拉深工序计算与模具结构设计(doc 33页)

拉深工序计算与模具结构设计（doc 33页）

摘要

拉深是利用模具使平板毛坯变成为开口的空心零件的冲压方法，用拉深工艺可以制成筒形、阶梯形、锥形、抛物面形、盒形和其他不规则形状的薄壁零件，其中又以筒形件简单和多见，而有凸缘筒形件又分为宽凸缘和窄凸缘件。

在拉深工艺设计时，必须知道冲压件能否一次拉出，这就引出了拉深系数的概念。拉伸系数决定于每次拉深时允许的极限变形程度。在多次拉深中，对于宽凸缘拉深件，则应在第一次拉深时，就拉成；零件所要求的凸缘直径，而在以后各次拉深中，凸缘直径保持不变。为了保证以后拉深时凸缘不变形，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3%~5%,这些多余材料在以后各次拉深中，逐渐将减少部分材料挤回到凸缘部分，使凸缘增厚，从而避免拉裂。

关键词：拉深；成型工艺；拉裂

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目录

摘要................................................................ I Abstract ............................................................... II

1 绪论 (1)

2 拉深件的工艺性分析 (3)

2.1 分析工件的冲压工艺性 (3)

2.2.1 工件形状 (3)

2.2 08F材料的化学成分和机械性能 (4)

3 拉深工序计算 (5)

3.1 阶梯形筒形件的拉深工序计算原则 (5)

3.1.1 阶梯形件拉深工序计算程序 (5)

3.2 必要的工序计算 (5)

3.2.1 修边余量δ的确定 (5)

3.2.2 毛坯尺寸计算 (5)

3.2.3 判断阶梯筒形部分的拉深次数 (7)

3.2.4 确定工件的制造工序步骤 (8)

3.2.5 画出拉深工序图 (9)

4 工序压力计算和压力机的选择 (11)

4.1 压力机的选择原则 (11)

4.2 落料拉深工序压力计算 (11)

4.2.1 排样图的设计 (11)

4.2.2 计算落料拉深复合工序压力 (15)

4.2.3 初选压力机 (17)

4.2.4 校核压力机的电动机功率 (18)

4.3 二次拉深工序压力计算 (20)

4.3.1 计算二次拉深工序压力 (20)

4.3.2 初选压力机 (21)

4.3.3 校核压力机的电动机功率 (22)

4.4 扩口力计算 (23)

4.4.1 计算扩口工序压力 (23)

4.4.2初选压力机 (24)

4.3.3 校核压力机的电动机功率 (25)

5 模具结构设计 (26)

5.1 落料拉深工序模具设计 (26)

5.1.1 落料拉伸复合模选用原则 (26)

5.1.2 模具工作部分尺寸和公差计算 (26)

5.1.3 模具其他零件的结构尺寸计算 (28)

5.2 二次拉深工序模具设计 (32)

5.2.1 模具结构形式选择 (32)

5.2.2 模具工作部分尺寸和公差计算 (33)

5.2.3 模具其他零件的结构尺寸设计 (33)

结论 (38)

参考文献 (38)

致谢 (39)

1 绪论

一：冲压的特点和应用

冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就难以实现。

与机械加工及塑性加工的其他方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济

方面都具有许多独特的优点。主要表现如下：

1.冲压加工的生产率高，且操作方便，易于实现机械化和自动化。这是因为冲

压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普遍压力机的行程次数为每分钟几十

次，高速压力机每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能

得到一个冲件。

2.冲压时由模具保证了冲压件的尺寸和形状精度，且一般不破坏冲压材料的表

面质量，而模具的寿命一般较长，所以冲压件的质量稳定，互换性好，具有

“一模一样”的特征。

3.冲压可加工出尺寸范围较大，形状较复杂的零件，如小到钟表的秒针，大到

汽车纵梁，覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬

4.化效应，冲压件的硬度和刚度均较高。

5.冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较小，且不需要其他加热设备，因

而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。

但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分表现，从而获得较好的经济

效益。

冲压的现代工业生产中，尤其是大批量生产中应用十分广泛。相当多的工

业部门越来越多地采用冲压加工方法加工产品零部件，如汽车，农机，仪器，电子，航空，航天，家电及轻工等行业。在这些工业部门中，冲压件所占的比重都相当的大，少则60%上，多则90%以上。因此可以说，如果生产中不广泛采用冲压工艺，许多工业部门要提高生产效率和产品质量，降低生产成本，快速进行产品更新换代等都是难以实现的。

二：冲压现状与发展方向

目前，我国冲压技术与先进工业发达国家相比还相当落后，主要原因是我国在冲压基础理论及成形工艺、模具标准化、模具设计、模具制造工艺及设备等方面与工业发达国家尚有相当大的差距，导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与先进工业发达国家的模具相比差距相当大。

随着工业产品质量的不断提高，冲压产品生产正呈现多品种、少批量，复杂、大型、精密，更新换代速度快的变化特点，冲压模具正向高效、精密、长寿命、大型化方向发展。为适应市场变化，随着计算机技术和制造技术的迅速发展，冲压模具设计与制造技术正由手工设计、依靠人工经验和常规机械加工技术向以计算机辅助设计（CAD）、数控切削加工、数控电加工为核心的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术转变。

2 拉深件的工艺性分析

2.1 分析工件的冲压工艺性

图2.1

工件图

2.2.1 工件形状

如图2.1所示，该工件形状简单对称，为轴对称拉深件，在圆周方向上的变形是均匀的，模具加工也比较容易。

（1）从工件形状看，属于阶梯形拉深件。阶梯形件的拉深与圆筒形件的拉深基本相同，其主要考虑的问题是阶梯件是否可以一次拉成。

①拉深阶梯筒形与锥形部分。

先判定是否能一次拉深成，否则要经多次拉深。根据计算查表大概确定要多次

拉深，先拉深小直径后大直径的。

②扩口

(2) 制件材料塑性较好，对拉伸、成形比较合适。制件尺寸精度、同轴度要求高。内表面要求光亮平整。且圆角R1、R2较小。需要增加整形工序。为保证孔尺寸29mm及同轴度要求，扩口需放在整形之后，以防整形时孔变形。

2.2 08F材料的化学成分和机械性能

工件的材料为08F，属于优质碳素结构钢，优质沸腾钢，强度、硬度低，冷变形塑性很好，可深冲压加工，焊接性好。成分偏析倾向大，时效敏感性大，故冷加工时应采用消除应力热处理或水韧处理，防止冷加工断裂。

08F的主要机械性能如下：

抗拉强度

σ（兆帕） 280-390

b

σ（兆帕） 180

屈服强度

s

抗剪强度（兆帕） 220-310

延伸率δ 32%

3 拉深工序计算

3.1 阶梯形筒形件的拉深工序计算原则

3.1.1 阶梯形件拉深工序计算程序

（1）选定修边余量δ

（2）计算毛坯直径D

（3）判断是否一次拉深成形

（4）根据各工序确定必要的拉深工序

（5）初步画出工序图

（6）确定各工序的圆角半径

（7）计算第一次拉深高度并校核是否安全

（8）计算以后各次的拉深高度

3.2 必要的工序计算

3.2.1 修边余量 的确定

因为在设计过程中毛坯件的尺寸确定是由二次拉深后的工件确定的，而二次拉深后的工件还需要切去 1.5的多余边，所以由下面计算出的毛坯尺寸已经包括修边余量，故不需要修边余量的确定。

3.2.2 毛坯尺寸计算

板料在拉深过程中，材料没有增减，只有发生属性变化。在变形过程中，材料时以一定的规律转移的，所以毛坯的形状必须负荷金属在变形时的流动规律，其形状一般与拉深件周边形状相似。所以，对于旋转体来说，毛坯的形状无疑以一块圆板，只要求出它的直径。拉深前后，拉深件及其毛坯的重量不变，材料厚度

虽有变化，但其平均值与毛坯原始厚度非常接近，则其面积基本不变。可按公式

π

A

D 4=

计算

把如图3.1所示工件中性层的面积分成7部分

图3.1

图A=a 1+a 2+a 3+a 4+a 5+a 6+a 7 厚度t=1mm a 1=d 1h 1=3.14

5.5

54=933.05mm 2

a 2=

=

384.38mm 2 a 3=(d 2/2)2-(d 3/2)2=(51/2)2

3.14-(46/2)2

3.14=380.92mm 2

a 4=

==484.36mm2

a

5=d

4

h=42 3.142=263.89mm2

a

6

==2168.94mm2

a

7

=(18.33/2)2=263.89mm2

A=a

1+a

2

+a

3

+a

4

+a

5

+a

6

+a

7

=933.05+384.38+380.92+484.36+263.89+2189.94+263.89

=4879.36mm2

D===78.83mm2

3.2.3 判断阶梯筒形部分的拉深次数

（1）判断半圆部分是否能够一次拉伸成形

毛坯相对厚度为 (t/D)100=1100/78=1.282

拉深系数为 m=50/78.8=0.634

拉深相对高度为 H/d=(26-1)/48=0.363

查表得工件第一次拉深的最小拉伸系数为 m

1

=0.55

查表得工件第一次拉深的最大相对高度为h

1/d

1

=0.84～0.60

因为m>m

1,H/d

1

/d

1

,故工件能一次拉出。

（2）确定阶梯筒形部分能否一次拉出

同上面拉深半圆的计算方法

毛坯相对厚度为 (t/D)100=1100/78.8=1.363 拉深系数为 m=55/68.8=0.799

拉深相对高度为 H/d=7.5/55=0.136

查表得工件第二次拉深的最小拉伸系数为 m

2

=0.75

查表得工件第二次拉深的最大相对高度为h

2/d

2

=1.60 1.32

因为m>m

2,H/d

2

/d

2

,故该阶梯部分能一次拉出。

同理，小阶梯以及锥形部分是在半圆基础上拉深的，故其各系数满足两次拉深

的要求。

由以上分析可以把二次拉深时工件分成上下两部分看待，上部分大阶梯，下部

分在第一次拉成的半圆基础上继续拉深。

3.2.4确定工件的制造工序步骤

初步确定工序顺序为：落料拉伸(半圆)——拉伸(阶梯)——修边——冲孔—

—扩口。

若以基本工序为工艺方案，则生产率低，工件累计误差打，且设计多套模具

成本较高。考虑到生产批量为大批量，同时拟采用的冲压设备为中小型压力

机，应尽量将工序合并，但又不能把模具弄得太复杂。从模具结构上分析，

整形、拉伸和镦内角可以复合，大、小阶梯同时整形才能保证同轴度要求。

小阶梯落料拉伸能否一次拉伸成形需在后面进行工艺计算验证。此时工艺方

案可暂定为：落料拉伸——拉伸整形——冲孔——扩口。

综上所述，工艺方案最终修订为：落料拉伸——二次拉伸——整形——冲

孔——扩口。

3.2.5画出拉深工序图

图3.2

4 工序压力计算和压力机的选择

4.1 压力机的选择原则

冲压设备的选择直接关系到设备的合理使用，安全，产品质量，模具寿命，生产效率和成本等一系列问题。

对于中小型冲裁件，弯曲件或浅拉深件多用具有C形床身的开式曲柄压力机。在大中型和精度要求较高的冲压件生产中，多采用闭式压力机。对于大型，较复杂的拉深件多采用闭式双动拉深压力机。对于形状复杂零件的大量生产，应优先考虑选用多工位自动压力机。而对落料，冲孔件的大量生产，则应选用效率高，精度高的自动高速压力机。在小批生产中尤其式大型厚板的生产，多采用液压机。校正弯曲，校平整形工序要求压力机有较大的刚度，以便或得较高的虫牙件尺寸精度。

对曲柄压力机所要考虑到的重要参数是：1.压力机的许用负荷；2.完成各工序所需要的压力；3.行程和行程次数；4.最大装模高度；5.压力机的台面尺寸应大于冲模的平面尺寸，并留有固定模具的余地，台面上的漏孔应与所要进行的工艺相适合；6.压力机精度。

4.2 落料拉深工序压力计算

4.2.1 排样图的设计

在冲压生产中，工件原材料费用占制造成本的60%左右，所以充分节约利用原材料具有非常重要的意义。提高材料利用利用率是降低成本的主要措施之一，而合理排样便能有效提高材料利用率。

首先明确排样原则：提高材料利用率；使工人操作方便安全，减轻工人的劳动强度；使模具结构简单，使模具寿命较高；排样应该保证冲裁件的质量。

（1）排样方法

从该工件的形状分析，其具有一头大一头小的特点，如果用单向排列，那么材

料的利用率很低，从而与排样原则相违背。按图1所示的排样方法，则可以显著地减少废料。但是按这种排样方法进行冲裁，凸模和凹模都要制成两套，从而增加模具成本，所以设计成隔位冲裁。条料完成冲压以后，将条料水平旋转180度，再将所隔位置进行第二遍冲压，从而裁出第二部分的工件。

（2）搭边

搭边起着补偿条料的剪切误差、送料步距误差以及补偿由于条料与导料板之间间隙所造成的送料歪斜误差的作用；并且使凸凹模刃口双边受力，从而合理间隙不被破坏，模具寿命与工作断面质量都能提高。

由于排样方法分为（1）有废料排样法（2）少废料排样法（3）无废料排样法由于该件毛坯形状简单，对称，考虑到冲裁件质量以及生产批量（大批量）等问题，还有模具的使用寿命，要采用有废料排样，采用直排式，如下图所示

查表可知，搭边值： a=1.0

进距方向：a

=0.8

1

则计算冲裁件的面积：

=3.14（78.8/2）2mm2=4874.41mm2

S

1

计算冲裁件周长：

=78.8mm=247.432mm

C

1

条料宽度：B=（L+2a

1

=（78.8+2 1.0=

送料步距：A=（D+a）=（78.8+0.8）mm=79.6mm

钢板的规格选择：

查表22《冷冲模设计手册》，t=1.0㎜,材料规格：

长度1200 1300 1400 1500 1500 1500 2000 2000 宽度600 650 700 750 800 850 1400 1500

1.选用板料规格为：1mm800mm1500mm时，

①采用纵裁：

剪切条料尺寸为：80mm×1000mm

条料n

1

=800/80.8=9条

每条个数n

2

=1500/79.6=18个

每板个数n

3=n

1

n

2

=918=162个

落料件的面积:S=4874.41㎜2

材料利用率

②采用横裁：

剪切条料尺寸为：80㎜×800㎜

条料n

1

=1500/80.8=18条

每条个数n

2

=800/79.6=10个

每板个数n

3

=1810=180个

所以材料利用率为73.12%

2. 选用板料规格为：1mm600mm1200mm时，

材料利用率：①纵裁为71.12%；

②横裁为66.41%。

3. 选用板料规格为：1mm650mm1300mm时，

材料利用率：①纵裁为73.91%；

②横裁为73.91 %。

4. 选用板料规格为：1mm700mm1400mm时，

材料利用率：①纵裁为67.71%；

②横裁为67.71%。

5. 选用板料规格为：1mm750mm1500mm时，材料利用率：①纵裁为70.26%；

②横裁为70.26%。

6. 选用板料规格为：1mm850mm1500mm时，材料利用率：①纵裁为68.89%；

②横裁为68.89%。

7. 选用板料规格为：1mm1400mm2000mm时，材料利用率：①纵裁为74.06%；