取，查表得：

??1mm校核间隙：｜?凸｜+｜?凹｜=Zmax?Zmin，满足条件，故可以采用凸模与凹模配合

加工方法，因数查表得，X?0.5，则为：

d凸?(d?X?)0??凸

0（6?0.5?1） ??0.02 0 ?6.50?0.020mm

??凹)0 d凹?(d?X??Zmin ?0.020（6?0.5?1?0.120）mm ?0?0.020 ?6.620mm

4 模具的结构设计

4.1 模具结构形式的选择

4.1.1 模架的选用

采用落料、拉深、冲孔复合模，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最小壁厚为4.9mm，满足钢材最小壁厚a?1.2t?1.2?2?2.4mm的要求能够保证足够的强度，故采用复合模。

模具采用倒装式。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，而刚性卸料板的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，结合本次设计的整体情况综合考虑，采用弹性卸料板。

从生产量和方便操作以及具体规格方面考虑，选择后则导柱模架，由凹模外形尺寸（GB/T2851.5—1990）在按其标准选择具体结构尺寸及使用材料如下： 250?200，

凸缘模柄 ?60?85 Q235 导 柱 28?195 20号钢 导 套 28?100?42 20号钢

18

毕业设计（论文）

上模板 340?283?45 HT250 下模板 340?283?50 ZG450 模具闭合高度 MAX 245mm MIN 200mm

4.1.2 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：

H模?上模板厚度?垫板厚度?冲头长度?凹模厚度?凹模垫板厚度?下模板厚度?冲头进入凹模深度?????????4.1

该副模具所使用的上垫板厚度为10mm，凹模固定板厚度为12mm。如果冲头（凸凹模）的长度设计为110mm，凹模（落料凹模）设计为70mm，则闭合高度为： H模?45?10?110?67?50-40?242mm

4.2 模具工作部分尺寸计算

4.2.1 压边圈

在此零件设计中，压边圈借助顶杆所施的顶件力，在拉伸过程中，防止工件的凸缘部分失稳而起皱，又起到把拉深件顶出拉深凸模的作用，该零件的设计高度为15mm，如图4.1所示。

19

端盖加工复合模设计

图4.1压边圈

4.2.2 弹性卸料板

弹性卸料板安装在凸模一侧，用卸料螺钉连接于上模座或凸模固定板，上模座和卸料板之间安装有弹簧或橡皮等弹性元件，弹簧有一定的预压缩量，用于提供卸料力。

弹性卸料板还可提供压料力，防止条料不平或翘曲。在冲压成形和卸料过程中，弹性卸料板与凸模之间存在有相对运动。

由于受到橡胶允许承受的载荷较大，并且安装、调整时需要灵活、方便，因而是冲裁模中常用的弹性元件，冲裁模中用于卸料的橡胶有合成橡胶和聚氨脂橡胶，其中聚氨脂的性能比合成橡胶优异，是常用的卸料弹性元件。

弹性卸料板的尺寸可以根据弹性元件的数目以及外径来计算。 如图4.2所示。

20

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x28f.html