1、1专 业: 模具设计与制造设 计 题: 油杯1.零件的工艺性1.2 零件材料及其冲压工艺性分析1.2.1 零件材料的分析冷冲压模具包括冲裁、弯曲、拉深、成形等各种单工序模和由这些基本工序组成的复合模、级进模等各种模具。设计这些模具时，首先要了解被加工材料的力学性能。材料的力学性能是进行模具设计时各种计算的主要依据。故在分析零件冲压成形工艺，设计冲压模具前，必须要了解和掌握材料的一些力学性能，以便设计。现将油杯零件材料为 10 号钢的力学性能主要参数及其概念叙述如下：（1）应力：材料单位面积上所受的内力，单位是 N/mm ，用 Pa 表示。2 10 Pa=1MPa；1MPa = 1N/mm ；1
2、0 Pa = 1GPa。6 2 9 （2）屈服点 s：材料开始产生塑性变形时的应力值，单位是 N/mm 。弯曲、拉深、2 成形等工序中，材料都是在达到屈服强度时进行塑性变形而完成该工序的成形的。经查表取 s = 206 MPa。（3）抗拉强度 b。材料受到拉深作用，开始产生断裂时的应力值，单位是MPa。b = 294432MPa。（4）抗剪强度 b。材料受到剪切作用，开始产生断裂时的应力值，单位是 MPa。取 b = 255 333MPa。（5）弹性模量 E。材料在弹性范围内，表示受力与变形的指标，弹性模量大，表示材料受力后变形较小，或者说，产生一定的变形需要较大的力。E = 194 x 10
3、 MPa。3 （6）屈服比 s/b。是材料的屈服强度与抗拉强度之比，其值越小，表示材料允许的塑性变形区越大，在拉深工序中，材料的屈服比较小时，所需的压边力和所需克2服的摩擦力相应的减小，有利于提高成形极限。（7）伸长率 。在材料性能实验时，试件由拉伸试验机拉断后，对接起来测量长度，其伸长量与原长度之比称为伸长率，其数值用“”表示，其数值越大表示材料的塑性越好。经查表可得，材料为 10 号钢的伸长率 =29。综上所述，对油杯零件材料 10 号钢的力学性能分析，主要是为了便于模具设计中各参数的计算，故在后序的模具设计中各参数的计算均以上面所取的数值进行计算。1.2.2 零件工艺性的分析冲压件工艺性
4、是指冲压零件在冲压加工过程中加工的难易程度。虽然冲压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、包装的全过程，但分析工艺性的重点要在冲压加工工序这一过程里。而冲压加工工序很多，各种工序中的工艺性又不尽相同。即使同一个零件，由于生产单位的生产条件、工艺装备情况及生产的传统习惯等不同，其工艺性的涵义也不完全一样。这里我们重点分析零件的结构工艺性。该零件为油杯，结构简单，对称，是典型的拉深件。在拉深过程中要注意控制拉深程度，加工时，根据零件的结构，形状等一些技术要求，应考虑以下几点：（1）拉深件圆角半径：拉深件的圆角半径要适合，应尽量大些，以便于成形和减少拉深次数，避免在拉深过程中出
5、现失稳现象即拉裂。拉深件底与壁的圆角半径应满足r1t。而在此设计中圆角半径 R2t，故满足设计要求。（2）考虑拉深件厚度不均匀的现象：在拉深过程中，一般为不变薄拉深，从理论分析上说是不符合的，在拉深过程中壁厚应有少量的变化，如果在拉深件精度要求不高时，一般可以忽略不计，而在此设计当中我们应该考虑壁厚不均匀现象问题，加工出符合图样要求的零件。（3）拉深件的孔位布置：根据示图所示，该零件的孔位布置合理，处于中心部位。在冲孔时，要注意孔与拉深件的同心度的问题，孔到拉深底部边缘的距离 dd1-2r1-t。 根据零件图，初步分析可以知道油杯零件的冲压成形需要多道工序才能完成，首先进行正拉深，形成外形尺寸
6、形状，其次底部要成型。综上所述，油杯由平板毛坯冲压成形应包括的基本工序有：冲裁（落料、成型） 、拉深等，由于是多道工序，多套模具成形，还要特别注意各工序间的定位。1.3 确定工艺方案和模具形式在冲压分析的基础上，找出工艺与模具设计的特点与难点，根据实际情况提出各种可能的冲压工艺方案，内容包括工序性质，工序数目，工序顺序及组合方式等，有3时同一种冲压零件也可能存在多个可行的方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量生产效率，设备占用情况，模具制造的难易程度和模具的使用寿命的高低，生产成本，操作方便与安全程度等方面进行综合分析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案，故在一定的条件下，以最简单的
7、方法，最快的速度，最少的劳动量，最少的费用，可靠的加工出符合图样各项要求的零件，在保证加工质量的前提下，选择经济合理的工艺方案。确定工艺方案及模具形式：1、根据对冲压零件的形状、尺寸、精度及表面质量要求的分析结果，确定冲压所需的基本的工序，如落料、冲孔、拉深、整形等。2、根据初步工艺计算，确定工艺数目，如冲压次数、拉深次数等。3、根据个工序的变形特点、质量要求等确定工序顺序。一般可按照下列原则进行：1） 、对冲带孔的或有缺口的冲裁件，如选用简单模，一般先落料，再冲孔或切口，使用级进模，则先冲空孔或切口后落料2） 、对于到孔的拉深件，一般先拉深，后冲孔，但孔的位置在零件底部且孔径尺寸要求不高时，
8、也可先冲孔后拉深。3） 、对于形状复杂的拉深件，为便于材料变形和流动，应先形成内部形状，再拉深外部形状。4） 、整形或校平工序，应在冲压件基本成型以后进行。4、根据生产批量和条件（冲压加工条件和模具制造条件）确定工序组合。生产批量大时，冲压工序应尽可能组合在一起，用复合模具；小批量生产用单工序简单模。由于油杯冲压成形需要的多道工序完成，因此选择合理的成形工艺方案十分重要，考虑到生产批量大，应在生产合格零件的基础上尽量提高生产效率，降低生产成本。要提高生产成本，应该尽量选择合理的工艺方案，选择复合能复合的工序，但复合程度太高，模具的结构复杂，安装调试困难，模具成本高，同时可能降低模具的强度，缩短
9、模具寿命。根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序，冲压该零件需要的基本工序有落料、成型、拉深。工序的组合方案及比较方案一：1）落料；2）拉深；3）成型。方案二：1）落料与拉深复合；42）成型。方案三：1）落料；2）拉深与成型复合。方案四：1）落料、拉深与成型复合。方案一：复合程度较低，模具结构简单，安装、调试容易，但生产道次多，效率低，不适合大批量生产。故很少使用。方案二：将落料与拉深进行复合，工序少，生产效率较高，但模具结构较复杂，安装、调试难于控制，同时模具强度较低。方案三：将拉深与成型复合方案四：复合程度最高，模具结构复杂，安装调试困难，模具成本提高，同时可能降低模具的强度，缩短模具
10、的寿命。根据以上四个冲压工艺方案的比较，四种冲压工艺方案各有其优点和缺点，为了提高生产率，保证模具结构简单，冲压件尺寸稳定、精度高，故在此设计中选择方案四进行冲制油杯。2. 主要工艺参数的计算2.1 落料尺寸的计算由于板料在扎压或退火时所产生的聚合组织而使材料引起残存的方向性，反映到拉深过程中，就使桶形拉深件的口部形成明显的突耳。此外，如果板料本身的金属结构组织不均匀、模具间隙不均匀、润滑的不均匀等等，也都会引起冲件口高低不齐的现象，因此就必需在拉深厚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。根据零件的尺寸取修边余量的值为 4.6mm
11、。查表 57， 冲压工艺与模具设计实用技术在拉深时，虽然拉深件的各部分厚度要求发生一些变化，但如果采用适当的工艺措施，则其厚度的变化量还是并不太大。在设计工艺过程时，可以不考虑毛坯厚度的变化。毛坯尺寸按公式2.1 drhdDF4.32所以 =16810*90.*922.2 确定排样方案2.2.1 确定排样、裁板方案冲裁件在板料、条料或带料上的布置方法称为排样。排样是否合理，直接影响到5材料的利用率、零件质量、生产率、模具结构与寿命及生产操作方式与安全。因此，在冲压工艺和模具设计中，排样是一项极为重要的、技术性很强的工作。加工此零件为大批大量生产，冲压件的材料费用约占总成本的 60%80%之多。
12、因此，材料利用率每提高 1%，则可以使冲件的成本降低 0.4%0.5%。在冲压工作中，节约金属和减少废料具有非常重要的意义，特别是在大批量的生产中，较好的确定冲件的形状尺寸和合理的排样的降低成本的有效措施之一。由于材料的经济利用直接决定于冲压件的制造方法和排样方式，所以在冲压生产中，可以按工件在板料上排样的合理程度即冲制某一工件的有用面积与所用板料的总面积的百分比来作为衡量排样合理性的指标。同时属于工艺废料的搭边对冲压工艺也有很大的作用。通常，搭边的作用是为了补充送料是的定位误差，防止由于条料的宽度误差、送料时的步距误差以及送料歪斜误差等原因而冲出残缺的废品，从而确保冲件的切口表面质量，冲制出
13、合格的工件。同时，搭边还使条料保持有一定的刚度，保证条料的顺利行进，提高了生产率。搭边值得大小要合理选取。根据此零件的尺寸查表 19.118， 冲压模具设计取搭边值为 0.8am进距方向 1于是有 进距 2.2168.019hDam条料宽度 2.32.b板料规格拟用 1.0mm600mm1200mm 热轧钢板（表 18.324， 冲压模具设计 ） 。由于毛坯面积较大所以横裁和纵裁的利用率相同，从送料方便考虑，我们可以采用横裁。裁板条数 条余 128mm120769.Anb每条个数 个余 92mm12.3Bah每板总个数 1*22.2.2 材料利用率 依据（P203， 冲压工艺与模具设计实用手册
14、 ）622()410%16804.nDdAB2.2.3 计算零件的净重 G2.4 Ft依据（P264， 冲压工艺模具学 ）2 21168(.01.6)07.852.034 g式中 密度，低碳钢取 。385.7cmg内的第一项为毛坯面积，第二项为底孔废料面积，第三项（）内为切边废料面积。其排样如图 2.1 所示： 图 2.1 排样图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
15、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，我们可以通过查表来取值。7该工件拉深一个过程，因此可以计算其拉深系数来确定拉深次数。其实际拉深系数为：2.590.54168dmD材料的相对厚度为 2.6 00.9t凸缘的相对直径为2.7 12.3pd凸缘的相对高度为2.8 40.49h由表 521， 冲压工艺与模具设计实用手册可以查出 ， 表 5min0.4822， 冲压工艺与模具设计实用手册可以查出 8 5.0maxdh因为凸缘的相对高度 0.4444 小于最大
16、相对高度 0.58，且实际拉深系数 0.58 大于最小极限拉深系数 0.48，所以拉深过程可以一次拉深成功。2.4 拉深冲压力的计算 由于该零件为轴对称件，故不必进行压力中心的计算。2.4.1 落料过程（1）落料力平刃凸模落料力的计算公式为2.9 kLtP依据(P175， 冲压工艺与模具设计实用手册 )式中 P冲裁力（N）L冲件的周边长度（mm）t板料厚度（mm）材料的抗冲剪强度（MPa）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（1.01.3）P 的范围内，一般 k 取为 1.251.3。在实际应用中，抗冲剪强度 的值一般取材
17、料抗拉强度 的 0.70.85。为便于b8估算，通常取抗冲剪强度等于该材料抗拉强度 的 80%。即bb8.0因此，该冲件的落料力的计算公式为2.10bLtF8.031落 4160N29N（2）卸料力一般情况下，冲裁件从板料切下以后受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箍紧在凸模上。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，主要有材料力学性能、模具间隙、材料厚度、零件形状尺寸以及润滑情况等。所以要精确地计算这些力是困难的，一般用下列经验公式计算：卸料力 2.11 FK1卸式中 F冲裁力(N)顶件力及卸料力系数，1其值可查（表 19.112， 冲
18、压模具设计 ）取 为 0.04。1K因此 0972FN卸2.4.2、拉深过程（1）拉深力带凸缘圆筒形零件的拉深力近似计算公式为2.12 FbpKd拉式中 圆筒形零件的凸模直径（mm）pd系数，查（表 53， 冲压工艺与模具设计实用手册 ）取 0.8FK材料的抗拉强度（MPa）b因此 12076N拉（2）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9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
19、，可以根据近似的经验公式进行计算。2.13qdDQ)(420依据（P328， 冲压工艺与模具设计实用手册 ）式中 D毛坯直径（mm）d冲件的外径（mm）q单位压边力（MPa） （表 520， 冲压工艺与模具设计实用手册 ）q 的值取 2.5。所以 22168(90).39184QN（3）顶件力顶件力的计算公式可按下式：= 2.14顶F拉顶K式中 顶件力（N） ；顶顶件力系数；查表 2-8 = 0.06顶 顶K=顶 拉顶 F= 0.06 120576= 7234.56 N（4）拉深功的计算拉深所需的功可按下式计算2.15 10maxhCPW依据（P45， 冲压工艺模具学 ）式中 最大拉深力（N）
20、maxPh 拉深深度（mm）W拉深功（Nm）C修正系数，一般取为 C=0.60.8。所以 0.8125764038.Nm2.4.3 成型过程10采用平头凸模对塑性较好的低碳钢板、软铝板进行胀形所能达到的深度 h 见表5-1冲压工艺与模具 。采用刚性凸模对平板毛胚进行胀形时所需的胀形力 F 按下式估算胀形力2.16 bKLtF=149.50198N式中 L -胀形区周边长度 t -板料厚度K 考虑变形程度大小的系数，一般取 K=0.71-板料抗拉强度 b拉深力出现在落料力之后，因此最大冲压力出现在冲裁阶段，选用落料拉深成型复合模结构，最大冲压力为：Fmax = F +F1 + F2 2.17 =
21、219448 + 10972+ 7234= 237654N2.5 冲压设备的选择为安全起见，防止设备的超载，对于冲裁工序，压力机的公称压力 P 应大于或等于冲裁时总冲压力的 1.11.3 倍。即：P （1.11.3）Fmax2.18 取 P = 1.3 FmaxP = 1.3 Fmax= 309KN所以可以选择吨位为 630KN 以上的压力机，考虑到拉深成形的行程比较大，选定压力机还应参考压力机说明书所给出的允许工作负荷曲线。参照书末表 C-1 可选取公称压力为 630KN 的开式压力机，该压力机与模具设计的有关参数为：表 2.1名称 量值公称压力（ 10KN） 63发生公称压力时滑块离下极点距离/mm 8固定行程/mm 120120滑块行程 调节行程/mm12
