冲压模具不锈钢杯子的设计

2013年度本科生毕业论文（设计）

毕业论文（设计）题目

冲压模具不锈钢杯子的设计

院 － 系： 工学院自动化系

专 业： 机械工程及自动化

年 级：

学生姓名：

学 号：

导师及职称：

2013年6月

2013Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate

Title of the Graduation Thesis (Project) (Design of the stamping die for the stainless steel cup)

Department: College of Life Science and Technology Major: Mechanical Engineering and automation Grade:

Student’s Name:

Student No.:

Tutor:

June, 2013

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研

究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名： 日期：

毕业论文（设计）授权使用说明

本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名： 指导教师签名：

日期： 日期：

(答辩小组)成员名单

摘 要

改革开放以来，随着国民经济的发展，市场对模具的需求不断增长。由于模具在生产过程中的诸多优点，使得模具成形的应用也越来越广泛。冷冲压模具在模具领域内占有举足轻重的地位，所以他的应用也非常广泛。

不锈钢杯子的制作就是应用了模具，通过对杯子的设计和计算可以从产品的质量、生产效率、成本的目的，模具使用方便、安全、寿命长，设计、制作等方面来研究计算，努力让该技术得到提高。

杯子，其结构简单，是一个无凸缘圆筒结构的。在本设计中，以杯子为研究对象。在我们生活的这个飞速发展的年代，酒成了我们生活中不可缺少的一种药剂，在我们生活水平不但提高的今天人们对就的品质和要求也就提高了。现在人们流行泡吧。喜欢在酒吧里喝着刚调好的酒，欣赏着调酒师的花样调酒法。这对现在大多数上班族无疑是一种很好的放松和消遣，很多人对这种生活满意因此想做一下这种模具来研究它的材质和制作方法。

对加工该杯子的模具进行了设计，主要内容包括：

（1）本论文对冲压模具的国内外发展现状及发展优势，冲压模具研究的目的、意义及进行了叙述。

（2）对零件的加工工艺进行了分析并对相关尺寸进行了计算。主要包括：零件结构的分析，零件材料的选用、尺寸的测量分析、毛坯尺寸的计算、拉深次数的确定和拉深过程中尺寸的计算、如何确定排样方式及材料利用率的计算。

（3）模具的设计。落料拉深模。主要进行了压力机的选择、落料拉深、凸凹模尺寸的计算、模架的选用、定位装置、卸料机构的选择等。

（4）在拉深工艺中会遇到的起皱及防护措施和其它的辅助工序。

（5）最终绘制了落料拉深模和整形模的装配图和零件图。

做杯子设计最后对本论文撰写过程中存在的问题及缺陷进行了叙述，借鉴其他冲压模具设计的经验，给出了几种常用的解决方法。

关键词：杯子；不锈钢；拉深模；

Abstract

Since the reform and opening up, with the development of the national economy, market demand for mold growth. Because of many advantages of mold in the production process, application of the forming die is more and more widely. Cold stamping die has play a decisive role position in die field, so its application is very extensive.Stainless steel cup is the application of the mold, the design and calculation of the cup from the product quality, production efficiency, cost, mould convenient and safe use, long life, design, production, research, trying to make the technology improves.The cup, which is simple in structure, is a flangeless cylindrical structure.

In this design, with the cup as the research object. In the rapid development of age we live in, the wine became an agent of our lives, people not only improve in our standard of living today on the quality and requirements will increase. Now the popular bars. Like in a bar drinking just adjust the good wine, enjoy the bartender bartender method. The most work is relaxed and entertained a very good, many people think of this life satisfaction to the mould to study its material and making method.

Die for processing the cup is designed, the main contents include:

(1) the development situation and development advantages of the stamping die at home and abroad, purpose, and significance of the stamping die are described.

(2) the machining technology of part was analyzed and the correlation dimensions are calculated. Mainly include: analysis of parts structure, parts material selection, size of the measurement and analysis, blank dimension calculation, the number of drawing and determine the drawing process dimension calculation, how to determine the layout and calculation of the material utilization ratio.

(3) the mold design. Blanking and drawing die. The choice of the press, blanking and drawing, die size calculation, mold selection, positioning device,

unloading mechanism selection.

(4) encountered in the drawing process of wrinkling and protective measures and other auxiliary process.

(5) the final draw assembly drawing and parts drawing blanking and drawing die and plastic mould.Do the cup final design of problems and defects existing in the process of writing this thesis was described, using other experience in stamping die design, gives the solving methods.

Keywords: glass; stainless steel; drawing die;

目 录

第一章 绪论......................................................... 1

1.1选题的目的、意义和要达到的目的。............................. 1

1.2冲压工艺的发展优势和现状..................................... 1

1．2 1 冲压工艺的发展优势.................................... 1

1.3 冷模具生产中的影响因素和基本步骤 ............................ 2

1.3.1 影响因素............................................... 2

1.3.2 基本步骤............................................... 2

1.4 论文的主要内容 .............................................. 3

第二章 零件的工艺分析和相关计算..................................... 4

2.1 材料的选择 .................................................. 4

2.1.1 冷冲压材料的选择要求................................... 4

2.1.2 材料的选择及经济效益................................... 4

2.2 圆筒成形的工艺性分析 ........................................ 5

2.2.1 圆筒结构形状与尺寸分析................................. 5

2.2.2 精度与表面粗糙度....................................... 6

2.3 毛坯的计算和拉伸次数的确定 .................................. 6

2.3.1 毛坯尺寸的计算......................................... 6

2.3.2 压边圈的选用和拉深次数的确定........................... 8

2.4 排样设计及材料利用率 ....................................... 11

2.4.1 排样设计.............................................. 11

2.4.2 材料利用率的计算...................................... 14

第三章 模具的设计及相关计算........................................ 19

3.1 落料拉伸模的设计及相关计算 ................................. 19

3.1.1 各工序力的计算........................................ 19

3.1.2 模具类型和结构形式的选择.............................. 20

3.1.3 工作部分凸、凹模的设计与计算.......................... 20

3.2模具总体与部件设计.......................................... 24

3.21 总体设计............................................... 24

3.2.2模架的种类及选择 ...................................... 24

3.3工艺方案的确定.............................................. 25

3.4 辅助工序润滑、热处理、酸洗 ................................. 25

3.4.1拉深过程中工件热处理的目的 ............................ 25

3.4.2 拉深过程中润滑的目的和方法............................ 26

3.4.3拉深过程中工件为什么要进行酸洗 酸洗的工艺过程 ........ 26

第四章 总结........................................................ 27

参考文献........................................................... 28

致谢............................................................... 29

第一章 绪论

1.1选题的目的、意义和要达到的目的。

以调酒杯为设计课题，一方面让我对我们周围的市场有所了解，另一方面能熟练使用AutoCAD绘图软件，让自己在模具设计、模具选材、模具成形工艺分析、以及资料检索等方面获得综合训练和提高，为今后的工作奠定坚实的基础。

模具作为特殊的工艺装备，在现代制造业中越来越重要。在我们生活中得到了广泛的应用，如家电、汽车、工业等

在我们生活的这个飞速发展的年代，酒成了我们生活中不可缺少的一种药剂，在我们生活水平不但提高的今天人们对就的品质和要求也就提高了。现在人们流行泡吧。喜欢在酒吧里喝着刚调好的酒，欣赏着调酒师的花样调酒法。这对现在大多数上班族无疑是一种很好的放松和消遣，很多人对这种生活满意因此想做一下这种模具来研究它的材质和制作方法。

1.2冲压工艺的发展优势和现状

1．2 1 冲压工艺的发展优势

冲压工艺是一种成形加工方法 ，通常依靠外在压力和模具对 相关的板料施加相应的力，使其板料发生分离或塑性变形，从而实现所需形状和尺寸的冲压件的有效获取[8]。与其他的机械、塑性等加工方法比较而言，冲压加工工艺在其技术上和经济上具备了诸多的独特优势，具体表现在以下几个方面[8]。

1、 冲压加工工艺的操作便利，易于实现工艺的机械自动化。由于冲压加工工艺的实现是通过冲压模具、冲压设备而完成的，而普通压力机每分钟的行程量可达到几十次，若是高速的压力机每分钟的行程量则可为上百至千次，并且压力机的每次行程都有可能获取一个冲件，从而使其加工工艺的生产效率得到了大大的提高[8]。

2 、冲压工艺的质量稳定，具有良好的互换性。这是因为在进行冲压加工时，冲压模具使其冲压件的形状尺寸的精度得到了良好的保证，冲压件的表面质量通常都会受到较好的保护，再加之所使用的冲压模具的使用寿命较长，从而使得同一冲压模具制成的冲压件具有一模一样的特点[8]。

3、冲压加工工艺是一种省料、节能的加工方法，在其冲压工过程中几乎没

1

有碎料的产生，使得材料的利用率较高，并且在此过程中无需外来其他的加热设备，因而所得 冲压件的成本也较低[10]。

由于冲压加工工艺中所用的模具具有一定的专业性，冲压模具是一种制造精度[8]、技术要求都较高的技术密集型产品，而加工成形一个复杂零件时所需要的模具也较多，因此，冲压工艺的优越性只有在冲压件大量生产的情况下也会得到充分的体现，其所获取的经济效益也会随之体现 的更为突出。

1.2.2、冲压工艺的发展现状

近年来 ，随着对先进制造技术发展的重要性共识的形成 ，将其特征与现代化高新技术相结合，冲压工艺在其深度和广度上都取得了突飞猛进的进展[8]。本文以汽车车身覆盖件的加工为对象，阐述冲压工艺 的发展现状。

1.3 冷模具生产中的影响因素和基本步骤

1.3.1 影响因素

冷冲压模具应用范围广，在模具行业中占有重要的位置。一般来说，冷冲压模具在设计中受一下多种因素的影响：

1、冲件的成形内容；

该调酒杯成形内容有零件的落料拉伸、材料利用率的计算、凸凹模刃口的计算和整形模的设计等。

2、冲件结构形状、尺寸大小、精度及其他技术要求； 3、冲件材料种类、坯料类型、力学性能以及厚度等； 4、产品的生产批量。

5、模具制造的基本条件及制作习惯 6、模具使用单位的设备状况。 1.3.2 基本步骤

一率的般来说，模具设计的步骤主要包括以下3点： 1、工艺设计

模具的工艺设计，是指根据对零件的形状、尺寸以及工艺性分析等，进行毛坯的计算、材料利用计算和压力机的校核等。

2、模具设计

模具设计，是建立在工艺设计的基础上，对压力机的选择、凸模和凹模的结构设计、零件图和装配图的绘制等。

编写工艺文件及设计计算说明书。

2

1.4 论文的主要内容

1、根据灯头的工作环境和质量要求，对产品的材料进行对比选择，确定较佳材料。

2、根据对圆筒的结构、尺寸和工艺性分析，确定拉伸次数和工艺方案的确定、工件尺寸的计算、排料方式的设计和压力机的校核。

3、根据圆筒的结构和形状，确定落料拉伸模和整形模。落料拉伸复合模包括工件的定位方式、卸料方式、支承固定零件、模架的选择和压力机的参数等；整形模的设计有凸模和凹模的设计、顶件器的设计和装配图的设计等。

3

第二章 零件的工艺分析和相关计算

2.1 材料的选择

2.1.1 冷冲压材料的选择要求 1、要具有较好的剪切性能；

2、板料表面要光滑、平整，没有腐蚀过、划伤、开裂等缺陷，厚度也要是均匀的；

3、棒料、管料，截面尺寸稳定，一致性好。表面光洁无机械损伤，内部组织无物理和化学缺陷；

4、硬度复合我们所需规定要求，所有面积和长度内均匀一致； 5、冲裁成形的材料或非冲裁成形的材料都应具有一定的强度 6、用于冲裁成形的材料，必须具有良好的塑形。 2.1.2 材料的选择及经济效益

冷冲压模具工作时承受较大的压力、拉深力、冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损，也常出现起皱、断裂和变形等失效形式。因此，冷冲压模具具有以下基本性能：(1)高硬度；(2)高延伸率高；(3)屈强比低；(4)加工硬化性低。对于该工件，只要有较高的硬度、较高的耐磨性和比较好的韧性即可。

表2-1 部分常用金属的性能、用途等

分类

金属性能、经济性 强度较高，耐磨性、韧性和抗疲

10钢

用途

应用广泛，机械产品中各种大小

[1]

劳能力比较好，硬度较高；便于冶炼，结构部件都普遍使用，如仪表外壳、成本较低，价格低廉

具有较强的机械性能，而且加工

管类、棒类

在生产加工中应用比较广泛如：各种重要的结构零件如齿轮、轴类。

主要有不休钢丝、不锈钢棒、钢管、等。应用比较广泛。

45钢

的性能也很强。

型号 301-延展性好，用于成型

不锈钢

产品。也可通过机械加工使其迅速硬化。焊接性好。抗磨性和疲劳强度

4

酒杯，在我们的日常生活中经常接触和使用，所以它的材料应具有耐磨性、耐腐蚀的性能，并且使用寿命也要有保障，所以从经济和材料的性能角度上看。杯子的材料选择不锈钢。

2.2 圆筒成形的工艺性分析

2.2.1 圆筒结构形状与尺寸分析

（1）、拉深件应满足要求，其形状应尽量满足简单、对称。

（2）、拉深件受变形过程中多种因素的影响，会出现厚度不均匀的现象，但是一般允许厚度在（0.6~1.2）t之间。

（3）、受材料单次变形程度的限制，部分拉深件可能要进行多次拉深才能达到最终的成形。

（4）、拉深件各处的转角应有足够大小的圆弧半径。

（5）、拉深成形后，坏件两端形状可能不规则，通常都会留修边余量，在拉深完成后安排切边工序，以实现形状规则，尺寸符合要求。

图2-1 杯子图样

该零件是杯子，是一个无缘的筒形件，料厚t=1mm

；该零件的形状简单、

5

对称，底部圆角半径R=2mm＞t

形状要求：（1）、为保证顺利拉深成形，拉深的零件应尽量的简单、对称； （2）、拉深后零件的外观规则、美观、形状、尺寸比较稳定； 2.2.2 精度与表面粗糙度

根据各行业(企业)选用的未注公差等级表[2]，可知，机床、通用机械常用的公差等级有IT9级、IT11级、IT12级、和IT13级。拉深件的尺寸公差等级应满足在IT13级以下，不宜高于IT11级。由以上确定的公差等级，参照下表2-2[2]，可以确定表面粗糙度的数值。

表2-2 公差等级与表面粗糙度数值（用于通用机械）

基本尺寸(mm)

公差

＞

＞3~

＞ ＞ 6~ 10

＞ 18

＞ 30

＞ 50

＞80

＞120

＞180

＞250

＞ 315

＞

400

[2]

等级 3

表面粗糙度数值Ra≤µm

IT7

IT8

.8

1

IT9

1.6

3.2

6.3

2.5

IT10 IT11 IT12

6.3

3.2 6.3

12.5

6.3

12.5

25

12.5

25

1.6

3.2

6.3

0.8

1.6

3.2

由于选择的公差等级为IT10，零件的直径为50mm，由上表可查出，表面粗糙度的值应该为Ra=6.3μm。

因此，其对表面粗糙度为6.3，公差等级为IT10，加工时可以降低加工成本，具有一定的经济效益。

2.3 毛坯的计算和拉伸次数的确定

2.3.1 毛坯尺寸的计算 1、毛坯直径的计算 (1)零件高度的计算

6

圆筒高度的计算：首先零件没有凸缘边所以高度就是我们所测量的高度100mm

根据拉深件尺寸修边余量表[3]，取5.0mm，则其零件高度为：

r

H(h)mm (2-1)

2

1

H(1005)mm

2 H104.mm 即零件的高度为104.5mm。

图2-2 整形展开前尺寸图

1

(2)该零件的中性层直径为：d(502)mm[8]49mm(t:零件厚度)，底

2

t

部内圆角半径为：r=(2)mm2.5mm。

2

根据毛坯的计算公式[4]：

Dd24dH1.72dr0.56r2将已知数字带入公式： 2

D49449104.51.72492.50.562.52

7

150.6mm

即毛坯的直径为150.6mm。

2.3.2 压边圈的选用和拉深次数的确定 1、压边圈的选用

根据坯料的相对厚度计算公式[2]：

t

T相对=100 (2-3)

D1

1000.664

150.6即毛坯的相对厚度为0.664。

表2-3 是否压边的条件表第一道拉伸

拉伸方法

(t/d)×100

用压边圈 可用压边

1.5~2.0

圈 不用压边

＞2.0

圈

＞0.6

＞1.5

＞0.8

0.6

1.5

0.8

＜1.5

[3]

以后各道拉伸

m1

＜0.6

(t/dn-1) ＜0.6

m2

＜0.8

从上表可知，零件的相对厚度0.664小于1.5时，在拉深时需用压边圈； 在实际生产中，实现压边的装置有两类：一是刚性压边装置，适用于深拉深，模具结构简单；二是弹性压边装置适用于拉深高度不大的前拉深零件，结构简单，制造容易。由于该零件高度H=12mm，故选用弹性压边装置较适宜。 2、根据相对高度的公式[2]：

h

h相对= (2-4)

d

104.55



150.6

0.73

即零件的相对高度为0.73。 3、确定拉深次数

根据坏料的相对厚度t.60.664，再查下表得到歌词的拉深系数。

8

表2-4 筒形件带压边圈的极限拉伸系数

各次拉伸次数n

1

0.48~0.50

2

0.73~0.75

3

0.76~0.78

4

0.78~0.80

5

0.80~0.82

0.50~0.53 0.75~0.76 0.78~0.79 0.81~0.82 0.82~0.85

2~1.5

1.5~1.0

板坯相对厚度(t/D)×100 1.5~0.6 0.53~0.55 0.76~0.78 0.79~0.80 0.81~0.82 0.84~0.86

0.6~0.3 0.55~0.58 0.78~0.79 0.80~0.81 0.82~0.83 0.85~0.86

0.3~0.15 0.58~0.60 0.79~0.80 0.81~0.82 0.83~0.85 0.86~0.87

0.15~0.08 0.60~0.63 0.80~0.82 0.82~0.84 0.85~0.86 0.87~0.88

[4]

m10.53,m20.76,m30.79,m40.81,…。故

d1m1D0.53150.679.82(mm) （2-5）

d2[m2]d179.820.7660.7(mm) d3[m3]d20.7960.747.95(mm) 因d447.95mm50mm，所以需要采用3次拉深成形。

计算各次拉深工序尺寸为了使低四次拉深，需对极限拉深系数进行调整。调整后取各次拉深的实际拉深系数为m10.55,m20.76,m30.79。

各次工序件直径为：d1m1D 0.55150.682.83(mm) d2m2d10.7682.8362.95(mm)

d3m3d20.79562.9550(mm)

各次工序件底部圆半径取一下数值： r14, r23, r32;

把各次工序件至直径和底部圆角半径代入下面公式得到各次工件的高度为：

9

D2rn4 （2-6） Hn0.25dn0.43d0.32rnndndn

150.624

82.830.32449.5mm H10.2582.830.4382.8382.83

150.62362.950.32375.65mm H20.2562.950.4362.9562.95

H3100mm

以上计算换算成零件图相同标注形式后，所得各工序件的尺寸如下图所示:

第一次拉深

后

10

第二次拉深后图

第三次拉深后图

2-3图 拉深变化图

2.4 排样设计及材料利用率

在冲压零件的成本中，材料费用常常约占60％以上，因此材料的经济、有效的利用具有非常重要的意义9。为了提高材料的利用率，就必须采取合理的排样方式。

2.4.1 排样设计 1、排样方法的选择

设计级进模首先要设计条料排样图。根据材料经济利用程度，排样方法可分为以下三种：

(1)有废料排样[9]，是沿制件的全部外形轮廓冲裁，在制件之间及制件与条料之间有工艺余料(即搭边)存在。

(2)少废料排样[9]，沿制件的部分外形轮廓切断或冲裁，只在制件之间留有搭边，材料利用率有所提高；

(3)无废料排样[9]，即没有工艺搭边，制件直接由切断获得。采用少、无废料排样，对节省材料具有重要意义。综上可得，采用少废料排样方法较佳。

2、搭边值的选取和料宽的计算 (1)搭边值的选取

11

搭边是在排样时工件排列后相邻最近部位的外形之间或冲件外形与调料边缘之间的余料。搭边，其作用是补偿定位误差，保证送料操作和定位、定距的可靠稳定性，材料利用率的高低等[1]。

一般来说，搭边值的选取要综合考虑以下因素：

①材料的力学性能。硬材料的搭边值小一些，软材料和脆性材料的搭边值要大一些。

②制件的形状与尺寸。冲裁件的尺寸或有尖凸的复杂形状，搭边值要取大一些。

③材料厚度。材料越厚，所取的搭边值也相应的大。

④送料方式与挡料方式。若为手工送料，在有侧压装置导向的情况下，搭边值可以适当取小一些。

由于杯子，结构简单，组织均匀。其厚度t=1mm较小，材料是不锈钢，因此，为了确保零件的质量，提高材料利用率，应做到两点：①搭边值，应稍微取大一点；②采用弹性压边圈，防止起皱。另外，为了操作方便，条料排样方式采用单直排。

表2-5 冲裁金属材料的搭边值[5] 单位：mm

材料 厚度t ≤1 ＞1～2 ＞2～3 ＞3～4 ＞4～5

12

手动送料

圆形

侧搭边a

间搭边b

侧搭边a

非圆形

间搭边b

1.5 2 2 1.5

2 2.2 2.5 2.3

2.5 2.3 3 2.5

3 2.5 3.5 3

4 3 5 4

＞5～6

5 4 6 5

从上表可以看出，冲裁金属在手工送料时，圆形和非圆形板料的搭边值随着材料厚度的增加而增加。杯子是圆筒形结构，从上表可以看出，圆筒厚度

t=1mm1mm时，金属条料在冲裁时，应取侧搭边值a1.5mm，工件间搭边值

b2mm，排样图如图2-4所示。

2-4图 排样图

(2)进距和料宽的计算

条料。冲裁时要保证最小条料宽度工件周边有足够的搭边值，冲裁时最大条料宽度要顺利地在导料板之间送进，并与导料板之间有一定间隙。该工件条料是在有侧压装置的导料板之间送料时，且模具有侧刃。

根据进距计算公式[3]得：

sDmaxb (2-7)

(150.62)mm 152.6mm

即条料的进距为152.6mm。

表2-6 龙门剪床剪切条料宽度的最小公差[6] 单位：mm

最小公差

条料

条料

宽度B

厚度≤0.5

0.5～1.0

条料厚度＞

条料厚度＞1.0～2.0

条料厚度＞2.0～3.0

条料厚度＞3.0～4.0

条料厚度＞4.0～

5.0

13

≤50 ＞

-0.4 -0.7

-0.6 -0.8

-1.0 -1.2

-1.2 -1.6

-1.4 -1.8

-1.6 -2.0

50～120

＞

-1.0

120～180

-1.5

-1.7

-2.0

-2.2

-2.5

从上表可以看出，随着材料的厚度和料宽的增加，最小公差的绝对值越来越大。由于该零件厚度t1mm,料宽为152.6mm， 从上表可以看出，其条料的最小公差为1.5mm。

根据条料宽公式得：

00

d(D2a) (2-8)

式中：d—条料标称宽度；

D—工件垂直于送料方向的最大尺寸，D150.6mm； b—侧搭边，b1.5mm；

—条料宽度的公差，1.5mm。 将已知数字带入公式(2-8)得：

d(150.621.5)0.601.5mm1531.5mm

即条料的宽度为b153.6mm。

2.4.2 材料利用率的计算 1、板料的裁切和计算方法

板料的裁切有两种方法，分别为横裁法和纵裁法：

(1)横裁法，是指条料长度方向与板料宽度方向平行的剪裁方式，即沿着垂直于板料方向裁切，裁切的条料长度方向与板料宽度方向平行；

(2)纵裁法，是指条料长度方向与板料长度方向平行的裁切方式，即沿着平行于板料方向裁切，裁切后的条料长度方向与板料长度方向平行。

合理的裁切方法，能提充分利用材料，因此，有必要对横裁、纵裁的材料利用率进行计算对比，然后选择较佳的裁切法。

材料利用率，是衡量排样经济性的标准。因此，选择较接近真实值的方法，很有必要。计算材料的利用率有两种方法：

(1)工件的实际面积F0与板料面积F的百分比； (2)一张板料上总的材料利用率。

14

由于条料带有料头和料尾，另外用板料剪成条料还有料边，故该种方法计算的材料利用率较低，选择第一种计算方法较佳。

根据进距s及料宽b，选择板材规格为：

t1mm2000mm950mm

2、材料利用率的计算

(1)横裁法材料利用率的计算 横裁图，如图2-5所示：

图2-5 横裁图

① 每张板料所能获得的条料数：

mA2000b153.6

13

式中：A—板料的长度，A=2000mm；

b—条料的料宽，b=153.6mm。 ②每条条料获得的冲件数：

n

Bs950152.6

6个 式中：B—板料的宽度，B=950mm；

s—条料的进距，s =152.6mm。 ③每张板料获得的冲零件数：

Nnm13678个

15

式中：n—每张板料裁切的条料数，n=6；

m—每条条料获得的冲件数，m=13。 ④每个冲件的有效面积：

S

D2

4

17804.1mm2

式中：D—毛坯的直径，D=150.6mm。

⑤材料利用率：

根据材料利用率公式[3]得

NS100 (2-9)

AB

式中：N—每张板料获得的冲零件数，N=78； S—每个冲件的有效面积，S=17804.1mm2； A—板料的长度，A=2000mm； B—板料的宽度，B=950mm。 代入已知数字计算得：

7817804.1

100%73%

2000950



即板料采用横裁法裁切时，利用率为73％。 (2)纵裁法材料利用率的计算 纵裁图，如图2-6所示：

① 每张板料所能获得的条料数：

B950m6条

b153.6式中：B—板料的宽度B950； b—条料的料宽，b153.6mm。 ② 每条条料获得的冲件数：

n

A200013个 s152.6

式中：A—板料的长度，A2000mm； s—条料的进距s152.6mm。

16

图2-6纵裁图

③每张板料获得的冲零件数：

Nnm13678个

式中：n—每张板料裁切的条料数，n6；

m—每条条料获得的冲件数，m13。 ④每个冲件的有效面积：

S

D2

4

17804.1mm2

式中：D—毛坯的直径，D150.6mm。

⑤材料利用率：

根据材料利用率公式[3]得

NSAB

100 (2

9)

17

式中：N—每张板料获得的冲零件数，N78；

S—每个冲件的有效面积

S17804.1mm2

；

A—板料的长度，A2000mm； B—板料的宽度，b950mm。 代入已知数字计算得：

7817804.1

100%73%

2000950



即板料采用纵裁法裁切时，利用率为73％。

由公式(2-6)和(2-7)计算可知，纵裁法和横裁法的利用率是一样的。所以两种方法都可以。

18

第三章 模具的设计及相关计算

3.1 落料拉伸模的设计及相关计算

3.1.1 各工序力的计算

1、毛坯在拉深时，根据拉深力的计算公式[2]得：

(1)、第一次用的拉深力

2

p1Ltbk1d1tbk13.1482.8316001156052(N)（2）、 以后各次的拉深压力

（3-1）

p2Ltbk2d2tbk23.1462.9516000.85100808(N)

p3Ltbk2d3tbk23.141506000.8580070(N) （3-2）

(N) 所以拉深力为F80070

式中：—材料极限强度，600MP；

K—修正系数，K11,K20.85;

压料力的作用是防止拉深过程中坏料的起皱。压料力的大小应适当，压料力过小时防皱效果不好；压料力过大时，从而引起严重变薄甚至拉裂。毛坯压料力的计算，查表单位面积压边力表得p4Mpa得： 有公式： Fy(

p

d2d3)

2

2

[2]

(3-3)

所以压料力为4.593KN

Fy(d2d3)p

2

2

3.14(62.952502)4593(N) 压力机的标称压力计算根据压力机标称压力： Fg1.8

F, FFF

y

，则：

Fg1.8(459380070)84.663(KN)

经计算得到，总冲压力为84.663KN，而具体考虑到压力机在工作中的安全性和可靠性，因而如果就选用84.663KN的压力机是不能够满足现实的需求，结合闭合高度，选用公称压力为100KN的J23-10 压力机。

表3-1 J23-10压力机技术参数

型 号 公称压力/KN 滑块行程/mm 滑块行程次数/（次/min）

[3]

J23-10 100 45 145

19

最大倾斜角度 最大闭合高度/mm 闭合高度调节量/mm 垫板尺寸（厚度mm×孔径mm） 模柄孔尺寸（直径mm×深度mm） 工作台尺寸

前后 左右

35° 180 35 35×170 Φ30×55 240 370

3.1.2 模具类型和结构形式的选择 1、模具结构类型的确定

模具拉深采用倒装式复合模，此复合模中的特色是它带有压边装置，其结构比正装的结构紧凑，可以利用下模的弹顶装置压边，压力和行程都较大，模具中的压边圈不仅可以压边还可以顶件还可以对毛坯进行定位。

2、工件定位方式的确定

零件的生产批量属于中批。合理安排生产能降低模具成本，达到合理、方便效率的结果。因此考虑零件尺寸、料厚适中，为了便于操作，保证质量，采用导料板导向、销钉锁定定位板定距的定位方式。

3、卸料与出件方式的确定

由于模具属于倒装拉深，冲压完成后如果工件留在下模的拉深凸模上，则可以由模具下方的弹顶器将工件从拉深凸模中顶出，如果工件拉深后留在了凸凹模内，则可以通过上模的推件器，将工件推出。

3.1.3 工作部分凸、凹模的设计与计算 1、落料凸、凹模工作部分刃口尺寸的计算

模具刃口尺寸计算方法分为两种。一种是凸模和凹模分开加工；另一种是凸模和凹模配合加工。由于凸模和凹模配合加工可以获得最小合理间隙，放宽对模具加工设备的精度要求，因此对于冲制复杂形状零件的冲模，单件或小批量生产的冲模时，大多采用配合加工法加工凸模和凹模，如果凹凸模的间隙配合不合理则会影响冲压件的质量，尺寸精度的影响，而且会导致模具的寿命减少。所以我们要合理的选择间隙。查凸凹模尺寸间隙表[2]得：

表3-2 冲裁模双面间隙值[2] 单位：mm

20

10、15、30

45、锡青铜

材料名称

T8（退火）、65Mn（退火）、

冷轧钢 板、不锈钢（硬）、

硬度/HBS 抗拉强度σ

≥600

b

钢板、H62、Q215、H62、H68

（硬）、T7、LY12、硅钢片、Q235、08、10、（软）、紫铜、

15钢板、H68（半

硬）、

LF2（硬）、LY12（退火）

≥190 140～190 400～600

70～140 300～400

≤70 ≤300

/MPa

Zm

厚度t

in

Zm

ax

Zm

in

Zm

ax

Zm

in

Zm

ax

Zm

in

Zm

ax

0.3

.04 0

0.5

.08 0

0.8

.12 0

1.0

.17 0

1.2

.21

.24

.16

.19

.13

.16

.075

.105

.20 0

.13 0

.16 0

.10 0

.13 0

.065

.095

.16 0

.10 0

.13 0

.07 0

.10 0

.045

.075

.10 0

.06 0

.08 0

.04 0

.06 0

.025

.045

.06 0

.03 0

.05 0

.02 0

.04 0

.01 0

.03 0

从上表可以看出，不锈钢在冲裁时其双面间隙值随着厚度的增加而增加，随着硬度的增加而增加。而间隙值增大会对冲裁件造成影响，由于在不锈钢冲裁前要经过硬化处理提高硬度，从而提高了材料的抗拉强度，故该不锈钢的双面间隙值应在抗拉强度σb为400～600MPa这列来选取。从上表可以看出，当板料厚t=1mm时，Zmin=0.13mm，Zmax=0.16mm；

该冲裁件属落料件，选凹模为设计基准件。该零件在冲裁的时候，凹模的刃口尺寸在磨损后会增大，故凹模的尺寸应根据落料凹模刃口尺寸磨损增大的公式[3]来计算：

0.35

Dd(Dx)0mm (3-4)

21

0.35

(150.60.750.3)00.35

150.370

即凹模的尺寸为Dd150.37mm

式中：x—磨损系数，x0.75；查表得出；

—工件的制造公差，0.3mm，由查表得出；

b—凸模制造公差0.035，查凸凹模制造公差表得出；

综上所述设计制造出凸、凹模，落料凸模尺寸凹模实际尺寸的配做要保证双边合理间隙Z0.13~0.16mm。

2、拉深凸、凹模刃口尺寸计算

拉深间隙是指凸凹模横向尺寸的差值；双边间隙用Z表示，单边间隙用Z/2表示，对冲裁件断面质量、冲裁力、模具寿命等影响很多。间隙太小，拉深力大工件容易拉断，模具磨损严重，寿命低；间隙太大，拉深力小模具寿命提高了，但工件易起皱变厚，侧壁不直，口部边线不齐，有回弹，质量不能保证[3]。

因此，确定间隙的原则是：既要考虑到板料公差的影响，又要考虑毛坯口部增厚现象，故间隙值一般应比毛坯厚度略大一些[2]。

为了确保零件的质量，该零件在冲裁时采用压边圈，根据模具间隙公式[3]：

Z21.1t (3-5) 21.1t 2.2

即模具的间隙为2.2mm。

由于该零件的外形的尺寸要求较高，故以凹模设计为基准较为合理,根据凹模的刃口计算公式[2]得：

Dddmax0.750P (3-6)

0.025(500.750.3)0

0.025

49.780



0.025

即凹模刃口尺寸为49.780。

根据计算凸模的刃口公式[2]得：

DP(DdZ)0x (3-7) (49.782.2)00.035 47.600.035

22

即凸模刃口尺寸为47.600.035mm。 式中：Dmax—为工件外形的工称尺寸；

Dd—凹模直径尺寸； Dp—凸模直径尺寸； ：工件的公差；

p,d—凸、凹模的制造公差，p0.025;d0.035

3、凹模结构形式及尺寸的确定

落料凹模采用方形板状结构通过螺钉、销钉与下模座固定。因冲件产量是中批，要考虑凹模的磨损并保证冲件的质量，凹模刃口要采用直刃壁结构。刃壁高度取5mm。在设计凹模时，一般按经验计算公式。

根据凹模厚度计算公式[3]：

Hkb (3-8)

式中：K—凹模厚度系数，K0.25。

H0.25150.6mm38mm

即凹模厚度为38mm。但是，一般凹模厚度H＞15mm，根据算得的凹模轮廓尺寸，选取与计算值相接近的标准凹模轮廓尺寸为38mm。但考虑到模具具体情况40mm，凹模厚度则根据具体情况而定。凹模材料选用Cr12，工作部分热处理淬硬60～64HRC。

根据凹模壁厚计算公式[2]得：

c(1.5~3)H (3-9) 根据凹模设计的具体情况，得c60mm。

因此，凹模直径为[2]，Bd2c43mm228.5mm170为了方便送料，便于设计，凹模选为方形，宽和长分别为190mm,200mm。

4、模具压力中心的确定

模具的压力中心就是冲压力合力的作用点，为减少导向件的磨损，提高模具及压力机寿命，制件要被模具平稳的冲裁，模具应尽可能和模柄轴线以及压力机滑块中心线重合。根据制件的外形结构及尺寸可知，制件组织均匀、对称，所以模具压力中心定为冲件轮廓圆形几何中心，但如果压力机中心与模柄中心

[3]

23

线不重合，压力中心的偏离不能超出所选压力机模柄半径的允许范围，而该零件的压力中心处于零件中心位置，也是零件重心位置[5]。

3.2模具总体与部件设计

3.21 总体设计 1、模具类型的选择

根据前面对冲压件的冲压工艺分析可知应采用级进冲压，所以模具类型为级进模[3]。

2、定位方式的设计

因为该模具采用的是条料，导料板是控制条料的送进方向采用的，没有侧压装置，条料送进时，在第一工位冲孔，用手压住始用挡料销如图2-5，挡住条料端头进行定位，完成第一工位的冲孔，条料继续送进，这时，控制条料的送进步距采用档料销初定距，然后用把导正销装在落料凸模上进行导正，完成第二道工序。

3、卸料，出件方式的选择

因为工件料厚为1mm，相对较薄，卸料力也比较小，故可采用弹性卸料公方式。又因为是级进模生产，所以采用下出件方式比较便于操作和提高生产效率。

4、导向方式的选择

为了提高模具的使用寿命和工件的质量，方便安装调整，该级进模采用后侧导柱的导向方式[3]。

3.2.2模架的种类及选择 1、模架选择的原则

(1)若标准模架满足使用要求的，应尽可能选择标准模架。因为选择标准模架，可以快速采购，并且精度质量有保证，成本低，还可以缩短周期；

(2)可以用中间导柱模架的的场合，应尽可能采用中间导柱模架，因为中间导柱模架稳定性好。应尽可能避免选用后侧导柱模架，重心偏离中心，操作不方便；

(3)选择模架的大小规格，应以合适为宜；

(4)当模架不需采用有导向装置时，不要勉强。因为这样模具结构会更加简单紧凑，降低成本，方便操作。

24

2、模架的种类及选择

标准结构的冷冲压模具的模架，常用的有以下3种4：

(1)对角导柱模架，适用于以纵、横两个方向送料，是一种比较常用的模架； (2)中间导柱模架，是一种比较常用的模架，但只能纵向送料；

(3)后侧导柱模架，可以纵、横两个方向送料，但装配过程中经常的开、合模具不太方便用力，操作不方便，所以不常选用，多用于特殊场合。

综上分析：采用对角导柱模架是为了提高模具寿命和工件质量，保证加工精度和方便送料。

3.3工艺方案的确定

通过对该工件的冲压工艺进行分析，考虑到制件生产批量、产品的质量、生产效率、模具寿命、材料消耗及操作方便安全等因素，杯子生产中可以采用下面的几套方案：

方案一：落料单工序模、拉深单工序模。 方案二：落料拉深复合模。 方案三：采用多工位级进模。

对以上三种方案进行分析可以看出：方案一都是单工序，模具简单，且数量多，适合于小批量，冲压效率低，经济效益不佳。方案二相对于方案一模具较复杂，数量减少，冲压效率提高，适合于中批和大批生产；方案三相对于前两种方案冲压效率高，适合复杂形状的工件和大批量生产。

表3-3冲压工艺方案比较表

项目 模具结构 模具数量 生产效率

方案一 简单 2套 较低

方案二 一般 1套 较高

方案三 结构较复杂

1套 高

方案二对料宽要求不高，方案二的冲压效率高，经济效益好。综上分析，由于该零件尺寸较小，结构较简单，采用方案二较为合理，并且中批量生产，有利于获得尽可能大的经济效益。

3.4 辅助工序润滑、热处理、酸洗

3.4.1拉深过程中工件热处理的目的

1、在拉深过程中材料承受塑性变形而产生加工硬化，即拉深后材料的机械

25

性能发生变化，其强度、硬度会明显提高，而塑性则降低。为了再次拉深成形，需要用热处理的方法来恢复材料的塑性，而不致使材料下次拉深后由于变形抵抗力及强度的提高而发生裂纹及破裂现象。冲压所用的金属材料，大致上可分普通硬化金属材料和高硬化金属材料两大类。普通硬化金属材料包括黄铜、铝及铝合金、 08 、10 、 15 等，若工艺过程制订得合理，模具设计与制造得正确，一般拉深次数在 3 ～ 4 次的情况下，可不进行中间退火处理。对于高硬化金属材料，一般经 1 ～ 2 次拉深后，就需要进行中间热处理，否则会影响拉深工作的正常进行4。

3.4.2 拉深过程中润滑的目的和方法 坯料在拉深时，润滑的目的有以下几方面：

1 、降低材料与模具间的磨擦系数，从而使拉深力降低。经验证明，有润滑剂与无润滑剂相比，拉深力可降低 30% 左右。

2 、提高材料的变形程度，降低了极限拉深系数，从而减少拉深次数。 3 、润滑后的冲模，取件容易。

4 、保护模具表面并易使模具冷却，从而提高模具寿命。

5 、保证工件表面质量，不致使表面擦伤。使用润滑剂时，一般在凹模与材料之间加润滑剂，而对于筒形件内表面，在与凸模接触的毛坯部分及凸模可不必涂润滑剂，这样对拉深工作是有好处的，有助于降低拉深系数4。

3.4.3拉深过程中工件为什么要进行酸洗 酸洗的工艺过程

退火后的金属工件表面有氧化皮及其它杂质等，这对拉深工序极为不利，因此必须进行酸洗清理4。

酸洗工艺过程为：

工件退火冷却 — 稀酸中浸蚀 ---- 冷水中冲洗 ---- 弱碱中中和 ---- 热水冲洗 ---- 烘干4。

26

第四章 总结

随着社会的不断发展工业技术也有了迅速的发展，而在工业技术发展中模具的应用占主要的地位，因此工业技术中对模具的使用寿命、尺寸精度和表面质量、加工方法等不断提出更高的要求。虽然随着现代化技术的发展在工业技术方面取得了较大的进步 ，但在实际的工艺加工中还是存在不少问题，因此，在工业技术未来的发展中要从其存在的工艺性、经济性等具体问题中来着手发展；对于作为冲压工艺关键设备的冲压模具，在冲压模具的相关设计中要遵循相关原则，还需要注重实际的设计经验，其设计的基本思路需要具有一定的灵活性。

在这次设计中重要的是对不锈钢杯子的设计

1、对模具在现代社会中的发展现状、发展优势及展望有一定的了解，让我们了解模具在我们日常生活中的广泛应用。

2、工艺设计：根据对零件的形状结构、尺寸等进行工艺性的分析，对毛坯的尺寸进行计算、拉深次数的确定怎样判断能否一次性拉深、排样方式是单排、双排、交叉排样等怎样排样材料的利用率高。和材料利用率的计算，工艺方案的确定。

3、模具设计：模具设计主要是建立在工艺设计基础上，对凸模和凹模的结构计算和设计、零件图和装配图的绘制等。

对上面的一些问题对在拉深过程中会出现的问题做一些解决要材料的利用率高加工方便的排样方法是单排排样。起皱问题通过计算来考虑要使用压边圈。要控制压边力、冲压的速度、润滑、拉深系数等等以防止拉裂问题出现因为作出了相应的解决，在拉深过程中的一些辅助工序的应用。

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参考文献

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[4] 向伟．李波 冲压模具设计[M]．湖南：技工学校，2011． [5] 罗百辉．冲压模具技术问答[M]．北京：化学工业出版社，2007． [6] 王芳．冷冲压磨具设计指导[M]．北京：机械工业出版社，2009． [7] 肖景荣．冲压工艺学[M]．北京：机械工业出版社，2005-10-24． [8] 祁鹏飞．冲压工艺的发展现状及冲压模具设计的基本思路[M]：2012． [9] 余席同．简述冲裁模的排样设计[M]．期刊论文，2009．

[10] 李海莲 基于Pro/e的差速器油封盖冲压模具设计[M] 现代制造技术与装备，2009

[11] 冲压工艺与模具设计 [M]

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致谢

这次毕业设计能够得以顺利完成，我要感谢指导过我的老师，在我遇到学习中困难帮助过我的同学和一直关心支持我的家人感谢他们对我无怨无悔的为我付出和帮助。

感谢我的指导老师是让我从对这方面知识不了解到可以应用这些知识来对自己的想法有方法实现，是他一次一次的帮我找出不足之处，一次一次的的讲解和教诲中让我成长让我进步。

感谢我的朋友，在大学四年的生活中我在他们身上学到了怎样更好地为人处事和与人相处的相处，让我在四年的学习都在不断地竞争和帮助中完成，我从他们身上学到了很多，这些都是为以后生活中要应用到的。还要感谢家人的支持、理解、帮助。

最后，向在百忙之中抽出宝贵时间的各位评委老师表示衷心的感谢！

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