令狐采学创作
带凸缘圆筒拉深模设计
令狐采学
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前言
冷冲压模具的设计与制造一材料的塑性变形理论为基础，综合了塑性力学、机械力学、机械原理与设计、机械设计制造工艺等多学科的应用，是一门理论性和应用性很强的课程。围绕冷冲模设计，前向有冲压工艺，后有制造工艺，在数字化技术应用高度发展的今天，冷冲模开发的三个层面已经高度集成，紧密融合在一起。通过冷冲压的理论学习，然后再将理论知识用于实际中，不仅有助于理论知识的消化吸收，也可以提高自身的工程能力。为此，进行必要的冷冲模的课程设计很有必要。
结合所学到的理论知识和自身掌握的情况，特以带凸缘的圆筒件来设计冷冲压模具。此制件结构简单，容易上手学习，并且涵盖了所学的知识点，是一个很好的设计素材。
本设计大致分为三个部分，一是制件及模具的参数确定，一是模具的结构设计，一是制件的成形分析。
目录
前言I
一制件工艺分析1
1.1 制件分析1
1.2坯料直径确定1
1.3 拉深成型次数计算2
1.4 凸凹模圆角半径计算3
1.5 拉深深度计算3
1.6 拉深力的计算3
1.7 凸凹模间隙计算4
1.8 凸凹模工件尺寸计算4
1.8.1 凸凹模计算公式4
1.8.2 公差确定4
1.9 凸模通气尺寸4
二拉深模结构设计5
2.1 拉深凸凹模结构5
2.2 模具总体结构的设计6
三Dynaform软件仿真分析7
3.1网格划分7
3.2 毛坯轮廓线计算8
3.3 制件厚度分析9
3.4 主应力分布10
3.5 制件成形情况11
总结11
参考文献12
附表12
一制件工艺分析
1.1 制件分析
所选的制件为带凸缘圆筒件，剖视图如下，厚度为2mm，材料为08钢。
图1带凸缘圆筒件
此带凸缘圆筒件为旋转体，壁厚为2mm，整个结构尺寸较小，适合冲压成型。底部外直径为42mm，筒深大约为60mm,材料为08钢，拉深性能较好，适合于拉伸成型。
1.2坯料直径确定
根据表1以及图1计算得到坯料的直径大约为124mm.
其中，d1=32mm，d2=40mm，d3=52mm，d4=80mm，h=50mm，H=60mm，r1=6mm，r2=4mm。
表1 坯料直径计算公式
1.3 拉深成型次数计算
根据冷冲模设计手册，确定制件的拉深成型次数。已知，t=2mm，D=124mm，t/D*100%=1.6%（通过附表4.11，1.6介于1.5到2.0之间，不需要压边圈）,查
表2，可知各次的拉深系数介于坯料相对厚度为 1.5到 2.0之间，又=，
===0.32，不能满足一次拉深的要求。
通过尝试的方法，确定各次的拉深系数，最终确定出=***,依次为0.6、0.77、0.83、0.84，一共需要4次拉深，满足要求。
可知，第一次拉深后，=0.6*124=74.4mm；第二次拉深后，=0.77*74.4=57.29mm；第三次拉深后，=0.83*57.29=47.55mm；最后依次拉深后，=d=0.84*47.55=40mm。
表2圆筒件不使用压料圈时的极限拉伸系数（适合08钢）
1.4 凸凹模圆角半径计算
凹模圆角半径=0.8，凸模圆角半径=(0.6～1.0)。
第一次拉深所需的凹凸模半径分别为=0.8*=7.9mm≈
8mm，=08*8=6.4mm。以后所用的凸凹模半径适当的减少至最后依次拉深所需的4mm和6mm。
1.5 拉深深度计算
各次拉深深度的计算公式为=(-)+0.43(+)+(-)，则第一次的拉深深度为
=(-)+0.43*(6.4+8)+(-)=39.3mm。
可知，第一次拉深的最大相对高度==0.52，查附表4.9，0.750.52，满足设计的要求，可以继续设计此后的各次拉深深度。
根据以上步骤，并且不断调整凸凹模半径，以后的拉深深度分别为10mm、6mm，最后根据剩余量得到最后一次的拉深深度。
1.6 拉深力的计算
总的冲压力是拉深力与压边力之和，此制件没有采用压边圈，没有压边力，
即冲压力为拉深力大小，已知凸缘相对直径为=1.67，由附表4.19，可知拉深力为=t，其中为材料的抗拉强度，08钢的抗拉强度为400MPa，为筒形件第一次拉深时的系数，查附表 4.22可知=0.75，则=3.14*74.4*2*0.75*400=140169.6N。
1.7 凸凹模间隙计算
拉深模间隙Z/2（单面）一般比毛坯厚度略大一点，其值按以下公式Z/2=+ct，其中c为间隙系数，由附表4.31查得为0.5，=t+，为板
料的正偏差，查附表4.32，板料正偏差为0.2mm，计算得到Z=6.4mm，单面为3.2mm。
1.8 凸凹模工件尺寸计算
1.8.1凸凹模计算公式
确定凸凹模工作部分尺寸时，应该考虑模具的磨损情况和拉深件的弹复，其尺寸只能在最后一次的工序中加以考虑。对最后一道工序的拉深模，其凸凹模的尺寸及其公差按工件尺寸标注方式的不同，由附表4.33所列的公式来进行计算。为了简洁，便于计算，第一次的凸凹模尺寸也按此公式来计算。
1.8.2公差确定
由附表 4.33可知，凹凸模的外形尺寸分别为
=，=，又凸凹模的制造公差可由附表 4.34查得，=0.12，=0.08，最后得到=mm，=mm。
1.9 凸模通气尺寸
工件在拉深时，由于空气压力的作用或润滑油的粘性等因素，使工件很容易粘附在凸模上。为使工件不至于紧贴在凸模上，设计凸模时，应有通气孔，
拉深凸模通气孔如图2所示，尺寸选取见表3，选取=8mm。
图2 拉深凸模通气孔
表3 拉深凸模通气孔尺寸
二拉深模结构设计
2.1拉深凸凹模结构
对于两次以上的拉深，选取的凸凹模形式如图3。
图3 模具结构形式
2.2 模具总体结构的设计
本设计通过计算不需要采用压边圈。根据制件较小、拉深深度居中，并为了卸料简单可行，特采用倒装带凸缘拉伸附加弹性刚性打料外设可调强力弹压装置。这类装置的下模课外设压料、卸料的强力弹压装置，通过弹压力的调节，保证有合适的压边力和足够的卸料力。并且在凸模的中间设有进气孔，保证了气体流动通畅。部分零件图见附图。
图4 3D半透明装配图
图5 3D半剖装配图
图5 装配简图
三Dynaform软件仿真分析
根据所计算得到的毛坯尺寸，所需的毛坯直径为124mm，第一次拉深后的直径为74.4mm，第二次拉深后的直径为57.288mm，第三次拉深后的直径为47.55mm，最后依次拉深到所需的直径为40mm。
3.1网格划分
将制件iges格式导入到软件后，划分网格后如图所示。网格质量较好，可
以接受。
图7网格划分
3.2 毛坯轮廓线计算
根据理论计算得到毛坯的理论直径为124mm，得到外径周长为124*3.14=389.4mm；通过软件计算的坯料的轮廓线长度为403.7mm。软件计算的稍微大一点，考虑到修边，前期的设计基本满足要求。
图8 轮廓线长度计算
3.3 制件厚度分析
由图可知，最大的厚度大约为2mm，出现在凸缘部分，最小值大约为1.1mm，且最薄处只出现在底部，总体的厚度在2mm左右。在理论计算时，取得厚度平均值为2mm。说明制件在拉深时，第一次拉深可以满足厚度要求。为此，此分析集中分析第一次拉深，第一次拉深满足要求时，之后的拉深也肯定满足，原因是，之后的拉深深度小，冗余度高。
图9 厚度分布图
3.4 主应力分布
由图可知，主应力最大值出现在边缘地方，这可能会引起褶皱。在实际中可以采用压边圈（结构设计没有采用，但是模具预留了压边圈），以较少起皱的情况。
图10主应力分布
3.5 制件成形情况
下图为制件成形的成形极限图
由图可知，没有出现较危险的区域，起皱的部分也只发生在凸缘和修边部分，可以利用压边圈来消除影响。
图11成形极限图
总结
通过此次拉伸模设计，对钣金类拉伸件的参数确定、模具结构设计和成型分析有了一定的认识，并初步掌握了薄壁件成形的一般步骤。
此设计主要集中在三个方面，一是制件的参数确定，一是模具结构的设计，一是成形分析。难点集中在参数的确定和成形分析。
制件的参数确定主要是毛坯的尺寸、拉深系数、拉深次数、拉深深度、凸凹模的尺寸以及其公差等等。在设计过程中，参考了一些设计手册，通过手册中的预选参数，结合制件情况，合理选取，并不断地分析检验参数的合理性。反复选取拉深系数，来满足拉深次数和拉深深度，又反过来让拉深系数满足设计手册中给定材料的设计要求，以求达到一个合理的设计。
模具的设计参考现有的拉深模设计手册，并结合制件设计而成，一部分零件采用了标准设计，为了便于模具的加工、节约成本和缩短设计周期。
成形分析主要包括网格划分、毛坯轮廓线生成和成形计算分析等等。分析中参数的选取直接影响成形分析的结果好坏，其中网格的划分好坏占很大的影响。
由于个人所学的知识有限，在设计过程中，难免会出现错误，希望老师在发现问题时，及时批评指出，我一定会努力改正！
参考文献
[1] 周本凯.冲压模具设计实践.化学工业出版社，2008.
[2] 汤酞则.冷冲模课程设计与毕业设计指导.湖南大学出版社，2008.
[3] 丁友生吴治明等.冷冲模设计与制造.浙江大学出版社，2011.
[4] 杨关全匡余华.冷冲模设计资料与指导.大连理工大学出版社，2012.
[5] 美国工程技术联合公司.dynaform5.5中文培训手册.ETA，2006.
[6] 佚名.dynaform5.9.X中文版视频教程.不详
附表
(以下表节选自《冷冲模课程设计与毕业设计指导》)
表4.30 板料偏差