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桂林電子科技大學
摘 要
隨著人們的生活水平不斷提高，對生活質(zhì)量的要求也越來越高，各種電器不斷進入人們的生活當中，以滿足人們對不斷提高的生活需求。
風扇軸套是日常生活中常見到的一種機械零件，通過拉伸、沖裁等工序?qū)⒘慵庸こ鰜怼＜夁M模是一種很常用而且工作效率也很高的沖壓模，沖壓模具是現(xiàn)在加工盤蓋類、軸套類零件最常用的方法，此種加工方法廣泛應用于機械零件、儀表儀器、日常生活、軍工產(chǎn)品、車船、交通工具等，沖壓模加工具有以下優(yōu)點：成品零件力學性能好、材料利用率高、能夠加工其它加工方法所難以加工復雜零件、容易實現(xiàn)自動化，而且加工效率高，適合于大批量生產(chǎn)且成本低；另外原材料一般不需要加熱等處理，也節(jié)約了加工成本，但是要對其進行排樣。它所具有的優(yōu)點是其它加工方法所不具有的。級進模是沖壓模的一種，其加工效率比復合膜低但是比一般的單工序沖壓模高，結構相對復雜：比復合膜的結構簡單，但是比單工序模的結構復雜。級進模的結構一般由導料定位裝置、多付拉伸模、沖裁模等主要部件組成。在外加壓力機的情況下就可以對板料進行沖裁、沖壓，拉伸等加工工序的操作。
關鍵詞：機械零件；復雜零件；級進模；板料；壓力機
Abstract
As people life level increases the demand for the quality of life, more and more is also high, various electric constantly into people's life, to meet people to improve life demand.
Fan collar is see daily life in a mechanical parts, through blanking process such as tensile, will parts processing out. Progressive die is a very common and high efficiency also punch mould and stamping mould is now processing plate cover class and the sleeves kind parts is the most commonly used method, the processing method is widely used in mechanical parts, instrument, daily life, military products, vehicle traffic tools, stamping mould processing has the following advantages: finished parts mechanics performance is good, material utilization rate, processing method that can process other it is difficult for processing complex parts, easy to realize automation and the processing efficiency high, suitable for mass production and cost is low; Additional materials generally do not need to heating processing, also save the processing cost, but in its arrangement. The advantage is that it has other processing methods with. Progressive metal stamping progressive die is a kind of, its processing efficiency than composite film than the average low but progressive metal stamping single process structures are relatively high, than composite membrane complex: simple structure, but better than the single procedure mode complex structure. The structure of the progressive die by conducting knew a device general tensile modulus, and pay extra punch die and other major parts. The situation in plus press of sheet metal for cutting, stamping, processes such as drawing of the operation.
Keywords: mechanical parts； Complex parts； Progressive die； Sheet； press
目 錄
引 言 5
１ 風扇軸套零件的設計 7
1.1 分析零件的使用要求 7
1.2 零件的設計圖 7
1.2.1 分析其結構及工藝的特點 8
2 選用合理的排樣方式 9
2.1 計算坯料的直徑 9
2.2 確定加工方案 9
2.3 選擇板料 10
3 確定拉伸系數(shù)及凹凸模的相關尺寸 11
3.1 計算拉伸系數(shù) 11
3.1.1 判斷能否一次將制件拉伸成形： 11
3.1.2 確定各次拉伸的拉伸系數(shù)，及其圓筒直徑 12
3.2 確定凹凸模的圓角半徑 14
3.3 核算坯料直徑及計算各次拉伸高度 14
3.3.1 重新計算坯料直徑并計算拉伸高度 14
3.3.2 計算首次拉伸高度 14
3.3.3 計算后續(xù)拉伸的高度 14
3.4 確定凸凹模尺寸 15
3.4.1 確定各伸模的具體尺寸 15
3.4.2 算沖底孔、落料模具工作部分的具體尺寸 17
4 計算沖壓力及選用沖壓設備 18
4.1計算壓邊力 18
4.2 計算拉伸力 19
4.2.1 計算各次拉伸的拉伸力 19
4.2.2 計算拉伸的拉伸功 19
4.3 計算所需的沖裁力 20
4.3.1 計算側刃沖裁的沖裁力 20
4.3.2 沖工藝槽孔 20
4.3.3 沖底孔、落料 20
4.4 計算卸料力、推件力 20
4.5 初步選用壓力機 22
5 計算壓力中心 23
5.1 沖壓件的壓力中心 23
5.2 模具的壓力中心 23
6 模具的總體結構設計 24
6.1 確定模具的定位方式和送料方式 24
6.2 卸料與出件方式 25
6.2.1 確定卸料方式 25
6.2.2 確定頂件方式 25
7 確定模具的主要部件 26
7.1 墊板的設計 26
7.2 設計凹凸模 26
7.2.1 校核凹凸模強度及凹模厚度 27
7.2.2 確定凹模尺寸 28
7.2.3 橡膠的厚度 28
7.2.4 墩平裝置 29
7.3 選定并校核螺釘?shù)膹姸?30
7.3.1 緊固螺釘 30
7.3.2 選擇卸料螺釘 30
7.4 根據(jù)模具尺寸選用模架 31
7.4.1 選用模架形式 31
7.4.2 選用并確定模架 31
7.5 選用模柄 32
8 確定壓力機 32
9. 模具零件的材料及其加工工藝 34
9.1 選用模具材料 34
9.2 模具主要部件的加工工藝 35
9.2.1 模具凹、凸模的加工工藝 35
9.2.2 凸模固定板的加工工藝 36
9.2.3 模架的加工 36
9.3 模具的裝配 37
9.4 模具的總裝配 37
9.5 模具的經(jīng)濟性分析 39
10 結論 40
謝 辭 41
參考文獻： 42
引 言
沖壓模具的種類很多，按照工序分有：單工序模、級進模、復合膜；按照沖裁件的精度分有：普通沖裁模、精密沖裁模；按照其尺寸分類有：小型模具、中型模具、大型模具；按照導向形式分有：無導向模具、有導向模具。還有根據(jù)模架的不同形式的分類等，或者是以上模具的派生性，根據(jù)不同需要而設計的各種形式。
沖壓工藝是使用壓力機通過沖壓模具使材料分離或者是產(chǎn)生塑性變形的、以獲得一定形狀和尺寸的制品的一種少、無切削加工工藝。因為一般是在常溫或者較低的溫度下對材料進行加工的，因而也稱為冷沖壓工藝。也是加工厚度較薄的板狀金屬材料最常用的加工方法，因此也稱為板料成型。主要是應用在金屬方面，在非金屬領域的使用相對較少。在生產(chǎn)剛開始的時候，雖然設備、模具、廠房等投入成本的很大，但是與其它加工方法（比如鍛造、鑄造、焊接、鉚接、機械切削加工等）相比，有很多優(yōu)點：制件性能穩(wěn)定，強度好，材料利用率高，加工效率高等，特別是在大批量生產(chǎn)中更能體現(xiàn)出沖壓加工的優(yōu)越性。沖壓工藝主要包括沖裁、拉伸、彎曲、漲形、翻邊、擴口、縮口等，本次我研究的課題中的級進模就屬于沖壓模的一種。
自從計算機在模具行業(yè)中的應用以來，人們終止了以前單靠經(jīng)驗和機械繪圖來完成模具的設計的歷史。計算機輔助設計（CAD）的出現(xiàn)，很大程度地降低了模具設計的成本，也大大地縮短了設計周期、提高了模具設計的質(zhì)量 。促進了模具行業(yè)的發(fā)展。以及隨后發(fā)展起來的計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助分析工程（CAE），Pro/E、UG等3D軟件的應用，特別是現(xiàn)在CAD/CAM/CAE集成軟件的應用，在模具設計中發(fā)揮著越來越重要的作用。
我國的模具行業(yè)在最近的幾年才迅速發(fā)展起來的，相對其它國家而言，起步很晚，雖然發(fā)展很快，目前我國在模具制造中已經(jīng)取得了很大的成就，甚至在一些方面也達到了世界頂級水平，比如我國精沖模方面的多工位與多功能沖壓模具已經(jīng)達到世界先進水平，不但已經(jīng)取代進口，還有部分出口到發(fā)達國家。
但是我國的總體水平與世界先進國家還存在很大的差距；部分模具還是要賴進口。我國與國外的模具水平差距主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1）模具設計制造技術方面，
2）模具壽命方面，
3）模具的試模技術與模具的可靠性和穩(wěn)定性方面，
4）模具的基礎技術與支持方面，
5）新型模具技術及其拓展方面，
6）模具制造關鍵設備方面，
7）基礎零件和配套件技術方面，
在普通模具存在的差異，在精密模具方面同樣能夠存在，另外精密模具與國際先進水的主要差距還表現(xiàn)在以下幾個方面：
１）模具設計沖壓分析能力方面，
２）基礎研究隊伍方面，
３）模具標注化方面，
４）精沖設備方面。
在現(xiàn)在的制造中，沖壓模具的應用相當廣泛，幾乎在每一個制造在行業(yè)都有應用。在汽車、機械、儀器儀表、通訊、軍工產(chǎn)品、電子、家用電器、航空航天、船舶等領域都占有相當大的比例，大概70%~95%。隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，沖壓模具的使用領域不斷擴大和所占的比例還在不斷上升。沖壓模具之所以得到廣泛的應用，主要有以下幾個原因：
1、經(jīng)過近百年的發(fā)展，沖壓技術已經(jīng)很成熟，而且操作相對簡單，對操作工要求低，易于實現(xiàn)機械化和自動化，從而很適合大規(guī)模生產(chǎn)。
2、其加工的全過程都是在常溫或者是低溫下進行的，很大節(jié)約了將材料加熱所耗費能源，從而降低了生產(chǎn)成本。
3、對材料利用率高，不需要切屑金屬，大部分可以實現(xiàn)少廢料生產(chǎn)；經(jīng)過合理排樣，部分材料可以達到無廢料生產(chǎn)。
4、雖然在初期投入壓力機、模具等的成本很高，但是在大批量生產(chǎn)中，沖壓工藝的生產(chǎn)效率高，周期短，一般壓力機每分鐘可以達到幾十件的加工效率，高速沖床可以達到每分鐘幾千件的生產(chǎn)速度。因此平均到每個零件成本低。
5、制件的精度由模具保證，互換性好、制件質(zhì)量好、品質(zhì)穩(wěn)定；而且融合了制件的質(zhì)量輕、強度大、剛度好等優(yōu)點，是其它加工方法所不能實現(xiàn)的優(yōu)點。
6、沖壓后的制件可以直接裝配使用，或者稍作表面修整即可使用。
7、能生產(chǎn)其它加工方法難以實現(xiàn)的復雜零件。
以上的5、6、7是沖壓模具明顯優(yōu)于其它加工方法的特點，隨著人們對零件的要求和模具的功能等要求越來越高，新的沖壓工藝的不斷出現(xiàn)以滿足不同的需要。人們可以根據(jù)零件的形狀、大小、精度、生產(chǎn)批量以及材料的不同，選用不同的模具。沖壓模具除了在大批量的生產(chǎn)中使用，有些時候在小批量或者是在單件生產(chǎn)時也使用模具。比如對于一些對強度，剛度、重量等方面有特殊要求的零件或者是復雜零件，其它加工方法無法達到要求，即使是單件生產(chǎn)，也使用單獨的模具。
雖然沖壓模具有各種優(yōu)點，但是其所具有的缺點是不可忽略的，仍然是有待改善的：作為生產(chǎn)工具，為了保證制件的精度，整套模具必須具有很高的強度、剛度、精度，因此模具工作部分都是使用價格較貴的模具鋼制作的，配件的精度要求也很高，因而制作成本較高；初期投入成本較大（需要壓力機、模具、廠房等），在小批量或者是單件生產(chǎn)中顯得很不經(jīng)濟；壓力機工作的時候發(fā)出很大的噪音，工人的工作環(huán)境相對差。
沖壓工藝對材料的要求并不高，只要有一定的塑性就可以了。沖壓過程中材料受到較大的沖壓力，使其發(fā)生塑性變形致使內(nèi)部晶體發(fā)生復雜的改變而增加其內(nèi)應力，使制件的強度和剛度都有不同程度的提高。
１ 風扇軸套零件的設計
1.1 分析零件的使用要求
風扇軸套零件與鉑金件類似，是一個具有一定形狀、厚度均勻的零件，使用金屬板料拉伸、沖裁等工序通過沖壓模具加工而成。其主要作用是保護風扇的轉軸，固定風扇轉軸的周向運動，防止軸轉動的時候產(chǎn)生晃動。由于塑料的耐磨性很低，避免軸與軸孔直接接觸而產(chǎn)生摩擦，使軸孔變大引起較大的晃動，發(fā)出噪音并影響使用壽命。安裝時將其鑲嵌在塑料外殼上，軸與軸套之間有細小的間隙，間隙過小會影響軸的轉動，間隙過大卻沒起到軸套的作用。由此可以知道零件的外表精度要求并不高，軸套屬于內(nèi)部零件，沒有過多的外觀要求，只要沒有明顯的毛刺就可以了。
由于軸在工作的時候產(chǎn)生的晃動波動較小，因此在強度和剛度方面，要求有一定的強度和剛度，并要求有一定的耐磨性能，由于間隙較大而且長時間工作產(chǎn)生的熱量能夠及時散去，因此材料不需要有好的耐熱及散熱性能。
在選用材料方面，由于軸套是一個普通的風扇零件，并且使用要求、使用性能方面的要求不高，因此選用一般的鋼材就可以達到使用要求了，為了便于加工，盡量選用塑性較好的鋼材。
1.2 零件的設計圖
零件如下圖1-1所示：
圖1-1
具體的尺寸如下圖1-2所示：
圖1-2
1.2.1 分析其結構及工藝的特點
如上分析，軸套的作用就是保護并固定風扇的轉軸，對強度、剛度要求不高，沒有散熱性、外觀等其它要求。根據(jù)軸套的用途、生產(chǎn)成本、加工性能、經(jīng)濟性、及其使用性能的綜合考慮，其材料選用10鋼，不但價格相對便宜，而且10鋼材的塑性好，容易拉伸，而且也完全滿足使用要求。其生產(chǎn)批量屬于中大批量生產(chǎn)。
上圖的尺寸Dt/d=25/10=2.5>1.4可知，此軸套屬于寬緣拉伸件。其深度較大，有10mm。其材料的厚度0.6mm，小于1.4mm,屬于較薄的材料。兩個圓角半徑較小只有2.3mm（以中徑計算），在不影響使用的情況下，采用較大的圓角對拉伸操作更有利；大于材料厚度的一半故可成形，然而圓筒直徑10mm和凸緣直徑25mm，所以它的成形困難，在拉伸時容易造成底部拉裂，雖然對拉伸影響較大，容易造成拉裂等危險，但是考慮到如果圓角太大，會使圓筒的長度縮短較多，若是增加拉伸的長度來補償圓角過大造成的不足，必定會使拉伸系數(shù)變小，而增加拉伸次數(shù)，以致增加加工成本，或者是在拉伸過程中造成拉裂，或者是使用拉伸的方法不能實現(xiàn)零件的加工，而選用其他加工方法。
底部的孔直徑9.8mm比圓筒的直徑10mm稍小，是為了在拔模的時候避免凸模與零件內(nèi)壁卡緊而影響零件的質(zhì)量，而且直徑稍小一點對使用性能沒有影響，但是對操作帶來很大的方便。另外在拉伸操作的過程中還要做適當?shù)姆乐蛊鸢櫟拇胧﹣肀ＷC零件的質(zhì)量。使用壓邊裝置是很好的防起皺方法，選用合適的壓邊方式和適當?shù)膲哼吜κ顷P鍵，壓邊力太小則起不到壓邊的作用；壓邊力太大會造成底部傳力區(qū)與底部圓角交接處拉裂。經(jīng)過計算其拉伸系數(shù)只有0.38，不能一次拉伸成形，需要3次拉伸才能得到合格的零件，并且要為各次拉伸選用的合理拉伸系數(shù)。整體的加工工序包括：沖定位孔、沖工藝孔、多次拉伸、沖底孔、落料，合理選用工序是重點，并采用合理的排樣方式。
2 選用合理的排樣方式
排樣直徑影響到采沖壓工藝的各個方面，選用合理的排樣方式，能夠提高工作效率、降低勞動強度和勞動量、提高材料利用率等，從而提高經(jīng)濟效益。由于材料較薄，為了保證精度，采用側刃定距的方式；并采用工藝孔來避免拉伸時產(chǎn)生拉裂。
2.1 計算坯料的直徑
表2-1 有凸緣筒形件的修邊余量δ（出自參考文獻1的142頁）
mm
凸緣直徑dt
相對凸緣直徑dt/d或Bt/B
<1.5
1.5～2
2～2.5
2.5～3
<25
1.8
1.6
1.4
1.2
>25～50
2.5
2.0
1.8
1.6
>50～100
3.5
3.0
2.5
2.2
>100～150
4.3
3.6
3.0
2.5
>150～200
5.0
4.2
3.5
2.7
>200～250
5.5
4.6
3.8
2.8
>250
6.0
5.0
4.0
3.0
圖中零件的dt/d=25/10.6=2.36，由上表可得δ=1.4，故修邊前的修邊直徑：
dt=25+1.4×2=27.8mm≈28mm。所以坯料的直徑：
=≈33.7mm
（出自參考文獻1的140頁） （2-1）
2.2 確定加工方案
從零件的結構分析，凸緣的相對半徑很大，相對寬度dt/d=28÷10.6=2.64>1.4，屬于寬凸緣拉伸件，不能通過圓筒管料擴口、翻邊的方法來制作凸緣，只能使用板料拉伸的方法來制作零件的圓筒部分。為了保證零件的精度及操作能夠順利進行，在拉伸操作之前，需要預先沖工藝孔、定位孔等。由于材料屬于薄材料，為保證精度，采用側刃定位、定距。之后的操作包括拉伸、沖孔、落料的操作步驟。
如果在拉伸操作之前進行沖底孔，拉伸操作因材料的應力不足而導致凸模將圓筒底部材料被明顯拉薄或者被拉裂，操作順序：拉伸、沖底孔、落料。
確定拉伸方案：由3.1.1可以知道，不能一次拉伸成形。一般對凸緣拉伸件的拉伸操作有兩種：
（1）圓角半徑r不變，逐次減小圓筒直徑d和增加圓筒高度h；
（2）圓筒深度h不變，逐次減小圓角半徑r和減小圓筒直徑d。
綜合以上兩種方法，得出第三種操作方案：
（3）先用較大的圓角半徑、較大的深度、較大的圓筒直徑對材料拉伸，在后續(xù)的拉伸中逐漸減小其數(shù)值。
明顯以上（1）、（2）拉伸方法最后都需要增加整形工序，雖然操作簡單，但是操作成本相對較高。綜合以上三種方法，首次拉伸采用較大的圓角半徑、較大的深度、較大的圓筒直徑，在后續(xù)拉伸中逐次減小它們的數(shù)值，最后一次拉伸時，圓角半徑、圓筒直徑皆與設計要求符合，圓筒深度達到圖紙要求；由于制件的精度要求并不高，因此其間可以不需要整形工序。很明顯，第三種方法是很實際的應用方法。
所以加工工藝方案：沖側刃口、沖工藝孔、多次拉伸、沖底孔、落料。
由于工序相對簡單，為了提高加工效率，降低模具的復雜程度，及降低操作難度，所以模具采用正裝的形式，沖孔的廢料、落料的制件最后都從下面排出。
2.3 選擇板料
其工藝孔的最小寬度2mm，則沖壓的送料步距L=33.7+2=35.7mm。沖孔后材料需要有一定的剛度，避免在送料的過程中因剛度不夠而影響送料的精度，雙邊留2mm的搭邊，沖壓定位槽的深度2mm,斜度60°，則板料的實際寬度：B=35.7+2×2+2-2Sin60°=38mm。
排樣圖如下圖2-1所示：
圖2-1
鋼板的規(guī)格如下表2-2的表格所示（只列出厚度0.6mm的部分）：
表2-2 冷軋薄鋼板的規(guī)格（GB 708）（厚度0.6mm部分）
（來自：參考文獻1的29頁）
mm
寬度
500
600
(700)
750
800
850
900
1000
長度
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
1500
2000
比較兩種鋼材，選出較好的方案：
經(jīng)過計算：橫裁的時候，用1000×500的鋼板對材料的利用率最高，
1000÷39.7=25.19，取整數(shù)25；500÷35.7=14.01，取整數(shù)14，能夠沖裁出25×14=350個零件。若采用縱裁，則1500×800 或2000×800的鋼板對材料的利用率最高，以1500×800的鋼板計算，1500÷35.7=42.02，取整數(shù)42；800÷39.7=20.15，取整數(shù)20，能夠沖裁出20×42=840個零件。比較兩種鋼板中平均每個零件所耗費的鋼材面積：橫裁時500×1000÷350=1428.57mm2，縱裁時1500×800÷840=1428.57mm2。兩種板料對材料的利用率相同。
可供選擇的鋼板有：2000/1500×800×0.6,1000×500×0.6。對于需要選用哪一種鋼板，要按照實際情況來確定。若考慮其經(jīng)濟性，需要選用材料成本低的那種。根據(jù)送料方式的不同:橫裁的時候，裁剪后的鋼板規(guī)格500×39.7×0.6；縱裁的時候，裁剪后鋼板的規(guī)格1500×39.7×0.6，如果是采用手工送料，1000×500的鋼板可以降低工人的勞動強度，自動送料則是兩種鋼板都一樣。
對工件的加工工位如圖2-1所示：第1步是用側刃沖裁出定位用的側刃口；第2步則是空工步，其作用是精確定位，保證送料的精度；第3步是沖工藝孔；第4—6步分別是三次拉伸的工序；第7步?jīng)_底孔；第8步是最后的落料工序。第八步之后還有一個用于定位的定位銷。
3 確定拉伸系數(shù)及凹凸模的相關尺寸
3.1 計算拉伸系數(shù)
3.1.1 判斷能否一次將制件拉伸成形：
相對高度h/d=10÷10.6=0.943，相對寬度dt/d=28÷10.6=2.64,相對厚度
t/D=0.6÷33.5=1.79%，由表3-1可知，0.943>0.35,故不能一次拉伸成形,需要經(jīng)過多次拉伸才能成形。
表3-1 有凸緣圓筒件首次拉伸的最大相對高度h[1]/d[1](適宜于08、10鋼)
（出自參考文獻1的142頁）
mm
凸模相對直徑dt/d[1]
坯料相對厚度t/D(%)
>0.06～0.2
>0.2～0.5
>0.5～1.0
>1.0～1.5
>1.5
1.0～1.1
>1.1～1.3
>1.3～1.5
>1.5～1.8
>1.8～2.0
>2.0～2.2
>2.2～2.5
0.45～052
0.40～0.47
0.35～0.42
0.29～0.35
0.25～0.30
0.22～0.26
0.17～0.21
0.50～0.62
0.45～0.53
0.40～0.48
0.34～0.39
0.29～0.34
0.25～0.29
0.20～0.23
0.57～0.70
0.53～0.60
0.45～0.53
0.37～0.44
0.32～0.38
0.27～0.33
0.22～027
0.60～0.80
0.56～0.72
0.50～0.63
0.42～0.53
0.36～0.46
0.31～0.40
0.25～0.32
0.75～0.90
0.65～0.80
0.58～0.70
0.48～0.58
0.42～0.51
0.35～0.45
0.28～0.35
3.1.2 確定各次拉伸的拉伸系數(shù)，及其圓筒直徑
用逐次逼近的方法確定首次拉伸的拉伸系數(shù)，及圓筒直徑（以中徑算），實際使用的拉伸系數(shù)必須大于極限拉伸系數(shù)。
N=dt/d[1]假定值
首次拉伸圓筒直徑/mm dt=d[1]/N
實際拉伸系數(shù)m[1]=d[1]/D
極限拉伸系數(shù)m[1]min由下表3-2得
拉伸系數(shù)相差值
△m=m[1]-m[1]min
1.7
17
0.5
0.45
+0.05
1.8
16
0.48
0.45
+0.03
1.9
15
0.45
0.42
+0.03
2.0
14
0.42
0.42
0
2.1
13
0.39
0.40
-0.01
表3-2 有凸緣筒形件首次拉伸的拉伸系數(shù)m[1](適宜于08、10鋼)
（出自參考文獻1的144頁）
凸模相對直徑dt/d[1]
坯料相對厚度t/D(%)
>0.06～0.2
>0.2～0.5
>0.5～1.0
>1.0～1.5
>1.5
1.0～1.1
>1.1～1.3
>1.3～1.5
>1.5～1.8
>1.8～2.0
>2.0～2.2
>2.2～2.5
0.59
0.55
0.52
0.48
0.45
0.42
0.38
0.57
0.54
0.51
0.48
0.45
0.42
0.38
0.55
0.53
0.50
0.47
0.44
0.42
0.38
0.53
0.56
0.49
0.46
0.43
0.41
0.38
0.50
0.49
0.47
0.45
0.42
0.40
0.37
表3-3 有凸緣筒形件的后續(xù)各次拉伸系數(shù)（適用于08、10鋼）
（出自參考文獻1的144頁）
拉伸系數(shù)
坯料相對厚度t/D(%)
0.15～0.3
0.3～0.6
0.6～1.0
1.0～1.5
1.5～2.0
m[2]
m[3]
m[4]
m[5]
0.80
0.82
0.84
0.86
0.78
0.80
0.83
0.85
0.76
0.79
0.82
0.84
0.75
0.78
0.80
0.82
0.73
0.75
0.78
0.80
制件的總拉伸系數(shù)0.38，確定各拉伸次數(shù)；若首次拉伸用m[1]=0.42,由于0.42已經(jīng)是材料的拉伸極限，而且材料較薄，故不采用。
首次拉伸的圓筒直徑比較合適的有16mm、15mm，若選用d[1]=15mm,由表3-3查得：m[2]=0.73,d[2]=d[1]×0.73=15×0.73=10.95(mm)；
m[3]=0.75,d[3]=d[3] ×0.75=10.95×0.75=8.2125(mm)<10.6(mm)
若選用d[1]=16mm,
m[2]=0.73,d[2]=d[1] ×0.73=16×073=11.68(mm);
m[3]=0.75,d[3]=d[2] ×0.75=11.68×0.75=8.76(mm)<10.6(mm)
兩種方案都可行，較大的直徑對拉伸更有利，因此選用d[1]=16mm。
制件需要經(jīng)過三次拉出，但是拉伸系數(shù)不太合理，并且最后的直徑只有8.76mm，比10.6mm小了很多?，F(xiàn)調(diào)整如下：
極限拉伸系數(shù)：m[n]min
實際拉伸系數(shù)m[n]
各次拉伸的圓筒直徑d[n]/mm
拉伸系數(shù)相差值△m=m[n]-m[n]min
m[1]=0.45
m[1]=0.48
d[1]=D×m[1]=33.7×0.48=16
+0.03
m[2]=0.73
m[2]=0.8
d[2]=d[1]×m[2]=16×0.8=13
+0.07
m[3]=0.75
m[3]=0.81
d[3]=d[2]×m[3]=13×0.81=10.6
+0.06
3.2 確定凹凸模的圓角半徑
筒形件首次拉伸的圓角半徑r凹可以由下式確定：
r凹=C1C2t （出自參考文獻1的135頁） （3-1）
式中：C1——與材料力學性能有關的系數(shù)，對于軟鋼、硬鋁，C1=1,；對于純銅、黃銅、鋁，C1=0.8；
C2 ——與板料厚度及拉伸系數(shù)有關的系數(shù)，經(jīng)過查表取6～8；
t——板料厚度（mm）。
r凹=C1C2t=3.6～4.8(mm)
另外，后續(xù)各次拉伸的圓角半徑可逐步縮小，但是不能小于2t，一般按照下式計算：
r[n]凹=（0.6～0.8）r[n-1]凹；（出自參考文獻1的135頁） （3-2）
r[n]凸=（0.7～1.0）r[n]凹。
根據(jù)以上三式，確定各次拉伸的圓角半徑r凹、r凸如下:
r[1]凹=r[1]凸=4.2mm；r[2]凹=r[2]凸=3mm；r[3]凹=r[3]凸=2mm。
3.3 核算坯料直徑及計算各次拉伸高度
3.3.1 重新計算坯料直徑并計算拉伸高度
首次拉伸會多將3%～10%的材料拉入凹模，以6% 計算，坯料的直徑修正為：
D[1]= =34.2mm,
3.3.2 計算首次拉伸高度
由于r凹=r凸，R[1]=r[1]+t/2=4.2+0.3=4.5(mm)
按照下面的公式計算各次拉伸高度：
h[1]=0.25((D[1])2-dt2)/d[1]+0.86R[1]；（出自參考文獻1的141頁） （3-3）
h[n]=0.25((D[1])2-dt2)/d[n]+0.86R[n]。
式中：h[1]，h[n]——首次拉伸與第n次拉伸的高度，
D[1]——坯料直徑；
dt ——凸緣直徑；
d[1], d[n]——首次拉伸與第n次拉伸的圓筒直徑；
R[1], R[n]——首次拉伸與第n次拉伸的凸凹圓角直徑（R=r+t/2）；
各尺寸按照幾何中心層計算。
h[1] =0.25((D[1])2-dt2)/d[1]+0.86R[1]
=0.25(34.22-282)/162+0.86×4.5=4.26mm；
h[1]/d[1]=4.26÷16=0.266<0.48,所以首次拉伸是安全的。
3.3.3 計算后續(xù)拉伸的高度
后續(xù)的各次拉伸逐次將1.5%～3%的材料返還到凸緣上，第二次拉伸將3%的材料返還到凸緣上，求出第二次拉伸的假想坯料直徑D[2]和拉伸高度h[2]:
D[2]==33.9mm；
h[2]= 0.25((D[1])2-dt2)/d[2]+0.86R[2]
=0.25×（33.92-282）/132+0.86×3.3=0.54+2.84=3.38mm；
因為首次拉伸是安全的，后續(xù)拉伸的拉伸系數(shù)與極限拉伸系數(shù)的差值更大，因此后續(xù)拉伸不核算拉伸操作的安全性。
第三次拉伸將2%的材料返還到凸緣上，求出第三次拉伸的假想坯料直徑D[3]和拉伸高度h[3]:
D[3]= =33.8mm；
h[3]= 0.25((D[1])2-dt2)/d[3]+0.86R[3]
=0.25(33.82-282)/10.62+0.86×2.3=2.778mm≈2.78mm；
H= h[1]+h[2]+ h[3]=4.26+3.38+2.78=10.42mm>10mm
現(xiàn)在將各次拉伸的深度做適當調(diào)整：h[1]=4.2mm, h[2]=3.3mm, h[3]=2.5mm；
3.4 確定凸凹模尺寸
計算出各個凹凸模的具體尺寸是做模具設計必須的步驟，有具體的尺寸，才能將所設計的模具加工出來，以校核所設計的模具是否能夠達到設計要求
3.4.1 確定各伸模的具體尺寸
沖壓的加工方法得到的零件所能達到的精度是：IT10～IT14級，由以上的分析，零件的精度選用IT14，而模具的精度要比制件的精度高2～4個數(shù)量級。所以拉伸模選用IT11級，沖孔落料模選用IT8級，定位孔槽的模具選用IT11級。
在上面的計算深中得出：r[1]=4.2mm,r[2]=3mm,r[3]=2mm。
在三次拉伸中，它們的凸模基本尺寸是：d[1]=16-0.6=15.4mm,
d[2]=13-0.6=12.4mm, d[3]=10mm。
首次拉伸的拉伸系數(shù)接近極限值，第一次采用壓邊圈，在第二、三次拉伸中不采用壓邊圈，最后增加整形工序。經(jīng)過查表，有壓邊圈拉伸的的單邊間隙：
Z[1]=1.2t；Z[2]=1.1t；Z[3]=(1.0～1.05)t。
材料的厚度t=0.6mm，Z[1]=1.2×0.6=0.72mm，取Z[1]=0.7mm；
不采用壓邊圈的單邊間隙：Z[n]=(1.0～1.1)tmax；既是Z[n]=（0.6～0.66）mm，中間的拉伸采用較大的間隙，末次拉伸力采用較小的間隙以保證零件的精度，因此在第二三次拉伸中，取Z[2]=0.65mm；取Z[3]=0.61mm。
在三次拉伸中，凹模的基本尺寸D[1]、D[2]、D[3]如下計算：
D[1]= d[1]+2 Z[1]=15.4+2×0.7=16.8mm；
D[2]= d[2]+2 Z[2]=12.4+2×0.65=13.7mm；
D[3]= d[3]+2 Z[3]=10+2×0.61=11.22mm。
在第一二次拉伸（相當于中間拉伸工序），由于其坯料尺寸與公差沒有必要加以控制，這時凹模與凸模的尺寸只要取值與坯料的過渡尺寸即可。在此以凹模的尺寸作為基準，則凹凸模的尺寸可以按照下式來計算：δ凹
凹模的尺寸：D凹=D凹0+δ凹；（出自參考文獻1的137頁） （3-4）
凸模的尺寸：D凸=（D-2Z）0-δ凸=d0-δ凸；
式中：Z——凹凸模的間隙；
D——凹模的基本尺寸；
d——凸模的基本尺寸；
δ凸、δ凹——凹凸模的制造公差。由表3-4查得
由由下表3-4查得：δ凸=0.02mm, δ凹=0.04mm,
因此,可得第一二次拉伸的凹凸模的尺寸，如下
凹模的尺寸：D凹[1]=16.80+0.04mm；D凹[2]=13.70+0.04mm；
凸模的尺寸：D凸[1]=15.40-0.02mm；D凸[2]=12.40-0.02mm；
表3-4 拉伸凸模制造公差δ凸和凹模制造公差δ凹（出自參考文獻1的138頁）
mm
板料厚度t
拉伸件直徑
≤20
>20～100
>100
δ凹
δ凸
δ凹
δ凸
δ凹
δ凸
≤0.5
>0.5～1.5
>1.5
0.02
0.04
0.06
0.01
0.02
0.04
0.03
0.05
0.08
0.02
0.03
0.05
—
0.08
0.10
—
0.05
0.06
第一、二次拉伸的凹凸模尺寸及精度已經(jīng)確定，以下計算第三次拉伸模的具體尺寸。
第三次拉伸要求零件達到設計的要求尺寸，零件的內(nèi)形尺寸要求較高，因此以凸模的尺寸作為基準。則凹凸模的尺寸：
凸模尺寸 d凸=（d+0.4△）0-δ凸； （出自參考文獻1的137頁） （3-5）
凹模尺寸 d凹=（d+0.4△+2Z）0+δ凹；
式中：d——凸模的基本尺寸；
△ ——公差值；
Z——凹凸模的間隙；
δ凸、δ凹——凹凸模的制造公差。由表3-4查得；
經(jīng)查公差值表，直徑10mm,IT11級，公差值△=90μm=0.09mm；
凸模尺寸 d凸=（d+0.4△）0-δ凸=（10+0.4×0.09）0-0.02=10.0360-0.02mm；
凹模尺寸 d凹=（d+0.4△+2Z）0+δ凹
=（10+0.4×0.09+2×0.61）0+0.04=11.2560+0.04mm；
經(jīng)過計算三次拉伸模具凹凸模的具體尺寸如下：
D凹[1]=16.80+0.04mm；D凹[2]=13.70+0.04mm；D凹[3]= 11.2560+0.04mm；
D凸[1]=15.40-0.02mm；D凸[2]=12.40-0.02mm；D凸[3]= 10.0360-0.02mm；
3.4.2 算沖底孔、落料模具工作部分的具體尺寸
沖裁件的精度一般要比模具的精度低1～3級。根據(jù)沖裁件可達到的精度表查詢可知，模具制造精度在IT7～IT8級的時候，對于厚度0.6mm的材料，制件可以達到IT9級的精度，顯然選用較低的精度則在普通的準備上就可以滿足加工要求，在滿足使用要求的情況下，選用較高的精度是很不經(jīng)濟的，因此選用IT11精度；模具的制造精度選用IT8級。
經(jīng)過查表，在材料厚度0.6mm的時候，其最大沖裁間隙Zmax和最小沖裁間隙Zmin分別是：Zmax=0.072mm；Zmin=0.048mm，計算公式如下：
∣δ凹+δ凸∣≤Zmax-Zmin
落料
D凹=(Dmax-X△) 0+δ凹； （出自參考文獻1的137頁） （3-6）
D凸=（D凹-Zmin）0-δ凸
沖孔
d凸=（dmin+X△）0-δ凸； （出自參考文獻1的137頁） （3-7）
d凹=（d凸+Zmin）0+δ凹
式中：D凹，D凸——分別為落料凹模和凸模的基本尺寸；
d凸，d凹——分別是沖孔凸模和凹模的基本尺寸；
Dmax——落料件的最大極限尺寸；
dmin——沖孔件的最小極限尺寸；
△——沖裁件的公差；
X——磨損系數(shù)，可以直接按1選取；
δ凹，δ凸——分別是沖裁凹模和凸模的制造公差，可按照沖裁件公差的1/4～1/5選取，也可查表3-5（只是部分）；
表3-5 規(guī)則狀沖裁模凸、凹模制造公差（出自參考文獻1的138頁）
mm
基本尺寸
δ凸
δ凹
≤18
-0.020
+0.020
>18～30
-0.020
+0.025
>30～80
-0.020
+0.030
>80～120
-0.025
+0.035
>120～180
-0.030
+0.040
（1）先計算沖孔模的凹凸模尺寸：
基本尺寸9.8mm,IT11級的公差值△=0.09mm
δ凸=-0.020mm，δ凹=+0.020mm,dmin=9.8-0.09=9.71mm,
由此可得沖孔凹凸模的尺寸：
d凸= （dmin+△）0-δ凸=（9.71+0.09）0+0.020=9.80+0.020
d凹=（d凸+Zmin）0+δ凹=（9.8+0.048）0+0.020=9.8480+0.020
∣δ凹+δ凸∣=0< Zmax-Zmin=0.024mm
很明顯，模具是符合要求的。
（2）計算落料模的凹凸模尺寸：
基本尺寸25mm,IT11級的公差值△=0.13mm
δ凸=-0.020mm，δ凹=+0.025m,Dmax=25+0.13=25.13mm
由此可得落料凹凸模的尺寸：
D凹=(Dmax-X△) 0+δ凹=（25.13-0.13）0+0.025mm=250+0.025mm
D凸=（D凹-Zmin）0-δ凸=(25-0.048)0+0.020mm=24.9520+0.020mm
∣δ凹+δ凸∣=0.005mm< Zmax-Zmin=0.024mm
4 計算沖壓力及選用沖壓設備
對于沖壓模具而言，壓邊力相對很小，沖壓模具所施加的力主要是用在拉伸和沖孔落料等的工序上。
4.1計算壓邊力
壓邊力的作用是避免在拉伸的過程中出現(xiàn)起皺，同時也要避免壓邊力太大妨礙材料流動而導致拉裂。
在第一次拉伸時采用壓邊圈，比較各種壓邊圈的特點，選用彈性壓邊圈，用較簡單的彈簧壓邊圈。在隨后的兩次拉伸由于不方便使用壓邊圈，并且會增加模具的復雜程度，故不采用。沖定位孔、工藝孔、沖底孔、落料工序都不采用壓邊圈，最后增加一道墩平工序。
壓邊力的計算公式：
PQ=Fq； （出自參考文獻1的136頁） （4-1）
式中：PQ——壓邊力（N）；
F——壓邊圈作用下坯料的投影面積（mm2）；
q——單位壓邊力（MPa）；經(jīng)過查表對于厚度大于0.5mm的軟鋼材料取2.0～2.5MPa。
在本課題中取中間值2.3MPa。
F=π[d12-d22]/4
=π[35.72-（16+4.2×2）2]/4=533.39mm2；
有由此算得壓邊力：
PQ=Fq=533.39×2.3=1227N=1.23KN；
4.2 計算拉伸力
4.2.1 計算各次拉伸的拉伸力
在需要多次拉伸的級進模中， 拉伸力是主要的沖裁力之一，對模具影響很大。由于拉伸件是圓筒形零件，其計算公式如下：
P拉=Kπdtσb； （出自參考文獻1的55頁） （4-2）
式中：P拉——拉伸力(N)；
d——筒形件直徑（mm）；
t——板料厚度（mm）；
σb——材料強度極限（MPa）；經(jīng)過查表，優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼10鋼的強度極限在294MPa～432MPa之間，取之間值：σb=365MPa；
K——修正系數(shù)，見下表4-1，首次拉伸用K[1],后續(xù)各次拉伸用K[2]；
表4-1 修正系數(shù)K的值
（出自參考文獻1的55頁）
m[1]
0.55
0.57
0.60
0.62
0.65
0.67
0.70
0.72
0.75
0.77
0.80
K[1]
1.00
0.93
0.86
0.79
0.72
0.66
0.60
0.55
0.50
0.45
0.40
m[2]
0.70
0.72
0.75
0.77
0.80
0.85
0.90
0.95
K[2]
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.70
0.60
0.50
計算第一、二、三次的拉伸力P拉[1]、P拉[2]、P拉[3]分別是：
P拉 [1]= K1πd[1] tσb=1.00×16.6π×0.6×365=11420.6N≈11.4KN；
P拉[2]= K2πd[2]tσb=0.8×13.6π×0.6×365=7485.3N≈7.5KN；
P拉[3]= K3πd[3]tσb=0.7×10.6π×0.6×365=5104.9N≈5.1KN
則總沖裁力
P拉= P拉[2]+ P拉[2]+ P拉[3]=11.4+7.5+5.1=24KN。
4.2.2 計算拉伸的拉伸功
在生產(chǎn)實踐中，常用最大拉伸力折算成平均力來計算，既是Pm=（0.6～0.8）P，所以拉伸功的計算：
A=(0.6～0.8)Ph×10-3； （出自參考文獻1的134頁） （4-3）
式中：A——拉伸功（J）；
P——最大拉伸力（N）；
h——拉伸深度（凸模工作行程）（mm）；
在級進模工作的過程中，三副模具是同時動作的，因此最大拉伸力是三個拉伸力的總和，既是P拉。拉伸深度h是三個拉伸凸膜中行程最短的那個，既是第三個拉伸膜的拉伸深度h[3]=2.5mm，至于Pm=（0.6～0.8）P，取中間值，Pm=0.7P。
所以，拉伸功：A=0.7×24×103×2.5×10-3=42J
4.3 計算所需的沖裁力
沖裁力包括沖底孔、落料所需要的沖裁力。沖裁加工的過程是相當復雜的，在此可以將其視為純剪切變形，計算公式如下：
P=Ltσ1； （出自參考文獻1的50頁） （4-4）
式中：P——沖裁力（N）；
L——沖裁件受剪切的周邊長度（mm）；
t——沖裁件的厚度（mm）；
σ1——材料的抗拉強度（MPa）；
4.3.1 計算側刃沖裁的沖裁力
在沖裁中采用側刃定距，由于材料較薄，側刃只在一側沖裁，沖裁的周邊長度：
L側=2×2+2×2+2×2+32.7=42.7mm；
其所需的沖裁力：
P側=L側tσ1=42.7×0.6×365=9351.5N≈9.35KN
4.3.2 沖工藝槽孔
槽孔的圓弧部分是2/3圓，其過渡圓角部分的半徑R=1mm,較小半徑；直線部分的長度17.8mm，由此可得槽孔的沖裁周邊長度：
L槽=2/3π×35.7+17.8×2=110.4mm；
加工工藝孔所需的沖裁力：
P槽=L槽tσ1=110.4×0.6×365=24177.6N≈24.2KN
4.3.3 沖底孔、落料
底孔是一個直徑9.8mm的圓筒，按照上面的公式計算
沖裁力：
P孔=L孔tσ1=9.8π×0.6×365=6742.5N≈6.7KN
落料的是一個直徑25mm的圓，則加工所需的沖裁力：
P落=L落tσ1=25π×0.6×365=17200.2N=17.2KN
因此，可以算得總的沖裁力：
P沖= P側+ P槽+ P孔+ P落=9.35+24.2+6.7+17.2=57.45KN
4.4 計算卸料力、推件力
由于沖孔的直徑比圓筒的直徑小，沖孔工序完成后，廢料會自動下落，不需要推件力，推件力只是用在落料工序；卸料力主要是沖裁后將卡在凸模上的板料卸下所需要的力，本課題中有沖孔、落料。
在實踐生產(chǎn)中，P卸、P推常用以下的經(jīng)驗公式計算：
P卸=K卸P （出自參考文獻1的50頁） （4-5）
P 推=nK推P
式中：P——沖裁力；
K卸——卸料力系數(shù)；
K推——推薦力系數(shù)；
n——梗塞在凹模內(nèi)的沖件數(shù)（n=h/t）；
h——凹模直壁洞口的高度。
K卸、K推可以分別有下表4-2查得，當沖件形狀復雜、沖裁間隙較小、潤滑效果差、材料強度高時，應取大值；反之取小值。
表4-2 卸料力、推件力和頂件力系數(shù)
（出自參考文獻1的51頁）
板料厚度t/mm
K卸
K推
K頂
鋼
≤0.1
0.06～0.09
0.10
0.14
>0.1～0.5
0.04～0.07
0.065
0.08
>0.5～2.5
0.025～0.06
0.05
0.06
>2.5～6.5
0.02～0.05
0.045
0.05
>6.5
0.015～0.04
0.025
0.03
鋁、鋁合金
0.03～0.08
0.03～0.07
0.03～0.07
純銅、黃銅
0.02～0.06
0.03～0.09
0.03～0.09
材料是10鋼，厚度0.6mm，由表中可得K推=0.05，落料的沖裁間隙較小，只有0.61mm，因此落料的卸料系數(shù)：K卸【1】取0.06，沖孔的沖裁間隙0.65mm，相對較小，K推【2】取0.05；級進模是逐個生產(chǎn)零件的，因此n=1。
計算卸料力：
P卸=K卸[1]P落+K卸[2]P孔=0.06×17.2+0.05×6.7=1.367KN≈1.37KN
計算推件力：
P推=K推（P孔+P落）=0.05×（17.2+6.7）=1.195KN≈1.2KN
計算總沖裁力P總：
P總= PQ+ P沖+ P拉+ P卸+ P推=1.56