毕业设计论文
姓 名： 曲兆梅 学 号： 0702090504 学 院： 机械工程学院
专 业： 机械设计与制造及其自动化
题 目： 落料拉伸冲孔复合模具设计 指导教师： 狄 驰
2011 年 6 月
摘 要
摘 要
随着工业发展，冲压模具的应用越来越广泛。同时由于产品更新换代速度的加快，除了要保证模具设计质量以外，对模具设计效率的要求也越来越高。 为了促进我国冲压模具技术的发展，从计算机技术、先进加工技术及装备、其它新技术与冲压模具等方面分析了我国冲压模具的技术现状。结果表明：经过几十年的发展，我国的冲压模具总量位居世界第三位，加工技术装备基本已与世界先进水平同步。
本文首先分析了复合模具的工艺结构，介绍了复合模具的设计，重点介绍了模具的结构、凹凸模的设计、冲裁力的计算以及冲压机的选型。其次详细阐述了落料拉深冲孔复合模的工艺设计与结构设计过程、对拉深凸模、落料凹模、落料拉深凹凸等模具主要的成型零件以及各种标准零件进行设计计算和选择，基本上确定了落料拉深冲孔复合模的整体结构框架。本文设计的复合模具适用于加工几何尺寸较大、形状复杂、精度要求较高的冲压类零件，通过理论分析和大量的工程实践探索，在模具上采用了一些特殊机构，可使操作简单，提高生产效率,对提高企业的市场竞争力有着现实的意义。通过了复合模具的设计，可以将传统的分模加工合二为一，使落料、拉深、冲孔一次成形，避免了分模加工中定位误差的生产，从而保证了质量，降低了成本，提高了生产效率。 关键词：落料；拉深；冲孔；复合模；冲裁力
-Ⅰ-
Abstract
Along with the development of the industry, the stamping die is applied more and more extensively. Meanwhile, the speed up of industrial products update has put forward high request to the designing quality and efficiency of die. except that guarantee quality of design of die. In order to enhance the development of stamping technology in China, the current situation and tendency about stamping die are discussed in this paper form the aspects of computer technology. advanced processing technology and equipment ,other new technology and stamping die. The result shows: after many years development, the total amount of stamping die products in China ranks the third in the world; processing technology and equipment are comparable with the advanced ones in the world.
This paper an analysis the assembling transformer ring structure of the process on its composite die design; focuses on the structure of the mold, cove and concave mold design the calculation of punching force and punching machine selection. And it is of practical significance to improving the competitive competence of the corporation. This paper first explains in detail the process design and the structure design of compound die for blanking and drawing, and then makes design selection and calculation for main forming parts and various standard parts; such as drawing punch, blanking female die, convex and concave die for blanking and drawing. The overall frame of compound die for blanking and drawing has been basically defined. By the advance and retreat of the concave die, the traditional sub-module processing was combined into one process by integrating blanking, punching and bending in one step. This design can guarantee quality, reduce costs and improve productivity. Keywords: Blanking; Drawing; Punching; Assembling die; Blanking force
- Ⅱ-
目 录
目 录
\
摘 要 ........................................................... Ⅰ Abstract ......................................................... Ⅱ 目 录 ........................................................... Ⅲ
第1章 绪 论 ..................................................... 1
1.1课题背景及意义 ..................................................................................................2
1.1.1 模具的发展现状及存在的问题 ..................................................................3
1.1.2 模具的发展方向 .......................................................................................4
1.2冲压模具简介 .....................................................................................................5
1.2.1 冲压成形与冲压模具的概念 ......................................................................5
1.2.2 冲压模具的分类 .......................................................................................5
1.3 本课题主要研究的内容及意义 ............................................................................6
第2章 复合模具总体方案的分析与确定 ............................... 8
2.1 工艺方案分析 ....................................................................................................8
2.1.1 工件的分析 ..............................................................................................8
2.1.2 落料拉深工艺分析 ....................................................................................8
2.2工艺方案的确定 ..................................................................................................9
第3章 主要的工艺参数计算 ........................................ 10
毛坯尺寸的计算 ............................................................................................... 10
排样 ................................................................................................................ 10
工序压力计算 .................................................................................................. 11
冲压设备的选择 ............................................................................................... 12
第4章 主要工作部分尺寸计算 ...................................... 14
4.1 落料刃口尺寸计算 ........................................................................................... 14
4.2 冲孔刃口尺寸计算 ........................................................................................... 14
4.3 复合模具主要零件的设计 ................................................................................. 15
第5章 落料拉深冲孔复合模装配 .................................... 21
5.1 冲压模具装配的技术要求 ................................................................................. 21
5.2 落料拉深冲孔复合模装配的特点 ...................................................................... 22
5.3复合模具的总体设计 ......................................................................................... 22
5.4复合模具总装配 ................................................................................................ 22
总结与展望 ....................................................... 27 3.1 3.2 3.3 3.4
参考文献 ......................................................... 28
致 谢 ........................................................... 30
- Ⅲ -
第1章 绪 论
第1章 绪 论
在现代工业生产中，模具是生产各种产品的重要工艺装备。它是以其特定的形状通过一定方式将原材料加工成为零件。采用模具成形方法生产零件，具有优质、高效、省料、低成本等优点，因此在国民经济各个部门，尤其是在机械制造、汽车、家用电器、仪器仪表、石油化工、轻工产品等工业部门得到了极其广泛的应用[1]。据统计，利用模具制造的零件，在汽车、飞机、电机电器、仪器仪表等机电产品中占70%；在电视机、录音机、计算机等电子产品中占80%以上；在手表、洗衣机、电冰箱等轻工产品中占85%以上。经过几十年的发展 ,我国的冲压模具总量位居世界第三位 ,加工技术装备基本已与世界先进水平同步。以汽车覆盖件为代表的大型、复杂、精密冲压模[2]。用 CAD/CAM /CAE软件进行三维设计和模拟，靠高速、精密的加工设备生产 ,用新型研磨或抛光代替传统的手工研磨抛光，提高模具质量。这些都代表了冲压模具发展的趋势[3]。中国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产大屏幕彩电塑壳注射模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力，在模具CAD/ CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。进入21世纪，在经济全球化的新形势下，随着资本、技术和劳动力市场的重新整合，中国装备制造业在加入WTO以后，将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多采用由模具工业提供的产品。为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求。
随着工业发展，工业产品的品种、数量越来越多；对产品质量和外观的要求，更是日趋精美。由于每副模具是特定产品零件生产用的专用工装，因此，模具设计是随工业产品零件的形状、尺寸及其精度，表面质量要求及成型工艺条件的变化而变化的。所以每副模具都必须进行创造性的设计，工业生产中普遍采用模具成形工艺方法，以提高产品的生产率和质量。一般压力机加工，一台普通压力机设计每分钟可生产零件几件到几十件，高速压力机的生产率已达到每分钟数百件甚至上千件。显而易见，模具作为一种专用的工艺装备，在生产中的决定性作用和重要地位逐渐为人们所共识。模具是大批生产同形产品的工具，是工业生产的主要工艺装备。模具工业是国民经济的基础工业。模具可保证冲压产品的尺寸精度，使产品质量稳定，而且在加工中不破坏产品表面。
- 1 -
东北电力大学本科毕业论文
用模具生产零部件可以采用冶金厂大量生产的廉价的轧制钢板或钢带为坯料，且在生产中不需加热，具有生产效率高、质量好、重量轻。成本低且节约能源和原材料等一系列优点，是其他加工方法所不能比拟的。使用模具以成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。现代制造工业的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展。
1.1课题背景及意义
模具工业是国民经济的重要基础工业，也称为“工业之母”，几乎所有的工业门类均涉及模具技术，约70%的工业制品直接或间接地依靠模具加工成型。同时模具又是“效益的放大器”，模具生产出来的产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍，上百倍。现代工业产品的生产对模具要求越来越高,模具结构日趋复杂，制造难度日益增大。模具制造正由过去的劳动密集和主要依靠工人的手工技巧及采用传统机械设备转变为技术密集，更多地依靠各种高效、高精度的数控切削机床、电加工机床，从过去的机械加工时代转变成机、电结合加工以及其它特殊加工时代，模具钳工量正呈逐渐减少之势。现代模具制造集中了制造技术的精华,体现了先进制造技术,已成为技术密集型的综合加工技术。模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备、具有生产效率高、材料利用率高、制件质量优良、工艺适应性好等特点，被广泛应用与汽车，机械、航天、航空、轻共、电子、电器、仪表等行业[4]。近年来，我国模具工业迅速发展，模具工业水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成型。自 20 世纪 80 年代开始，美国，日本，原西德模具的产值已超过机床工业的产值，模具制造业已发展成为一个独立行业。随着全球制造业向中国和东南亚转移，预计 2020 年中国将成为世界制造强国和制造业中心，制造业的发展会更大的推动模具行业的发展[4]。国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，同时为模具的发展提供了巨大的动力。这些年来，中国模具发展十分迅速，模具工业一直以15% 左右的增长速度快速发展。振兴和发展中国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”已经取得了共识。目前，中国有17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。模具制造正由过去的劳动密集和主要依靠工人的手工技巧及采用传统机械设备转变为技术密集，更多地依靠各种高效、高精度的数控切削机床、电加工机床，从过去的机械加工时代转变成机、电结合加工以及其它特殊加工时代，模具钳工量正呈逐渐减少之势。
- 2 -
第1章 绪 论
近年来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了变化。除了国有专业厂家外，还有集体企业、合资企业、独资企业和私营企业，他们都得到了迅速的发展。许多模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力度，将技术进步作为企业发展的重要动力[7]。此外，许多研究机构大专院校也开展了模具技术的研究与开发。
1.1.1 模具的发展现状及存在的问题
模具工业的快速发展，对模具制造技术不断提出更高、更新的要求。世界上一些工业发达的国家，模具制造技术的发展非常迅速。模具生产技术水平的高低，已经成为衡量一个国家产品制造业水平高低的重要标志。因为模具在很大的程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。我国非常重视模具工业的发展，重视模具技术的提高。早在1984年，我国就成立了全国模具工业协会。1989年在国务院颁布的《关于当前产业政策要点的决定》中，模具就被列为机械工业技术改造序列的首位。经过了多年代的建设与努力，我国的模具工业已初具规模，取得了相当成就[5]。
到目前为止，我国已制定了模具技术国家标准50多项、近300多个标准号。许多研究机构和大专院校都已经进行模具技术的研究和开发，为我国的经济建设输送了大批人才。我国已拥有2万多家模具生产企业，年产值超过了300亿元。经过几十年的发展 ,我国的冲压模具总量位居世界第三位 ,加工技术装备基本已与世界先进水平同步。以汽车覆盖件为代表的大型、复杂、精密冲压模。用 CAD/CAM /CAE软件进行三维设计和模拟 ,靠高速、精密的加工设备生产 ,用新型研磨或抛光代替传统的手工研磨抛光 ,提高模具质量。这些都代表了冲压模具发展的趋势。国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，同时为模具的发展提供了巨大的动力。这些年来，中国模具发展十分迅速，模具工业一直以15% 左右的增长速度快速发展。振兴和发展中国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”已经取得了共识。
目前，中国有17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。近年来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了变化。除了国有专业厂家外，还有集体企业、合资企业、独资企业和私营企业，他们都得到了迅速的发展。许多模具企业十分重视技术发展，中国工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产大屏幕彩电塑壳注射模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、
- 3 -
东北电力大学本科毕业论文
多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力，在模具CAD/ CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。进入21世纪，在经济全球化的新形势下，随着资本、技术和劳动力市场的重新整合，中国装备制造业在加入WTO以后，将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多采用由模具工业提供的产品[6]。
为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求。虽然我国模具制造技术已取得很大的发展，但是与发达国家相比还存在较大的差距。我国模具制造的专业化和标准化程度较低，模具专业化程度小于20%，而标准化程度也只有30%左右，而发达国家一般为80%；模具品种少，生产效率较低，经济效益也不高；模具制造周期长，模具精度不高，与模具制造也相适应的先进设备相对较少，CAD/CAM技术的普及率不高。我国生产的模具普遍寿命较短，仅为国外模具寿命的1/5～1/3，模具材料和热处理是非常薄弱的环节。
1.1.2 模具的发展方向
模具的出现可以追溯到几千年前的陶器烧制和青铜器铸造，但其大规模应用却是随着现代工业的崛起而发展起来的。19世纪，随着军火工业、钟表工业、无线电工业的发展，模具开始得到了广泛使用。第二次世界大战后，随着世界经济的飞速发展，它有成了大量生产家用电器、汽车等零件的最佳方式。从世界范围看，当时美国的冲压技术走在最前列，中国模具工业是19世纪末20世纪处随着军火和钟表业引进的压力机发展起来的。从那时到20世纪50年代初，模具多采用作坊式生产，凭工人经验，用简单的加工手段进行制造。在以后的几十年中，随着国民经济的大规模发展，模具业进步很快。当时中国大量引进苏联的图纸、设备和先进经验，其水平不低于当时工业发达的国家。模具的国产化虽然使中国模具制造水平逐渐赶上了国际先进水平，但计算机应用方面仍然存在很大差距。近年来，全球汽车产业结构调整的加快，国际汽车生产巨头十分看好中国的市场及汽车工业的发展，陆续把汽车及零部件生产向我国及亚洲地区扩展。随着我国国民经济的高速发展，人民生活水平的提高，特别是加入世贸组织以后，我国的汽车制造业也迎来了一个迅速发展的时期。竞争日趋激烈，汽车更新换代速度加快，而我国模具工业却不能满足汽车更新换代速度的要求，成为制约我国汽车工业的瓶颈。其设计、制造速度的快慢直接制约着汽车工业的发展[7]。
- 4 -
第1章 绪 论
目前，中国模具工业发展迅速，模具行业产业结构有了很大改善，模具商业化水平大幅度提高，中高档模具占模具总量的比例也明显提高，模具进出口比例逐步趋向合理。模具技术以广泛地应用于模具的设计，缩短了新产品的开发周期和产品的更新期，使得开发新产品达到“高质量、低成本、上市快”的目标成为可能。
1.2冲压模具简介
1.2.1 冲压成形与冲压模具的概念
冲压成形是指利用安装在压力机上的模具，对模具里的板料施加压力，使其生产分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件加工方法。冲压加工的对象一般为金属板料、薄壁管、薄型材等，板厚方向变形一般不侧重考虑，因此也称为板料冲压，并且通常是在室温状态下进行，所以也称为冷冲压[8]。
冲压模具是指在冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，俗称冲模
在冲压零件的生产中，合理的冲压成形工艺、先进的模具，高效的冲压设备是必不可少的三要素。如图1-1所示。
图 1-1 冲压零件的影响因素
1.2.2 冲压模具的分类
1.根据工艺性质分类
（1）冲裁模 沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。
（2）弯曲模 使板料毛坯或其它坯料沿着直线产品弯曲变形，从而获得一定角度和姓张的工件模具。
（3）拉深模 是把板料毛坯制成开口空心件，或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。
- 5 -
东北电力大学本科毕业论文
（4）成形模 是将毛坯或半成品工件按照凸、凹模的形状直接复制成形，而材料本身仅产生局部塑性变形的模具。如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等[9]。
2、根据工序合程度分类
（1）单工序模 在压力机的一次行程中，只完成一道冲压工序的模具。
（2）复合模 只有一个工位，在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。
（3）级进模（也称为连续模） 在毛坯的送进方向上，具有两个或更多的工位，在压力机的一次行程中，在不同的工位上逐次完成两道或两道以上冲压工序的模具。
1.3 本课题主要研究的内容及意义
本课题的研究对象是变压器开关压圈零件的落料拉深冲孔复合模具，做出工艺分析案，计算出工艺参数，设计模具的总体装配图，从而提高了理论分析能力和解决实际问题的独立工作能力。主要内容具体可以分为以下几个部分：
1、对落料拉深冲孔复合模进行工艺设计和结构设计[10]。
2、主要工作部分尺寸的计算。
3、主要工艺参数的计算。
4、模具的工作总体设计及装配。
5、设计出模具总装配图。
随着科学的飞速发展，冲压模具在各行业中有着较广泛的应用，其组成零件中标准件占有很大比重。而很多冲压制件都是系列化产品，它们的模具节哦故相同或相似而尺寸不仅相同，在设计过程中，设计人员需要反复查阅手册以确定模具零部件的标准外形与尺寸，重复设计的工作量很大。由于产品的功能、结构日趋复杂，新产品的更新换代周期不断缩短，设计环节在产品的整个生命周期中占据了越来越重要的地位。国外的模具制造企业，广泛使用先进的高精度、高速度、专业化加工装备，如日本丰田汽车模具公司拥有构造面加工数控铣床39台套、型面加工高速五轴五面铣床15台套、其它新型一体化专门加工设备6台套。加工工艺方法包括等高线加工、最大长度顺向走刀加工等，精加工走刀移行密度仅有0.3mm。同时，可以实现内凹圆角清根、外凸圆角加工到
- 6 -
第1章 绪 论
位等，因而可以控制模具配合的不等距间隙、最大可能的缩小型面误差，实现模面的精细加工。日本、韩国、新加坡、德国、荷兰、美国及我国台湾、香港地区的独资、合资企业很多，民营模具企业很不少；苏州兰佩铸造、远轻模具等企业主要生产汽车发动机及轮毂等部件压铸模和铸模，昆山中大模架等企业专业生产各种大型模架、模具导向件、模具弹簧等标准件[11]。
国内的许多模具企业通过引进先进的加工装备，硬件上与国际水平的差距正在快速缩小：上海的汽车模具企业，近年来通过大量购置先进的五轴高速加工机床、大型龙门加工中心和五轴联动数控高速铣床、数控车或复合加工机床、先进的大型测量和调试设备及多轴数控激光切割机等。一汽模具公司已经拥有五轴高速数控铣床等大型高速加工设备；东风汽车模具公司拥有高速的数控铣床。目前，资产过亿，拥有龙门加工中心10台以上的大型汽车模具企业已经达到10多家。外国人都惊呼：怎么两年之间中国大陆的汽车模具规模、数量和制造能力会有如此大的变化。我国冲压模具产品的质量和生产工艺水平，总体上比国际先进水平低许多，而模具生产周期却要比国际先进水平长许多。产品质量水平低主要表现在精度、表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上；生产工艺水平低则主要表现在加工工艺，加工装备等方面。冲压模具加工工艺和装备对提高加工效率、确保模具精度、缩短交货周期有重要影响[12]。过去的中国冲压模具行业，车、刨、铣、磨等传统普通机床和电火花线切割机床，曾经在绝大数冲压模具企业使用。采用加工冲压模具时，通常需要对模具零件反复装夹和定位，因而加工生产效率低。模具产品质量差。模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备、具有生产效率高、材料利用率高、制件质量优良、工艺适应性好等特点，被广泛应用与汽车，机械、航天、航空、轻共、电子、电器、仪表等行业。2005年中国模具工业产值达到610亿元，增长率保持在25%的高水平，行业的生产能力约占世界总量的10%，仅次于日本、美国而位列世界第三。目前我国大部分模具企业采用的仍然是传统的设计方法，特别四中小型模具企业，设计人员进行着大量的重复性劳动，在通用零件和标准件的设计过程中，不得不多次重复查阅设计手册，造成模具设计周期长、效率低、耗资大的现状，这也就影响了企业的市场竞争力[13]。
本课题变压器开关压圈，冲压该零件时，普遍采用落料、拉深、冲孔三道工序，生产效率低，成本也高，为此，设计了冲压该零件的落料、拉深、冲孔复合模，是原三道工序合三为一，大大提高了生产效率[14]。
- 7 -
东北电力大学本科毕业论文
第2章 复合模具总体方案的分析与确定
本课题的研究对象是变压器开关压圈，材料为08F，料厚为2.5mm，是形状规则的旋转体零件大批量生产。变压器开关压圈如图2-1所示。
2.1 工艺方案分析
2.1.1 工件的分析
工件图:如图所示
生产批量:大批量
材料:08钢
料厚:1.5mm
工件如图2-1所示
(a)工件简图 (b)工件实图
图2-1 工件的简图和实体图
图2-1所示为变压器开关压圈，材料为08F，料厚为1.5mm，是形状规则的旋转体零件，大批量生产。
2.1.2 落料拉深工艺分析
由图2-1可见，该工件的加工涉及到落料、拉伸、冲孔三种工序内容。根据变形特点，对于带孔的拉深件，尤其是Φ20孔到直壁的距离较近，一般应先拉深后冲孔。
(1)落料拉深工艺分析
此工件为无凸缘圆筒形，工件,要求内形尺寸，没有厚度不变的要求。此工件的形状满足拉深的工艺要求，可用拉深工序加工。
- 8 -
第2章 复合模具总体方案的分析与确定
工件底部圆角半径r=2.5mm，大于拉深凸模圆角半径r凸=4~6mm,满足拉深对圆角半径的要求。尺寸Φ60mm，按公差表查得为IT14级，满足拉深工序对工件公差等级的要求。
（2）冲孔工艺分析
对于所冲孔Φ20mm，按表2-1查得，一般冲孔模对该种材料以冲压的最小孔径为d≥t，t=1.5mm，因而Φ20孔符合工艺要求。
2.2工艺方案的确定
根据制件的工艺性分析，其基本工序有落料、拉深和切边。现拟定以下几种工艺方案：
方案一：先落料，后拉深，冲孔，采用单工序模生产。
方案二：落料拉深冲孔复合冲压，采用复合模生产。
方案三：落料、拉深级进冲压，冲孔，采用级进模生产。
方案分析：方案一模具结构较为简单，但需要三副模具和两道工序，成本高，生产效率低，难以满足大量生产的生产要求。方案二只需要一副模具，减少了工序数量，工件的精度及生产效率都比较高，但模具制造时有一定的困难。方案三也只需要一副模具，生产的制件精度不如复合模生产精度高，模具本身制造也有一定的难度，生产效率不如复合模高，并且生产过程中需要克服工件的精确定位问题。通过对上述三种方案的综合比较，并且考虑模具的制造精度及制件的精度，该冲压工艺方案选用方案二较优。
本工件首先需要落料，制成直径D=76mm的圆片，然后D=76mm的原板料为毛坯进行拉深，拉深成为内径为Φ60mm、内圆角r为2.5mm的无凸缘圆筒，最后按h=7.75mm进行修边。根据以上工艺分析，为了提高生产效率，该零件的加工采用落料、拉深和冲孔复合、一次成型的方式[15]。
- 9 -
东北电力大学本科毕业论文
第3章 主要的工艺参数计算
3.1 毛坯尺寸的计算
计算毛坯直径D 如图2-1工件图所示。
h=（8-0.75）mm=7.75mm，d=（60+0.75+0.75）mm=61.5mm，取62mm。工件的相对高度h/d=7.75mm/62mm=0.13。根据相对高度从表4-1中查得修边余量Δh=1mm。
表3-1 无凸缘圆筒行拉深件的修边余量 （mm）
无凸缘圆筒形拉深工件的毛坯尺寸计算公式为：
D=(d2 +4dH-1.72rd-0.56r2 )1/2 （3-1）
将d=62mm，H=h+ Δh=7.75mm+1mm=8.75mm，r=（2.5+0.75）mm=3.25mm代入上式，即得毛坯的直径为：
D=[622+4×62×8.75-1.72×3.25×62-0.56×3.252]1/2=76mm （3-2） 3.2 排样
排样：冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。合理的排样是提高材料利用率、降低成本，保证冲件质量及模具寿命的有效措施。在排样时应考虑如下原则。冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。同一零件可以采用
- 10 -
第3章 主要的工艺参数计算
不同的排样形式，排样方式不同，材料利用率不同。大批量生产时，在冲裁件的成本中，材料费用一般占60%以上，因此，材料的经济利用是一个重要问题，特别对贵重的有色金属。同时排样要考虑方便生产操作、冲模结构简单、寿命长以及车间生产条件和原材料状况等[16]。
要提高材料利用率，主要应从减少工艺废料着手。减少工艺废料的措施有：设计合理的排样方案，选择合适的板料规格和合理的裁板法（减少料头、料尾和边余料），或利用废料作小零件。对一定形状的冲件，结构废料是不可避免的，但充分利用结构废料是可能的。当两个不同冲件的材料和厚度相同时，较小尺寸的冲件可在较大尺寸冲件的废料中冲制出来。例如，电机转子硅钢片，就是利用定子硅刚片的废料冲出的[17]。
（1） 提高材料利用率。
（2） 使工人操作方便、安全，减轻工人的劳动强度。条料在冲裁过程中翻动
要少，在材料利用率相同或相近时，应尽可能选条料宽、进距小的排样方法。这样还可以板料裁切次数，节省裁备料时间。
（3） 使模具结构简单、模具寿命长。
（4） 保证冲件的质量。
（5） 对于弯曲件的落料，在排样时还要考虑板料的纤维方向。
该工件排样根据落料工序设计，考虑操作方便及模具结构单，
故采用单排排样设计。搭边值为a1=1.0，a=1.2，采用单挡料销挡料。则： 条料宽为 b=76mm+2a=78.4mm
条料的进距为 h=76mm+ a1 =77mm
图3-1 排样图
3.3 工序压力计算
（1）落料力计算 按式（3-3）
- 11 -
东北电力大学本科毕业论文
F落=1.3L tτ （3-3） 式中F落 —— 落料力（Ｎ）
Ｌ —— 工件外轮廓周长，Ｌ＝πD＝238mm；
t —— 材料厚度，t=0.8mm；
τ —— 材料的抗剪强度（MPa），由书末附录A1查得τ=310MPa。 落料力则为：
F落=1.3×238mm×0.8mm×310MPa≈76.73 kN （3-4）
（2）卸料力 按公式
F卸=K卸 × F落 （3-5）
式中 K卸 —— 卸料力因数，其值K卸=0.03
卸料力则为：
F卸=0.03×76.73kN≈2.30 kN （3-6）
（3）冲孔力计算 按式（3-7）
F冲=1.3Ltτ （3-7） 式中 L —— 工件内轮廓周长（mm）。L=3.14×20=62.80mm
冲孔力则为：
F冲=1.3×62.80mm×0.8mm×310MPa≈20.25 kN （3-8）
（4） 拉深力计算 由于零件为浅拉深，故可按有压边圈的圆筒形近似计算。按公式：
F拉=Kπdtσb （3-9） 式中 F拉 —— 拉深力（N）；
d —— 拉深件的直径，d=62mm；
t —— 材料厚度；
σb —— 材料的强度极限（MPa），σb=380MPa；
K —— 修正因数。由表查得修正因数 K=0.93；
拉深系数：
m=d/D=62mm/76mm=0.82 （3-10） 拉深力则为：
F拉=0.93×3.14×62×0.8×380≈55.04 kN （3-11）
3.4 冲压设备的选择
冲压设备选用是冲压工艺设计过程中的一项重要内容。模具的设计要与冲压设备的类型和主要规格相匹配，否则不能工作。正确选择冲压设备，关系到设备的安全使用、冲压工艺的顺利实施及冲压件质量、生产效率、模具寿命等
- 12 -
第3章 主要的工艺参数计算
一系列问题。冲压设备属锻压机械[18]。常见冷冲压设备有机械压力机（以Jxx表示其型号）和液压机（以Yxx表示其型号）。主要根据所要完成的冲压工艺性质、生产批量、冲压件的尺寸大小和精度要求来选择。
对于中小型冲裁件、弯曲件或拉伸件等，主要选用开式机机械压力机。开式压力机虽然刚度不高，在较大冲压力的作用下床身的变形会改变冲模间隙分布，降低模具寿命和冲压件表面质量，但是由于它提供了极为方便的操作条件和易于安装机械化附属装置的特或工作点，所以目前仍是中小型冲压件生产的主要设备。另外，在中小型冲压件生产中，若采用导板模或工作时要求导柱导套不脱离的模具，应选用行程较小的偏心轴压力机。对于大中型冲压件，多选用闭式机械压力机，包括一般用途的通用压力机和专用的精密压力机、双动或三动拉伸压力机等。其中薄板冲裁或精密冲裁时，选用精度和刚度较高的精密压力机；大型复杂拉深件生产中，应尽量选用双动或三动拉深压力机，因其可使所用模具结构简单，调整方便[19]。
在小批量生产中，多采用液压机或摩擦压力机。液压机没有固定的行程，不会因为板料厚度变化而超载，而且在需要很大的施力行程加工时，与机械压力机相比具有明显的优点，特别适合大型厚板冲压件的生产。但液压机的速度低，生产效率不高，而冲压件的尺寸精度有时受到操作因素的影响而不十分稳定。摩擦压力机具有结构简单，造价低廉，不易发生超载破坏等特点，在小批量生产中常用来弯曲件，尤其适用校平、整形、压印等成形工序。但摩擦压力机的行程次数小，生产效率低，而操作也不太方便。在大批量生产或形状复杂件的大量生产中，应尽量选用高速压力机或多工位自动压力机[20]。
冲压设备分类：
1.机械压力机按驱动滑块机构的种类可分为曲柄式和摩擦式；
2.按滑块个数可分为单动和双动；
3.按床身结构形式可分为开式（C型床身）和闭式（Ⅱ型床身）；
4.按自动化程度可分为普通压力机和高速压力机等。
对于浅拉深可按式 F压≥（1.6～1.8）F总，估算公称压力来选择压力机。选用公称压力为160 kN的方式压力机。其主要技术参数为：
公称压力：160 kN
滑块行程：55 mm
最大闭合高度：220 mm
封闭高度调节量：45 mm
工作台尺寸：300mm×450mm
模柄孔尺寸：Φ40mm×60mm
- 13 -
东北电力大学本科毕业论文
第4章 主要工作部分尺寸计算
4.1 落料刃口尺寸计算
由公差表查得Φ76为IT14级，取x=0.5mm。
则：
凹模 Dd =（Dmax-xΔ）0+δd =71.6 0+0.03
凸模 Dp =（Dd-2Cmin）-δP =71.43-0.015 00
4.2 冲孔刃口尺寸计算
冲裁属于分离工序，冲裁模凸、凹模带有锋利刃口，凸、凹模之间的间隙较小，其加工具有如下特点：
（1）凸、凹模材质一般是工具钢或合金工具钢，热处理后的硬度为58～62HRC，凹模比凸模稍硬一些；
（2）凸、凹模精度主要根据冲裁件精度决定，一般尺寸精度在IT6～IT9，工作表面粗糙度在Ra=1.6～0.4μm；
（3）凸、凹模工作端带有锋利刃口，刃口平直（斜刃除外），安装固定部分要符合配合要求；
（4）凸、凹模装配后应保证均匀的最小合理间隙。
（5）凸模的加工主要是外形加工，凹模的加工主要是孔（系）加工。凹模型孔加工和直通式凸模加工常用线切割方法。
由公差表查得Φ20为IT12级，取x=0.75mm。
则：
凸模 dp =（dmin+xΔ）-δP =Φ20-0.03
5凹模 dd =（dp +2Cmin）0+δd =Φ200+0.0
采用凸、凹模分开加工法时，为了保证凸、凹模间一定的间隙值，必须严格限制冲模制造公差，因此，造成冲模制造困难。对于冲制薄材料（因Zmax与Zmin的差值很小）的冲模，或冲制复杂形状工件的冲模，或单件生产的冲模，常常采用凸模与凹模配作的加工方法。 配作法就是先按设计尺寸制出一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件的实际尺寸再按最小合理间隙配制另一件。这种加工方法的特点是模具的间隙由配制保证，工艺比较简单，不必校核 + ≤ 的条件，并且还可放大基准件的制造公差，使制造容易。设计时，基准件的刃口尺寸及制造公差应详细标注 ，而配作件上只标注公称尺寸，不注公差，但在图纸上注明：“凸（凹）模刃口按凹（凸）模实际刃口尺寸配制，保证最小双面合
- 14 - 00
第4章 主要工作部分尺寸计算
理间隙值Zmin”。
4.3 复合模具主要零件的设计
1、凸凹模的设计
凸凹模是复合模具中同时具有落料凸模和冲孔凹模作用的工作零件。它的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸。
(a)凸凹模简图 （b）凸凹模实体图
图4-1 凸凹模的简图和实体图
2、凸模的设计
图4-2 凸模实体图
3、落料凹模的设计
- 15 -
东北电力大学本科毕业论文
(a)落料凹模简图 (b)落料凹模实体图
图4-3 落料凹模的简图和实体图
4、模柄的选用
模柄的作用是将模具的上模座固定在压力机的滑块上。该模具采用凸缘式模柄，按照国家标准选取，标准件号为B40X85 GB2862.3-1981，材料为Q235钢，如图4-4。
图4-4 模柄实体图
5、上模座的设计
- 16 -
第4章 主要工作部分尺寸计算
图4-5 上模实体图
6、下底座的设计
图4-6 底座实体图
7、卸料板的设计
- 17 -
东北电力大学本科毕业论文
（a）卸料板简图 （b）卸料板实体图
图4-7 卸料板的简图和实体图
8、中间固定板的设计
该模具的固定板为圆形固定板，一般固定板取凹模厚度的0.6～0.8倍，其平面尺寸可与凹模、卸料板外形尺寸相同、但还应考虑紧固螺钉及销钉的位置。固定板的凸模安装孔与凸模采用过渡配合。固定板的材料采用45钢[21]。
（a）中间固定板简图 (b)中间固定板实体图
图4-8 中间固定板的简图和实体图
9、橡胶的设计
- 18 -
第4章 主要工作部分尺寸计算
图4-9 橡胶实体图
冲压模具的组成零件可以分为工艺零件和结构零件两大类。如图4-10所示。
图4-10 冲压模组成零件
1.工艺零件
工艺零件是指直接与完成冲压工艺过程并和配料直接发生作用的零件。 工艺零件进一步又可分为：
（1）工作零件：是指实现冲压变形，使材料正确分离或塑性变形，保证冲压件形状的零件，包括凸模、凹模、凹凸模等。
（2）定位零件：是指保证条料或毛坯在模具中的正确位置的零件，包括导料板、导料销、侧压板、导正销、侧刃、挡料销等。
（3）压料零件：是指在拉深工序中防止工件起皱的零件，包括压料板、压料圈等。
（4）卸料零件：是指将冲裁后由于弹性恢复而卡在凹模孔内或在凸模上的
- 19 -
东北电力大学本科毕业论文
[22]
零件包括推件块、推杆、顶件块、顶杆等。
2.结构零件
结构零件是指不直接参与完成冲压工艺过程，也不和坯料直接发生作用，只对模具完成工艺过程起保证作用或对模具的功能起完善作用的零件。
结构零件进一步又可分为： （1）导向零件：是保证上模对下模正确位置和运动的零件，一般由导套和导柱组成。
（2）固定零件：是承装模具零件或将模具安装固定到压力机上的零件，如上模座、下模座、凸凹模固定板、模柄等。
（3）紧固及其它零件。如螺钉、定位销等。
- 20 -
第5章 落料拉深冲孔复合模装配
第5章 落料拉深冲孔复合模装配
模具装配是整个模具制造过程的最后阶段，模具装配图或验收技术条件是装配的依据，构成模具的所有复合技术要求的零件，包括标准件、通用件及成型零件等是模具装配的基础。但是有了合格的零件，还必须制定合理的装配工艺，才能装配符合设计要求的模具。
在装配过程中，即要保证配合零件的配合精度，又要保证零件之间的位置精度。对于具有相对运动的零部件，还必须保证它们之间的运动精度。模具装配的高低及质量好坏，直接影响零件能否正常生产以及零件的尺寸、形状精度和成本。所以说，模具的装配是模具制造过程中重要环节。
冲压模具装配完成后，各模具零件组成模具的上模部分和下模部分。冲压模具工作时，下模部分安装在压力机的工作台上，是模具的固定部分；上模部分通过模柄安装在压力机滑块上，是模具的活动部分[24]。
[23]
5.1 冲压模具装配的技术要求
（1）模具各组成零件的材料、尺寸精度、几何形状精度、表面粗糙度和热处理工艺以及相对位置精度等都要复合图样要求，零件的工作表面不允许有裂纹和机械伤痕等缺陷。
（2）模具装配后，所有模具的活动部位都应该保证位置准确、配合间隙适当、动作可靠、运动平稳。固定的零件应牢固可靠，在使用过程中不得出现松动和脱落。
（3）凸模和凹模的配合间隙应符合设计要求，沿整个刃口轮廓间隙应均匀一致。
（4）模柄装入上模座后，其轴心线对上模座上平面的垂直度误差，在全长范围内不大于0.05mm。
（5）上模座的上平面应和下模座的底平面平行。导柱和导套装配后，其轴心线应分别垂直度于下模座的底平面和上模座的上平面。
（6）装配好的模架，其上模座沿导柱上、下移动应平稳，无阻滞现象。导柱和导套的配合精度应符合规定要求。
（7）定位装置要保证毛坯定位正确可靠。
（8）卸料装置和顶件装置应灵活，正确，出料孔畅通无阻，保证制件及废料不卡在冲模内。
（9）模具应在生产的条件下进行实验，冲出的制件应符合设计要求[25]。
- 21 -
东北电力大学本科毕业论文
落料拉深复合模在结构上分为上模部分和下模部分，所以装配过程的总的思路是：将模具零件分别装配成上模部分和下模部分，然后将上模部分和下模部分装配成完整的模具。本模具的弹顶装置属于下模部分，包括橡胶、底板、联接螺钉、螺母等零件，装配时可以将这些零件先装配成弹顶装置，再作为一个整体装入下模部分[26]。
5.3复合模具的总体设计
该件的模具结构主要由上、下模座，落料凹模，凸凹模，上、下固定板，中间固定板，投料器，卸料板，垫板组成[27]。
根据主要工作部分尺寸，结构以及弹性元件的尺寸。即： 上模座：200mm×160mm×45mm HT200 下模座：250mm×200mm×45mm HT200 导 柱：28mm×170mm 20 钢
导 套：28mm×110mm×43mm 20 钢
导柱、导套渗碳深度为0.8～1.2mm，硬值为58～62HRC。落料凹模、凸凹模材料均采用Cr12，热处理硬度58～62HRC。卸料板、垫板、固定板材料均采用45钢。
5.4复合模具总装配
通过以上的设计可以得到落料拉伸冲孔复合模具的总装图，如图所示。模具的上模部分主要由上模座、落料拉伸凸凹模、卸料板、推件块等组成。下模部分由下模座、落料凹模、拉深凸模、橡胶等组成[28]。
- 22 -
第5章 落料拉深冲孔复合模装配
图5-1复合模具总装配图
压力机将力传递给顶杆13，顶杆13再通过打杆将力传递给凸凹模和冲孔凸模，当凸凹模到达一定距离时，完成落料过程，当凸凹模继续向下运动时，（打杆将力传递给压块17，将落料好的工件固定），同时完成拉伸和冲孔过程。卸料过程中，在工作过程中已将橡胶29压缩变形，当工作完后橡胶29将力释放出来带动打杆26,22,21向上运动，将工件向上顶出来。
- 23 -
东北电力大学本科毕业论文
图5-2 二维复合模具总装配图
- 24 -
第5章 落料拉深冲孔复合模装配
图5-3 落料拉伸冲孔复合模具三维总装配图
图5-4 落料拉伸冲孔复合模具装配体剖视图
- 25 -
东北电力大学本科毕业论文
图5-5 落料拉伸冲孔复合模具装配图
- 26 -
总结与期望
总结与展望
全文总结
主要研究对象是变压器开关压圈零件的落料拉深冲孔复合模具，做出工艺分析案，计算出工艺参数，设计复合模具的总体装配图，从而提高了理论分析能力和解决实际问题的独立工作能力[29]。主要内容具体可以分为以下几个部分：
1、完成了落料拉深冲孔复合模具的工艺设计和结构设计过程，对拉深凸模、落料凹模、落料拉伸凹凸模等主要成形零件以及各种标准零件进行计算和选择。
2、主要工作部分尺寸的计算。
3、主要工艺参数的计算。
4、复合模具的工作总体设计及装配。
5、设计出模具总装配图，用SolidWorks软件完成了复合模具的三维图，取得了一定的效果。
6、初步分析了研究了模具装配技术，实现在SolidWorks环境下落料拉伸冲孔复合模具完整的装配过程。
未来展望
本文虽用Solidworks软件设计出复合模具并进行了一定的研究和探索，并在企业的模具设计中得到了一定程度的应用，但是鉴于时间限制和本人知识的局限，还存在许多实际工作需要完善。在本文所做的研究工作的基础上，提出进一步的研究设想如下[30]：
(1) 目前，本论文只是完成了模具各组成零件的设计，还可以进一步的对模具各零件进行简单的改进。即方便又经济。
(2) 本文的研究目前仅局限于Solidworks设计的领域，还可以扩展到 CAM领域，根据本文的研究结论加工出模具实物，以验证本文Solidworks设计系统的可靠性与完备性。
(3) 本文设计的复合模具零件过于复杂，加工出的零件精度不高，未来的几年，在成批量生产中可以改进模具的结构，提高模具的加工精度，从而提高模具的质量和效率。
- 27 -
参考文献
参考文献
[1] 郭立波，陈春焕，潘金芝．复合冷作模具钢基材的热处理[J]．金属热处
理，2010
[2] 樊新民．高速钢-Q235 钢轧制复合板的组织与性能[J]．材料科学与工艺，
2004，12(5):521-523
[3] 杨金志，仇逸．市场信息[J]．模具商情，2005，70 (3) ：22
[4] 蔡美良．新编工模具钢的金相热处理[M]．北京：机械工业出版社，2001：
156-157
[5] 牟红霞．模具材料的发展与动向[J] ．现代制造技术与装备，2006，173(4)：
83-89
[6] 崔崑．中国模具钢现状及发展[J] ．机械工程材料，2001，(1)：1-5
[7] 崔崑．国内外模具用钢发展概况[J]．金属热处理，2007，32(1)：1-11
[8] 张鲁阳．我国冷作模具选材的趋向[J]．金属热处理，1999，(1)：4-6
[9] 潘金芝，任瑞铭，戚正风．复合工模具材料的研究现状[J]．金属热处理，
2008，(11)：6-12
[10] 刘胜国.我国冲压模具技术的现状与发展[J].黄石理学院学报,2007，23（1）
[11] 樊新民．高速钢-Q235 钢轧制复合板的组织与性能[J]．材料科学与工艺，
2004，12(5):521-523
[12] 蔡美良．新编工模具钢的金相热处理[M]．北京：机械工业出版社，2001：
156-157
[13] 牟红霞．模具材料的发展与动向[J] ．现代制造技术与装备，2006，173(4)：
83-89
[14] 史刚.汽车覆盖件拉延件设计[J].模具技术, 2004
[15] 张鲁阳．我国冷作模具选材的趋向[J]．金属热处理，1999，(1)：4-6
[16] 刘胜国.我国冲压模具技术的现状与发展[J].黄石理学院学报,2007，23（1）
- 28 -
参考文献
具设计［J］. 现代制造工程，2007（6）：72～74.
[18] 王新华.汽车冲压技术.北京：北京工业大学出版社.1999
[19] 雷正保．汽车覆盖件冲压成形CAE技术及其工业应用研究田[D]．中南
大学大学博士后出站报告，2003
[20] 谢晖，杨旭静，成艾国等．计算机仿真中板料冲压成形压边力的优化
[J]．中国机械工程，2002，13(22)：191～193
[21] 郭忠新，项辉宇，张蕾．汽车大型覆盖件冲压方向的优化设计[J]．山东
大学学报(工学版)，2003，33(5)：4944～97
[22] 杨玉英.大型薄板成形技术[M].北京:国防工业出版社,1996
[23] 李红建，邱少波，林逸．汽车车身复杂饭金件的拓扑优化设计[J]．汽车
工程，2003，25(3)：303～307
[24] 但文蛟，王耘，胡树根，张平板料成形CAE技术，模具技术，2002
[25] 周天瑞. 汽车覆盖件冲压成形技术[M]. 机械工业出版社.2000
[26] GUAN Fu-ling，SHOU Jian-jun，HOU Guo-yong，ZHANG Jing-jie，Static
analysis of synchronism deployable antenna[N]．Guan et al./J
Zhejiang Univ SCIENCE A,2006 7(8)：1365-1371.
[27] Mattiasson, K. P., Thilderkvist, etc. Simulation of spri-ngback
in sheet metal forming[A]. NUMIFORM’95[C].1995, page 36-46.
[28] Hacot H.Analysis ，Traction．Control of a Rocker-Bogie Planetary Rover[D].
M.S. Thesis, Massachusetts Institute of Technology，Cambridge，MA.1998.
[29] Scott R F．The Density of the Lunar Surface Soil[J]．Geophys Res，1968，
73(16)：356-367.
- 29 -
致 谢
致 谢
本课题是在狄驰老师悉心教导、严格要求和大力支持下完成的。从论文的选题、方案论证到论文的撰写和修改过程中，都倾注了狄老师的大量心血。
在论文写作过程中，得到了狄驰老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，高老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，狄老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩狄老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向他老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文即将完成之际，我要感谢许多让我分享他们宝贵经验和知识的同学们。通过一同的研究和探讨，他们为我论文的完成提出了许多宝贵建议，我从中得到了很多有益的启发。我还要衷心感谢父母多年来的抚养和教诲，正是他们的资助、鼓励和支持，我才能得以完成大学学业和本论文。
狄老师渊博的学识，严谨的治学态度，创新的精神，诚恳和平易近人的品格让我受益匪浅，为我树立了终身学习的榜样。值此论文完稿之际，谨向辛勤培养和无私帮助自己的老师致以崇高的敬意和由衷的感谢！
- 30 -
毕业设计论文
姓 名： 曲兆梅 学 号： 0702090504 学 院： 机械工程学院
专 业： 机械设计与制造及其自动化
题 目： 落料拉伸冲孔复合模具设计 指导教师： 狄 驰
2011 年 6 月
摘 要
摘 要
随着工业发展，冲压模具的应用越来越广泛。同时由于产品更新换代速度的加快，除了要保证模具设计质量以外，对模具设计效率的要求也越来越高。 为了促进我国冲压模具技术的发展，从计算机技术、先进加工技术及装备、其它新技术与冲压模具等方面分析了我国冲压模具的技术现状。结果表明：经过几十年的发展，我国的冲压模具总量位居世界第三位，加工技术装备基本已与世界先进水平同步。
本文首先分析了复合模具的工艺结构，介绍了复合模具的设计，重点介绍了模具的结构、凹凸模的设计、冲裁力的计算以及冲压机的选型。其次详细阐述了落料拉深冲孔复合模的工艺设计与结构设计过程、对拉深凸模、落料凹模、落料拉深凹凸等模具主要的成型零件以及各种标准零件进行设计计算和选择，基本上确定了落料拉深冲孔复合模的整体结构框架。本文设计的复合模具适用于加工几何尺寸较大、形状复杂、精度要求较高的冲压类零件，通过理论分析和大量的工程实践探索，在模具上采用了一些特殊机构，可使操作简单，提高生产效率,对提高企业的市场竞争力有着现实的意义。通过了复合模具的设计，可以将传统的分模加工合二为一，使落料、拉深、冲孔一次成形，避免了分模加工中定位误差的生产，从而保证了质量，降低了成本，提高了生产效率。 关键词：落料；拉深；冲孔；复合模；冲裁力
-Ⅰ-
Abstract
Along with the development of the industry, the stamping die is applied more and more extensively. Meanwhile, the speed up of industrial products update has put forward high request to the designing quality and efficiency of die. except that guarantee quality of design of die. In order to enhance the development of stamping technology in China, the current situation and tendency about stamping die are discussed in this paper form the aspects of computer technology. advanced processing technology and equipment ,other new technology and stamping die. The result shows: after many years development, the total amount of stamping die products in China ranks the third in the world; processing technology and equipment are comparable with the advanced ones in the world.
This paper an analysis the assembling transformer ring structure of the process on its composite die design; focuses on the structure of the mold, cove and concave mold design the calculation of punching force and punching machine selection. And it is of practical significance to improving the competitive competence of the corporation. This paper first explains in detail the process design and the structure design of compound die for blanking and drawing, and then makes design selection and calculation for main forming parts and various standard parts; such as drawing punch, blanking female die, convex and concave die for blanking and drawing. The overall frame of compound die for blanking and drawing has been basically defined. By the advance and retreat of the concave die, the traditional sub-module processing was combined into one process by integrating blanking, punching and bending in one step. This design can guarantee quality, reduce costs and improve productivity. Keywords: Blanking; Drawing; Punching; Assembling die; Blanking force
- Ⅱ-
目 录
目 录
\
摘 要 ........................................................... Ⅰ Abstract ......................................................... Ⅱ 目 录 ........................................................... Ⅲ
第1章 绪 论 ..................................................... 1
1.1课题背景及意义 ..................................................................................................2
1.1.1 模具的发展现状及存在的问题 ..................................................................3
1.1.2 模具的发展方向 .......................................................................................4
1.2冲压模具简介 .....................................................................................................5
1.2.1 冲压成形与冲压模具的概念 ......................................................................5
1.2.2 冲压模具的分类 .......................................................................................5
1.3 本课题主要研究的内容及意义 ............................................................................6
第2章 复合模具总体方案的分析与确定 ............................... 8
2.1 工艺方案分析 ....................................................................................................8
2.1.1 工件的分析 ..............................................................................................8
2.1.2 落料拉深工艺分析 ....................................................................................8
2.2工艺方案的确定 ..................................................................................................9
第3章 主要的工艺参数计算 ........................................ 10
毛坯尺寸的计算 ............................................................................................... 10
排样 ................................................................................................................ 10
工序压力计算 .................................................................................................. 11
冲压设备的选择 ............................................................................................... 12
第4章 主要工作部分尺寸计算 ...................................... 14
4.1 落料刃口尺寸计算 ........................................................................................... 14
4.2 冲孔刃口尺寸计算 ........................................................................................... 14
4.3 复合模具主要零件的设计 ................................................................................. 15
第5章 落料拉深冲孔复合模装配 .................................... 21
5.1 冲压模具装配的技术要求 ................................................................................. 21
5.2 落料拉深冲孔复合模装配的特点 ...................................................................... 22
5.3复合模具的总体设计 ......................................................................................... 22
5.4复合模具总装配 ................................................................................................ 22
总结与展望 ....................................................... 27 3.1 3.2 3.3 3.4
参考文献 ......................................................... 28
致 谢 ........................................................... 30
- Ⅲ -
第1章 绪 论
第1章 绪 论
在现代工业生产中，模具是生产各种产品的重要工艺装备。它是以其特定的形状通过一定方式将原材料加工成为零件。采用模具成形方法生产零件，具有优质、高效、省料、低成本等优点，因此在国民经济各个部门，尤其是在机械制造、汽车、家用电器、仪器仪表、石油化工、轻工产品等工业部门得到了极其广泛的应用[1]。据统计，利用模具制造的零件，在汽车、飞机、电机电器、仪器仪表等机电产品中占70%；在电视机、录音机、计算机等电子产品中占80%以上；在手表、洗衣机、电冰箱等轻工产品中占85%以上。经过几十年的发展 ,我国的冲压模具总量位居世界第三位 ,加工技术装备基本已与世界先进水平同步。以汽车覆盖件为代表的大型、复杂、精密冲压模[2]。用 CAD/CAM /CAE软件进行三维设计和模拟，靠高速、精密的加工设备生产 ,用新型研磨或抛光代替传统的手工研磨抛光，提高模具质量。这些都代表了冲压模具发展的趋势[3]。中国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产大屏幕彩电塑壳注射模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力，在模具CAD/ CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。进入21世纪，在经济全球化的新形势下，随着资本、技术和劳动力市场的重新整合，中国装备制造业在加入WTO以后，将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多采用由模具工业提供的产品。为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求。
随着工业发展，工业产品的品种、数量越来越多；对产品质量和外观的要求，更是日趋精美。由于每副模具是特定产品零件生产用的专用工装，因此，模具设计是随工业产品零件的形状、尺寸及其精度，表面质量要求及成型工艺条件的变化而变化的。所以每副模具都必须进行创造性的设计，工业生产中普遍采用模具成形工艺方法，以提高产品的生产率和质量。一般压力机加工，一台普通压力机设计每分钟可生产零件几件到几十件，高速压力机的生产率已达到每分钟数百件甚至上千件。显而易见，模具作为一种专用的工艺装备，在生产中的决定性作用和重要地位逐渐为人们所共识。模具是大批生产同形产品的工具，是工业生产的主要工艺装备。模具工业是国民经济的基础工业。模具可保证冲压产品的尺寸精度，使产品质量稳定，而且在加工中不破坏产品表面。
- 1 -
东北电力大学本科毕业论文
用模具生产零部件可以采用冶金厂大量生产的廉价的轧制钢板或钢带为坯料，且在生产中不需加热，具有生产效率高、质量好、重量轻。成本低且节约能源和原材料等一系列优点，是其他加工方法所不能比拟的。使用模具以成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。现代制造工业的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展。
1.1课题背景及意义
模具工业是国民经济的重要基础工业，也称为“工业之母”，几乎所有的工业门类均涉及模具技术，约70%的工业制品直接或间接地依靠模具加工成型。同时模具又是“效益的放大器”，模具生产出来的产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍，上百倍。现代工业产品的生产对模具要求越来越高,模具结构日趋复杂，制造难度日益增大。模具制造正由过去的劳动密集和主要依靠工人的手工技巧及采用传统机械设备转变为技术密集，更多地依靠各种高效、高精度的数控切削机床、电加工机床，从过去的机械加工时代转变成机、电结合加工以及其它特殊加工时代，模具钳工量正呈逐渐减少之势。现代模具制造集中了制造技术的精华,体现了先进制造技术,已成为技术密集型的综合加工技术。模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备、具有生产效率高、材料利用率高、制件质量优良、工艺适应性好等特点，被广泛应用与汽车，机械、航天、航空、轻共、电子、电器、仪表等行业[4]。近年来，我国模具工业迅速发展，模具工业水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成型。自 20 世纪 80 年代开始，美国，日本，原西德模具的产值已超过机床工业的产值，模具制造业已发展成为一个独立行业。随着全球制造业向中国和东南亚转移，预计 2020 年中国将成为世界制造强国和制造业中心，制造业的发展会更大的推动模具行业的发展[4]。国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，同时为模具的发展提供了巨大的动力。这些年来，中国模具发展十分迅速，模具工业一直以15% 左右的增长速度快速发展。振兴和发展中国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”已经取得了共识。目前，中国有17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。模具制造正由过去的劳动密集和主要依靠工人的手工技巧及采用传统机械设备转变为技术密集，更多地依靠各种高效、高精度的数控切削机床、电加工机床，从过去的机械加工时代转变成机、电结合加工以及其它特殊加工时代，模具钳工量正呈逐渐减少之势。
- 2 -
第1章 绪 论
近年来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了变化。除了国有专业厂家外，还有集体企业、合资企业、独资企业和私营企业，他们都得到了迅速的发展。许多模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力度，将技术进步作为企业发展的重要动力[7]。此外，许多研究机构大专院校也开展了模具技术的研究与开发。
1.1.1 模具的发展现状及存在的问题
模具工业的快速发展，对模具制造技术不断提出更高、更新的要求。世界上一些工业发达的国家，模具制造技术的发展非常迅速。模具生产技术水平的高低，已经成为衡量一个国家产品制造业水平高低的重要标志。因为模具在很大的程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。我国非常重视模具工业的发展，重视模具技术的提高。早在1984年，我国就成立了全国模具工业协会。1989年在国务院颁布的《关于当前产业政策要点的决定》中，模具就被列为机械工业技术改造序列的首位。经过了多年代的建设与努力，我国的模具工业已初具规模，取得了相当成就[5]。
到目前为止，我国已制定了模具技术国家标准50多项、近300多个标准号。许多研究机构和大专院校都已经进行模具技术的研究和开发，为我国的经济建设输送了大批人才。我国已拥有2万多家模具生产企业，年产值超过了300亿元。经过几十年的发展 ,我国的冲压模具总量位居世界第三位 ,加工技术装备基本已与世界先进水平同步。以汽车覆盖件为代表的大型、复杂、精密冲压模。用 CAD/CAM /CAE软件进行三维设计和模拟 ,靠高速、精密的加工设备生产 ,用新型研磨或抛光代替传统的手工研磨抛光 ,提高模具质量。这些都代表了冲压模具发展的趋势。国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，同时为模具的发展提供了巨大的动力。这些年来，中国模具发展十分迅速，模具工业一直以15% 左右的增长速度快速发展。振兴和发展中国的模具工业，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”已经取得了共识。
目前，中国有17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其他各类模具约占11%。近年来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了变化。除了国有专业厂家外，还有集体企业、合资企业、独资企业和私营企业，他们都得到了迅速的发展。许多模具企业十分重视技术发展，中国工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产大屏幕彩电塑壳注射模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、
- 3 -
东北电力大学本科毕业论文
多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。经过多年的努力，在模具CAD/ CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献。进入21世纪，在经济全球化的新形势下，随着资本、技术和劳动力市场的重新整合，中国装备制造业在加入WTO以后，将成为世界装备制造业的基地。而在现代制造业中，无论哪一行业的工程装备，都越来越多采用由模具工业提供的产品[6]。
为了适应用户对模具制造的高精度、短交货期、低成本的迫切要求。虽然我国模具制造技术已取得很大的发展，但是与发达国家相比还存在较大的差距。我国模具制造的专业化和标准化程度较低，模具专业化程度小于20%，而标准化程度也只有30%左右，而发达国家一般为80%；模具品种少，生产效率较低，经济效益也不高；模具制造周期长，模具精度不高，与模具制造也相适应的先进设备相对较少，CAD/CAM技术的普及率不高。我国生产的模具普遍寿命较短，仅为国外模具寿命的1/5～1/3，模具材料和热处理是非常薄弱的环节。
1.1.2 模具的发展方向
模具的出现可以追溯到几千年前的陶器烧制和青铜器铸造，但其大规模应用却是随着现代工业的崛起而发展起来的。19世纪，随着军火工业、钟表工业、无线电工业的发展，模具开始得到了广泛使用。第二次世界大战后，随着世界经济的飞速发展，它有成了大量生产家用电器、汽车等零件的最佳方式。从世界范围看，当时美国的冲压技术走在最前列，中国模具工业是19世纪末20世纪处随着军火和钟表业引进的压力机发展起来的。从那时到20世纪50年代初，模具多采用作坊式生产，凭工人经验，用简单的加工手段进行制造。在以后的几十年中，随着国民经济的大规模发展，模具业进步很快。当时中国大量引进苏联的图纸、设备和先进经验，其水平不低于当时工业发达的国家。模具的国产化虽然使中国模具制造水平逐渐赶上了国际先进水平，但计算机应用方面仍然存在很大差距。近年来，全球汽车产业结构调整的加快，国际汽车生产巨头十分看好中国的市场及汽车工业的发展，陆续把汽车及零部件生产向我国及亚洲地区扩展。随着我国国民经济的高速发展，人民生活水平的提高，特别是加入世贸组织以后，我国的汽车制造业也迎来了一个迅速发展的时期。竞争日趋激烈，汽车更新换代速度加快，而我国模具工业却不能满足汽车更新换代速度的要求，成为制约我国汽车工业的瓶颈。其设计、制造速度的快慢直接制约着汽车工业的发展[7]。
- 4 -
第1章 绪 论
目前，中国模具工业发展迅速，模具行业产业结构有了很大改善，模具商业化水平大幅度提高，中高档模具占模具总量的比例也明显提高，模具进出口比例逐步趋向合理。模具技术以广泛地应用于模具的设计，缩短了新产品的开发周期和产品的更新期，使得开发新产品达到“高质量、低成本、上市快”的目标成为可能。
1.2冲压模具简介
1.2.1 冲压成形与冲压模具的概念
冲压成形是指利用安装在压力机上的模具，对模具里的板料施加压力，使其生产分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件加工方法。冲压加工的对象一般为金属板料、薄壁管、薄型材等，板厚方向变形一般不侧重考虑，因此也称为板料冲压，并且通常是在室温状态下进行，所以也称为冷冲压[8]。
冲压模具是指在冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，俗称冲模
在冲压零件的生产中，合理的冲压成形工艺、先进的模具，高效的冲压设备是必不可少的三要素。如图1-1所示。
图 1-1 冲压零件的影响因素
1.2.2 冲压模具的分类
1.根据工艺性质分类
（1）冲裁模 沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。
（2）弯曲模 使板料毛坯或其它坯料沿着直线产品弯曲变形，从而获得一定角度和姓张的工件模具。
（3）拉深模 是把板料毛坯制成开口空心件，或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。
- 5 -
东北电力大学本科毕业论文
（4）成形模 是将毛坯或半成品工件按照凸、凹模的形状直接复制成形，而材料本身仅产生局部塑性变形的模具。如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等[9]。
2、根据工序合程度分类
（1）单工序模 在压力机的一次行程中，只完成一道冲压工序的模具。
（2）复合模 只有一个工位，在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。
（3）级进模（也称为连续模） 在毛坯的送进方向上，具有两个或更多的工位，在压力机的一次行程中，在不同的工位上逐次完成两道或两道以上冲压工序的模具。
1.3 本课题主要研究的内容及意义
本课题的研究对象是变压器开关压圈零件的落料拉深冲孔复合模具，做出工艺分析案，计算出工艺参数，设计模具的总体装配图，从而提高了理论分析能力和解决实际问题的独立工作能力。主要内容具体可以分为以下几个部分：
1、对落料拉深冲孔复合模进行工艺设计和结构设计[10]。
2、主要工作部分尺寸的计算。
3、主要工艺参数的计算。
4、模具的工作总体设计及装配。
5、设计出模具总装配图。
随着科学的飞速发展，冲压模具在各行业中有着较广泛的应用，其组成零件中标准件占有很大比重。而很多冲压制件都是系列化产品，它们的模具节哦故相同或相似而尺寸不仅相同，在设计过程中，设计人员需要反复查阅手册以确定模具零部件的标准外形与尺寸，重复设计的工作量很大。由于产品的功能、结构日趋复杂，新产品的更新换代周期不断缩短，设计环节在产品的整个生命周期中占据了越来越重要的地位。国外的模具制造企业，广泛使用先进的高精度、高速度、专业化加工装备，如日本丰田汽车模具公司拥有构造面加工数控铣床39台套、型面加工高速五轴五面铣床15台套、其它新型一体化专门加工设备6台套。加工工艺方法包括等高线加工、最大长度顺向走刀加工等，精加工走刀移行密度仅有0.3mm。同时，可以实现内凹圆角清根、外凸圆角加工到
- 6 -
第1章 绪 论
位等，因而可以控制模具配合的不等距间隙、最大可能的缩小型面误差，实现模面的精细加工。日本、韩国、新加坡、德国、荷兰、美国及我国台湾、香港地区的独资、合资企业很多，民营模具企业很不少；苏州兰佩铸造、远轻模具等企业主要生产汽车发动机及轮毂等部件压铸模和铸模，昆山中大模架等企业专业生产各种大型模架、模具导向件、模具弹簧等标准件[11]。
国内的许多模具企业通过引进先进的加工装备，硬件上与国际水平的差距正在快速缩小：上海的汽车模具企业，近年来通过大量购置先进的五轴高速加工机床、大型龙门加工中心和五轴联动数控高速铣床、数控车或复合加工机床、先进的大型测量和调试设备及多轴数控激光切割机等。一汽模具公司已经拥有五轴高速数控铣床等大型高速加工设备；东风汽车模具公司拥有高速的数控铣床。目前，资产过亿，拥有龙门加工中心10台以上的大型汽车模具企业已经达到10多家。外国人都惊呼：怎么两年之间中国大陆的汽车模具规模、数量和制造能力会有如此大的变化。我国冲压模具产品的质量和生产工艺水平，总体上比国际先进水平低许多，而模具生产周期却要比国际先进水平长许多。产品质量水平低主要表现在精度、表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上；生产工艺水平低则主要表现在加工工艺，加工装备等方面。冲压模具加工工艺和装备对提高加工效率、确保模具精度、缩短交货周期有重要影响[12]。过去的中国冲压模具行业，车、刨、铣、磨等传统普通机床和电火花线切割机床，曾经在绝大数冲压模具企业使用。采用加工冲压模具时，通常需要对模具零件反复装夹和定位，因而加工生产效率低。模具产品质量差。模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备、具有生产效率高、材料利用率高、制件质量优良、工艺适应性好等特点，被广泛应用与汽车，机械、航天、航空、轻共、电子、电器、仪表等行业。2005年中国模具工业产值达到610亿元，增长率保持在25%的高水平，行业的生产能力约占世界总量的10%，仅次于日本、美国而位列世界第三。目前我国大部分模具企业采用的仍然是传统的设计方法，特别四中小型模具企业，设计人员进行着大量的重复性劳动，在通用零件和标准件的设计过程中，不得不多次重复查阅设计手册，造成模具设计周期长、效率低、耗资大的现状，这也就影响了企业的市场竞争力[13]。
本课题变压器开关压圈，冲压该零件时，普遍采用落料、拉深、冲孔三道工序，生产效率低，成本也高，为此，设计了冲压该零件的落料、拉深、冲孔复合模，是原三道工序合三为一，大大提高了生产效率[14]。
- 7 -
东北电力大学本科毕业论文
第2章 复合模具总体方案的分析与确定
本课题的研究对象是变压器开关压圈，材料为08F，料厚为2.5mm，是形状规则的旋转体零件大批量生产。变压器开关压圈如图2-1所示。
2.1 工艺方案分析
2.1.1 工件的分析
工件图:如图所示
生产批量:大批量
材料:08钢
料厚:1.5mm
工件如图2-1所示
(a)工件简图 (b)工件实图
图2-1 工件的简图和实体图
图2-1所示为变压器开关压圈，材料为08F，料厚为1.5mm，是形状规则的旋转体零件，大批量生产。
2.1.2 落料拉深工艺分析
由图2-1可见，该工件的加工涉及到落料、拉伸、冲孔三种工序内容。根据变形特点，对于带孔的拉深件，尤其是Φ20孔到直壁的距离较近，一般应先拉深后冲孔。
(1)落料拉深工艺分析
此工件为无凸缘圆筒形，工件,要求内形尺寸，没有厚度不变的要求。此工件的形状满足拉深的工艺要求，可用拉深工序加工。
- 8 -
第2章 复合模具总体方案的分析与确定
工件底部圆角半径r=2.5mm，大于拉深凸模圆角半径r凸=4~6mm,满足拉深对圆角半径的要求。尺寸Φ60mm，按公差表查得为IT14级，满足拉深工序对工件公差等级的要求。
（2）冲孔工艺分析
对于所冲孔Φ20mm，按表2-1查得，一般冲孔模对该种材料以冲压的最小孔径为d≥t，t=1.5mm，因而Φ20孔符合工艺要求。
2.2工艺方案的确定
根据制件的工艺性分析，其基本工序有落料、拉深和切边。现拟定以下几种工艺方案：
方案一：先落料，后拉深，冲孔，采用单工序模生产。
方案二：落料拉深冲孔复合冲压，采用复合模生产。
方案三：落料、拉深级进冲压，冲孔，采用级进模生产。
方案分析：方案一模具结构较为简单，但需要三副模具和两道工序，成本高，生产效率低，难以满足大量生产的生产要求。方案二只需要一副模具，减少了工序数量，工件的精度及生产效率都比较高，但模具制造时有一定的困难。方案三也只需要一副模具，生产的制件精度不如复合模生产精度高，模具本身制造也有一定的难度，生产效率不如复合模高，并且生产过程中需要克服工件的精确定位问题。通过对上述三种方案的综合比较，并且考虑模具的制造精度及制件的精度，该冲压工艺方案选用方案二较优。
本工件首先需要落料，制成直径D=76mm的圆片，然后D=76mm的原板料为毛坯进行拉深，拉深成为内径为Φ60mm、内圆角r为2.5mm的无凸缘圆筒，最后按h=7.75mm进行修边。根据以上工艺分析，为了提高生产效率，该零件的加工采用落料、拉深和冲孔复合、一次成型的方式[15]。
- 9 -
东北电力大学本科毕业论文
第3章 主要的工艺参数计算
3.1 毛坯尺寸的计算
计算毛坯直径D 如图2-1工件图所示。
h=（8-0.75）mm=7.75mm，d=（60+0.75+0.75）mm=61.5mm，取62mm。工件的相对高度h/d=7.75mm/62mm=0.13。根据相对高度从表4-1中查得修边余量Δh=1mm。
表3-1 无凸缘圆筒行拉深件的修边余量 （mm）
无凸缘圆筒形拉深工件的毛坯尺寸计算公式为：
D=(d2 +4dH-1.72rd-0.56r2 )1/2 （3-1）
将d=62mm，H=h+ Δh=7.75mm+1mm=8.75mm，r=（2.5+0.75）mm=3.25mm代入上式，即得毛坯的直径为：
D=[622+4×62×8.75-1.72×3.25×62-0.56×3.252]1/2=76mm （3-2） 3.2 排样
排样：冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。合理的排样是提高材料利用率、降低成本，保证冲件质量及模具寿命的有效措施。在排样时应考虑如下原则。冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。同一零件可以采用
- 10 -
第3章 主要的工艺参数计算
不同的排样形式，排样方式不同，材料利用率不同。大批量生产时，在冲裁件的成本中，材料费用一般占60%以上，因此，材料的经济利用是一个重要问题，特别对贵重的有色金属。同时排样要考虑方便生产操作、冲模结构简单、寿命长以及车间生产条件和原材料状况等[16]。
要提高材料利用率，主要应从减少工艺废料着手。减少工艺废料的措施有：设计合理的排样方案，选择合适的板料规格和合理的裁板法（减少料头、料尾和边余料），或利用废料作小零件。对一定形状的冲件，结构废料是不可避免的，但充分利用结构废料是可能的。当两个不同冲件的材料和厚度相同时，较小尺寸的冲件可在较大尺寸冲件的废料中冲制出来。例如，电机转子硅钢片，就是利用定子硅刚片的废料冲出的[17]。
（1） 提高材料利用率。
（2） 使工人操作方便、安全，减轻工人的劳动强度。条料在冲裁过程中翻动
要少，在材料利用率相同或相近时，应尽可能选条料宽、进距小的排样方法。这样还可以板料裁切次数，节省裁备料时间。
（3） 使模具结构简单、模具寿命长。
（4） 保证冲件的质量。
（5） 对于弯曲件的落料，在排样时还要考虑板料的纤维方向。
该工件排样根据落料工序设计，考虑操作方便及模具结构单，
故采用单排排样设计。搭边值为a1=1.0，a=1.2，采用单挡料销挡料。则： 条料宽为 b=76mm+2a=78.4mm
条料的进距为 h=76mm+ a1 =77mm
图3-1 排样图
3.3 工序压力计算
（1）落料力计算 按式（3-3）
- 11 -
东北电力大学本科毕业论文
F落=1.3L tτ （3-3） 式中F落 —— 落料力（Ｎ）
Ｌ —— 工件外轮廓周长，Ｌ＝πD＝238mm；
t —— 材料厚度，t=0.8mm；
τ —— 材料的抗剪强度（MPa），由书末附录A1查得τ=310MPa。 落料力则为：
F落=1.3×238mm×0.8mm×310MPa≈76.73 kN （3-4）
（2）卸料力 按公式
F卸=K卸 × F落 （3-5）
式中 K卸 —— 卸料力因数，其值K卸=0.03
卸料力则为：
F卸=0.03×76.73kN≈2.30 kN （3-6）
（3）冲孔力计算 按式（3-7）
F冲=1.3Ltτ （3-7） 式中 L —— 工件内轮廓周长（mm）。L=3.14×20=62.80mm
冲孔力则为：
F冲=1.3×62.80mm×0.8mm×310MPa≈20.25 kN （3-8）
（4） 拉深力计算 由于零件为浅拉深，故可按有压边圈的圆筒形近似计算。按公式：
F拉=Kπdtσb （3-9） 式中 F拉 —— 拉深力（N）；
d —— 拉深件的直径，d=62mm；
t —— 材料厚度；
σb —— 材料的强度极限（MPa），σb=380MPa；
K —— 修正因数。由表查得修正因数 K=0.93；
拉深系数：
m=d/D=62mm/76mm=0.82 （3-10） 拉深力则为：
F拉=0.93×3.14×62×0.8×380≈55.04 kN （3-11）
3.4 冲压设备的选择
冲压设备选用是冲压工艺设计过程中的一项重要内容。模具的设计要与冲压设备的类型和主要规格相匹配，否则不能工作。正确选择冲压设备，关系到设备的安全使用、冲压工艺的顺利实施及冲压件质量、生产效率、模具寿命等
- 12 -
第3章 主要的工艺参数计算
一系列问题。冲压设备属锻压机械[18]。常见冷冲压设备有机械压力机（以Jxx表示其型号）和液压机（以Yxx表示其型号）。主要根据所要完成的冲压工艺性质、生产批量、冲压件的尺寸大小和精度要求来选择。
对于中小型冲裁件、弯曲件或拉伸件等，主要选用开式机机械压力机。开式压力机虽然刚度不高，在较大冲压力的作用下床身的变形会改变冲模间隙分布，降低模具寿命和冲压件表面质量，但是由于它提供了极为方便的操作条件和易于安装机械化附属装置的特或工作点，所以目前仍是中小型冲压件生产的主要设备。另外，在中小型冲压件生产中，若采用导板模或工作时要求导柱导套不脱离的模具，应选用行程较小的偏心轴压力机。对于大中型冲压件，多选用闭式机械压力机，包括一般用途的通用压力机和专用的精密压力机、双动或三动拉伸压力机等。其中薄板冲裁或精密冲裁时，选用精度和刚度较高的精密压力机；大型复杂拉深件生产中，应尽量选用双动或三动拉深压力机，因其可使所用模具结构简单，调整方便[19]。
在小批量生产中，多采用液压机或摩擦压力机。液压机没有固定的行程，不会因为板料厚度变化而超载，而且在需要很大的施力行程加工时，与机械压力机相比具有明显的优点，特别适合大型厚板冲压件的生产。但液压机的速度低，生产效率不高，而冲压件的尺寸精度有时受到操作因素的影响而不十分稳定。摩擦压力机具有结构简单，造价低廉，不易发生超载破坏等特点，在小批量生产中常用来弯曲件，尤其适用校平、整形、压印等成形工序。但摩擦压力机的行程次数小，生产效率低，而操作也不太方便。在大批量生产或形状复杂件的大量生产中，应尽量选用高速压力机或多工位自动压力机[20]。
冲压设备分类：
1.机械压力机按驱动滑块机构的种类可分为曲柄式和摩擦式；
2.按滑块个数可分为单动和双动；
3.按床身结构形式可分为开式（C型床身）和闭式（Ⅱ型床身）；
4.按自动化程度可分为普通压力机和高速压力机等。
对于浅拉深可按式 F压≥（1.6～1.8）F总，估算公称压力来选择压力机。选用公称压力为160 kN的方式压力机。其主要技术参数为：
公称压力：160 kN
滑块行程：55 mm
最大闭合高度：220 mm
封闭高度调节量：45 mm
工作台尺寸：300mm×450mm
模柄孔尺寸：Φ40mm×60mm
- 13 -
东北电力大学本科毕业论文
第4章 主要工作部分尺寸计算
4.1 落料刃口尺寸计算
由公差表查得Φ76为IT14级，取x=0.5mm。
则：
凹模 Dd =（Dmax-xΔ）0+δd =71.6 0+0.03
凸模 Dp =（Dd-2Cmin）-δP =71.43-0.015 00
4.2 冲孔刃口尺寸计算
冲裁属于分离工序，冲裁模凸、凹模带有锋利刃口，凸、凹模之间的间隙较小，其加工具有如下特点：
（1）凸、凹模材质一般是工具钢或合金工具钢，热处理后的硬度为58～62HRC，凹模比凸模稍硬一些；
（2）凸、凹模精度主要根据冲裁件精度决定，一般尺寸精度在IT6～IT9，工作表面粗糙度在Ra=1.6～0.4μm；
（3）凸、凹模工作端带有锋利刃口，刃口平直（斜刃除外），安装固定部分要符合配合要求；
（4）凸、凹模装配后应保证均匀的最小合理间隙。
（5）凸模的加工主要是外形加工，凹模的加工主要是孔（系）加工。凹模型孔加工和直通式凸模加工常用线切割方法。
由公差表查得Φ20为IT12级，取x=0.75mm。
则：
凸模 dp =（dmin+xΔ）-δP =Φ20-0.03
5凹模 dd =（dp +2Cmin）0+δd =Φ200+0.0
采用凸、凹模分开加工法时，为了保证凸、凹模间一定的间隙值，必须严格限制冲模制造公差，因此，造成冲模制造困难。对于冲制薄材料（因Zmax与Zmin的差值很小）的冲模，或冲制复杂形状工件的冲模，或单件生产的冲模，常常采用凸模与凹模配作的加工方法。 配作法就是先按设计尺寸制出一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件的实际尺寸再按最小合理间隙配制另一件。这种加工方法的特点是模具的间隙由配制保证，工艺比较简单，不必校核 + ≤ 的条件，并且还可放大基准件的制造公差，使制造容易。设计时，基准件的刃口尺寸及制造公差应详细标注 ，而配作件上只标注公称尺寸，不注公差，但在图纸上注明：“凸（凹）模刃口按凹（凸）模实际刃口尺寸配制，保证最小双面合
- 14 - 00
第4章 主要工作部分尺寸计算
理间隙值Zmin”。
4.3 复合模具主要零件的设计
1、凸凹模的设计
凸凹模是复合模具中同时具有落料凸模和冲孔凹模作用的工作零件。它的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸。
(a)凸凹模简图 （b）凸凹模实体图
图4-1 凸凹模的简图和实体图
2、凸模的设计
图4-2 凸模实体图
3、落料凹模的设计
- 15 -
东北电力大学本科毕业论文
(a)落料凹模简图 (b)落料凹模实体图
图4-3 落料凹模的简图和实体图
4、模柄的选用
模柄的作用是将模具的上模座固定在压力机的滑块上。该模具采用凸缘式模柄，按照国家标准选取，标准件号为B40X85 GB2862.3-1981，材料为Q235钢，如图4-4。
图4-4 模柄实体图
5、上模座的设计
- 16 -
第4章 主要工作部分尺寸计算
图4-5 上模实体图
6、下底座的设计
图4-6 底座实体图
7、卸料板的设计
- 17 -
东北电力大学本科毕业论文
（a）卸料板简图 （b）卸料板实体图
图4-7 卸料板的简图和实体图
8、中间固定板的设计
该模具的固定板为圆形固定板，一般固定板取凹模厚度的0.6～0.8倍，其平面尺寸可与凹模、卸料板外形尺寸相同、但还应考虑紧固螺钉及销钉的位置。固定板的凸模安装孔与凸模采用过渡配合。固定板的材料采用45钢[21]。
（a）中间固定板简图 (b)中间固定板实体图
图4-8 中间固定板的简图和实体图
9、橡胶的设计
- 18 -
第4章 主要工作部分尺寸计算
图4-9 橡胶实体图
冲压模具的组成零件可以分为工艺零件和结构零件两大类。如图4-10所示。
图4-10 冲压模组成零件
1.工艺零件
工艺零件是指直接与完成冲压工艺过程并和配料直接发生作用的零件。 工艺零件进一步又可分为：
（1）工作零件：是指实现冲压变形，使材料正确分离或塑性变形，保证冲压件形状的零件，包括凸模、凹模、凹凸模等。
（2）定位零件：是指保证条料或毛坯在模具中的正确位置的零件，包括导料板、导料销、侧压板、导正销、侧刃、挡料销等。
（3）压料零件：是指在拉深工序中防止工件起皱的零件，包括压料板、压料圈等。
（4）卸料零件：是指将冲裁后由于弹性恢复而卡在凹模孔内或在凸模上的
- 19 -
东北电力大学本科毕业论文
[22]
零件包括推件块、推杆、顶件块、顶杆等。
2.结构零件
结构零件是指不直接参与完成冲压工艺过程，也不和坯料直接发生作用，只对模具完成工艺过程起保证作用或对模具的功能起完善作用的零件。
结构零件进一步又可分为： （1）导向零件：是保证上模对下模正确位置和运动的零件，一般由导套和导柱组成。
（2）固定零件：是承装模具零件或将模具安装固定到压力机上的零件，如上模座、下模座、凸凹模固定板、模柄等。
（3）紧固及其它零件。如螺钉、定位销等。
- 20 -
第5章 落料拉深冲孔复合模装配
第5章 落料拉深冲孔复合模装配
模具装配是整个模具制造过程的最后阶段，模具装配图或验收技术条件是装配的依据，构成模具的所有复合技术要求的零件，包括标准件、通用件及成型零件等是模具装配的基础。但是有了合格的零件，还必须制定合理的装配工艺，才能装配符合设计要求的模具。
在装配过程中，即要保证配合零件的配合精度，又要保证零件之间的位置精度。对于具有相对运动的零部件，还必须保证它们之间的运动精度。模具装配的高低及质量好坏，直接影响零件能否正常生产以及零件的尺寸、形状精度和成本。所以说，模具的装配是模具制造过程中重要环节。
冲压模具装配完成后，各模具零件组成模具的上模部分和下模部分。冲压模具工作时，下模部分安装在压力机的工作台上，是模具的固定部分；上模部分通过模柄安装在压力机滑块上，是模具的活动部分[24]。
[23]
5.1 冲压模具装配的技术要求
（1）模具各组成零件的材料、尺寸精度、几何形状精度、表面粗糙度和热处理工艺以及相对位置精度等都要复合图样要求，零件的工作表面不允许有裂纹和机械伤痕等缺陷。
（2）模具装配后，所有模具的活动部位都应该保证位置准确、配合间隙适当、动作可靠、运动平稳。固定的零件应牢固可靠，在使用过程中不得出现松动和脱落。
（3）凸模和凹模的配合间隙应符合设计要求，沿整个刃口轮廓间隙应均匀一致。
（4）模柄装入上模座后，其轴心线对上模座上平面的垂直度误差，在全长范围内不大于0.05mm。
（5）上模座的上平面应和下模座的底平面平行。导柱和导套装配后，其轴心线应分别垂直度于下模座的底平面和上模座的上平面。
（6）装配好的模架，其上模座沿导柱上、下移动应平稳，无阻滞现象。导柱和导套的配合精度应符合规定要求。
（7）定位装置要保证毛坯定位正确可靠。
（8）卸料装置和顶件装置应灵活，正确，出料孔畅通无阻，保证制件及废料不卡在冲模内。
（9）模具应在生产的条件下进行实验，冲出的制件应符合设计要求[25]。
- 21 -
东北电力大学本科毕业论文
落料拉深复合模在结构上分为上模部分和下模部分，所以装配过程的总的思路是：将模具零件分别装配成上模部分和下模部分，然后将上模部分和下模部分装配成完整的模具。本模具的弹顶装置属于下模部分，包括橡胶、底板、联接螺钉、螺母等零件，装配时可以将这些零件先装配成弹顶装置，再作为一个整体装入下模部分[26]。
5.3复合模具的总体设计
该件的模具结构主要由上、下模座，落料凹模，凸凹模，上、下固定板，中间固定板，投料器，卸料板，垫板组成[27]。
根据主要工作部分尺寸，结构以及弹性元件的尺寸。即： 上模座：200mm×160mm×45mm HT200 下模座：250mm×200mm×45mm HT200 导 柱：28mm×170mm 20 钢
导 套：28mm×110mm×43mm 20 钢
导柱、导套渗碳深度为0.8～1.2mm，硬值为58～62HRC。落料凹模、凸凹模材料均采用Cr12，热处理硬度58～62HRC。卸料板、垫板、固定板材料均采用45钢。
5.4复合模具总装配
通过以上的设计可以得到落料拉伸冲孔复合模具的总装图，如图所示。模具的上模部分主要由上模座、落料拉伸凸凹模、卸料板、推件块等组成。下模部分由下模座、落料凹模、拉深凸模、橡胶等组成[28]。
- 22 -
第5章 落料拉深冲孔复合模装配
图5-1复合模具总装配图
压力机将力传递给顶杆13，顶杆13再通过打杆将力传递给凸凹模和冲孔凸模，当凸凹模到达一定距离时，完成落料过程，当凸凹模继续向下运动时，（打杆将力传递给压块17，将落料好的工件固定），同时完成拉伸和冲孔过程。卸料过程中，在工作过程中已将橡胶29压缩变形，当工作完后橡胶29将力释放出来带动打杆26,22,21向上运动，将工件向上顶出来。
- 23 -
东北电力大学本科毕业论文
图5-2 二维复合模具总装配图
- 24 -
第5章 落料拉深冲孔复合模装配
图5-3 落料拉伸冲孔复合模具三维总装配图
图5-4 落料拉伸冲孔复合模具装配体剖视图
- 25 -
东北电力大学本科毕业论文
图5-5 落料拉伸冲孔复合模具装配图
- 26 -
总结与期望
总结与展望
全文总结
主要研究对象是变压器开关压圈零件的落料拉深冲孔复合模具，做出工艺分析案，计算出工艺参数，设计复合模具的总体装配图，从而提高了理论分析能力和解决实际问题的独立工作能力[29]。主要内容具体可以分为以下几个部分：
1、完成了落料拉深冲孔复合模具的工艺设计和结构设计过程，对拉深凸模、落料凹模、落料拉伸凹凸模等主要成形零件以及各种标准零件进行计算和选择。
2、主要工作部分尺寸的计算。
3、主要工艺参数的计算。
4、复合模具的工作总体设计及装配。
5、设计出模具总装配图，用SolidWorks软件完成了复合模具的三维图，取得了一定的效果。
6、初步分析了研究了模具装配技术，实现在SolidWorks环境下落料拉伸冲孔复合模具完整的装配过程。
未来展望
本文虽用Solidworks软件设计出复合模具并进行了一定的研究和探索，并在企业的模具设计中得到了一定程度的应用，但是鉴于时间限制和本人知识的局限，还存在许多实际工作需要完善。在本文所做的研究工作的基础上，提出进一步的研究设想如下[30]：
(1) 目前，本论文只是完成了模具各组成零件的设计，还可以进一步的对模具各零件进行简单的改进。即方便又经济。
(2) 本文的研究目前仅局限于Solidworks设计的领域，还可以扩展到 CAM领域，根据本文的研究结论加工出模具实物，以验证本文Solidworks设计系统的可靠性与完备性。
(3) 本文设计的复合模具零件过于复杂，加工出的零件精度不高，未来的几年，在成批量生产中可以改进模具的结构，提高模具的加工精度，从而提高模具的质量和效率。
- 27 -
参考文献
参考文献
[1] 郭立波，陈春焕，潘金芝．复合冷作模具钢基材的热处理[J]．金属热处
理，2010
[2] 樊新民．高速钢-Q235 钢轧制复合板的组织与性能[J]．材料科学与工艺，
2004，12(5):521-523
[3] 杨金志，仇逸．市场信息[J]．模具商情，2005，70 (3) ：22
[4] 蔡美良．新编工模具钢的金相热处理[M]．北京：机械工业出版社，2001：
156-157
[5] 牟红霞．模具材料的发展与动向[J] ．现代制造技术与装备，2006，173(4)：
83-89
[6] 崔崑．中国模具钢现状及发展[J] ．机械工程材料，2001，(1)：1-5
[7] 崔崑．国内外模具用钢发展概况[J]．金属热处理，2007，32(1)：1-11
[8] 张鲁阳．我国冷作模具选材的趋向[J]．金属热处理，1999，(1)：4-6
[9] 潘金芝，任瑞铭，戚正风．复合工模具材料的研究现状[J]．金属热处理，
2008，(11)：6-12
[10] 刘胜国.我国冲压模具技术的现状与发展[J].黄石理学院学报,2007，23（1）
[11] 樊新民．高速钢-Q235 钢轧制复合板的组织与性能[J]．材料科学与工艺，
2004，12(5):521-523
[12] 蔡美良．新编工模具钢的金相热处理[M]．北京：机械工业出版社，2001：
156-157
[13] 牟红霞．模具材料的发展与动向[J] ．现代制造技术与装备，2006，173(4)：
83-89
[14] 史刚.汽车覆盖件拉延件设计[J].模具技术, 2004
[15] 张鲁阳．我国冷作模具选材的趋向[J]．金属热处理，1999，(1)：4-6
[16] 刘胜国.我国冲压模具技术的现状与发展[J].黄石理学院学报,2007，23（1）
- 28 -
参考文献
具设计［J］. 现代制造工程，2007（6）：72～74.
[18] 王新华.汽车冲压技术.北京：北京工业大学出版社.1999
[19] 雷正保．汽车覆盖件冲压成形CAE技术及其工业应用研究田[D]．中南
大学大学博士后出站报告，2003
[20] 谢晖，杨旭静，成艾国等．计算机仿真中板料冲压成形压边力的优化
[J]．中国机械工程，2002，13(22)：191～193
[21] 郭忠新，项辉宇，张蕾．汽车大型覆盖件冲压方向的优化设计[J]．山东
大学学报(工学版)，2003，33(5)：4944～97
[22] 杨玉英.大型薄板成形技术[M].北京:国防工业出版社,1996
[23] 李红建，邱少波，林逸．汽车车身复杂饭金件的拓扑优化设计[J]．汽车
工程，2003，25(3)：303～307
[24] 但文蛟，王耘，胡树根，张平板料成形CAE技术，模具技术，2002
[25] 周天瑞. 汽车覆盖件冲压成形技术[M]. 机械工业出版社.2000
[26] GUAN Fu-ling，SHOU Jian-jun，HOU Guo-yong，ZHANG Jing-jie，Static
analysis of synchronism deployable antenna[N]．Guan et al./J
Zhejiang Univ SCIENCE A,2006 7(8)：1365-1371.
[27] Mattiasson, K. P., Thilderkvist, etc. Simulation of spri-ngback
in sheet metal forming[A]. NUMIFORM’95[C].1995, page 36-46.
[28] Hacot H.Analysis ，Traction．Control of a Rocker-Bogie Planetary Rover[D].
M.S. Thesis, Massachusetts Institute of Technology，Cambridge，MA.1998.
[29] Scott R F．The Density of the Lunar Surface Soil[J]．Geophys Res，1968，
73(16)：356-367.
- 29 -
致 谢
致 谢
本课题是在狄驰老师悉心教导、严格要求和大力支持下完成的。从论文的选题、方案论证到论文的撰写和修改过程中，都倾注了狄老师的大量心血。
在论文写作过程中，得到了狄驰老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，高老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，狄老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩狄老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向他老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文即将完成之际，我要感谢许多让我分享他们宝贵经验和知识的同学们。通过一同的研究和探讨，他们为我论文的完成提出了许多宝贵建议，我从中得到了很多有益的启发。我还要衷心感谢父母多年来的抚养和教诲，正是他们的资助、鼓励和支持，我才能得以完成大学学业和本论文。
狄老师渊博的学识，严谨的治学态度，创新的精神，诚恳和平易近人的品格让我受益匪浅，为我树立了终身学习的榜样。值此论文完稿之际，谨向辛勤培养和无私帮助自己的老师致以崇高的敬意和由衷的感谢！
- 30 -