1前言
1.1冷冲压定义及其特点
冷冲压是一种简单的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上。利用模具和冲压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件和尺寸。冷冲压和切削加工相比较，具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、产品尺寸精度稳定、操作简单、容易实现机械化和自动化等一系列优点，特别适合于大量生产。
1.2冷冲压工艺的应用领域及发展现状
由于板料零件具有重量轻，在满足产品的强度和刚度的情况下，可以根据其不同的用途，采用不同材料加工成各种尺寸的零件，以满足不同需要。因此在现代汽车、拖拉机、电机、电器、仪器、仪表和各种民用轻工产品中，都大量使用冷冲压零件。而且在国防方面，如飞机、导弹、枪弹、炮弹等产品中，采用冷冲压加工的零件比例也是相当的大的。随着汽车和家用电器等的飞跃发展，许多先进工业国家，对发展冷冲压生产给予高度重视。例如美、日等国家模具产业已经超过机床工业。
我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与世界先进国家相比仍有很大差距，一些大型、精密、复杂、长寿命的高档模具仍需大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竞争激烈。当今现状表现为：一、进口模具大部分是技术含量高的大型精密模具，而出口模具大部分是技术含量较低的中低档模具，因此技术含量高的中高档模具市场满足率低于冲压模具总体满足率，这些模具的发展已滞后于冲压件生产，而技术含量低的中低档模具市场满足率要高于冲压模具市场总体满足率；二、由于我国的模具价格要比国际市场价格低许多，具有一定的竞争力，因此其在国际市场的前景看好。
近年来，我国冲压模具水平已有很大提高，大型冲压模具已能生产单套重量达50 多吨的模具，精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。
模具CAD/CAM技术的应用，显著缩短了模具设计与制造周期，降低了生产成本，提高了产品质量。在―八五‖、―九五‖期间，已有一大批模具企业推广普及了计算机绘图技术，数控加工的使用率也越来越高，并陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统。如美国EDS的UG，美国ParametricTechnology公司的Pro/Engineer，英国DELCAM 公司的DOCT5，日本HZS公司的CRADE及space-E，以色列公司的Cimatron，还引进了AutoCAD、CATIA等软件及法国Marta-Daravision公司用于汽车及覆盖件模具的Euclid-IS等专用软件。国内汽车覆盖件模具生产企业普遍采用了CAD/CAM技术。
为了提高冲压模具的寿命，模具表面的各种强化超硬处理等技术也是发展重点。对于模具数字化制造、系统集成、逆向工程、快速原型/模具制造及计算机辅助应用技术等方面形成全方位解决方案，提供模具开发与工程服务，全面提高企业水平和模具质量，这更是冲压模具技术发展的重点【1-5】。在信息化带动工业化发展的今天，在经济全球化趋向日渐加速的情况下，我国冲压模具必须尽快提高水平。通过改革与发展，采取各种有效措施，在冲压模具行业全体职工的共同努力奋斗之下，我国冲压模具也一定会不断提高水平，逐渐缩小与世界先进水平的差距。―十一五‖期间，在科学发展观指导下，不断提高自主开发能力、重视创新、坚持改革开放、走新型工业化道路，将速度效益型的增长模式逐步转变到质量和水平效益型轨道上来，我国的冲压模具的水平也必然会更上一层楼。
2工艺方案的制订
2.1零件工艺性分析
材料08料厚2.0mm，大批量生产
该零件的材料为08钢，板厚为2mm,大批量生产，该零件是典型的旋转体成形件。从技术要求和使用条件来看，零件的精度要求一般，适合冲压生产。工件的冲压精度和粗糙度都要求不高，符合冲裁要求。对零件的外形分析不难看出，该零件的成形工艺包括落料、拉深、冲孔等冲压工序，其中拉深和冲孔需要进行尺寸计算。
冲压工艺方法的确定：该零件包括落料、拉深、冲孔三个基本工序，可以采取以下几种工艺方案。
方案一：先落料，再拉深，最后冲孔。采用单工序模生产。
方案二：落料——冲孔复合模，然后拉深。采用既有单工序又有复合模生产的方法。
方案三：落料——拉深复合模，然后拉深——冲孔复合模。采用复合模生产的方法。
方案一结构简单，但需要三道工序三副模具，成本高，生产效率低，难以满足生产要求。
方案二需要两套模具，生产效率较高，但将拉深工序放在最后，容易使零件变形，精度变差。
方案三需要两套模具，操作简便，工作精度高，模具强度好，生产效率高。
综上所述，通过对以上三种方案的分析比较，该制件的冲压方案采用方案三，即复合模。
2.2 冲压工艺的计算
2.2.1 毛坯的计算
（1）确定修边余量的值
d 1/d =101/78=1.29﹤1.5 ,查表知：△d =4.3（mm ） （2）毛坯直径D 的计算
)rd H d d D 222
4
44.34-+= （2-1）
式中 d 4 — 凸缘直径，mm ；
d 2 — 圆筒中线值，mm ； r — 拉深圆角半径，r=2mm ； H — 工件高度中线值，mm ；
)78244.338784)23.4101(2??-??+?+=D 154=D (mm)
（3）拉深次数的确定
毛坯的相对厚度：t/D ×100=2/154×100=1.299 总拉深系数：m 总 =d/D =78/154=0.506 查表知，首次拉深的极限拉深系数m 1 =0.51 首次拉深允许的最大相对高度h 1/d 1 =0.56～0.72
工件的相对拉深高度h/d =38/78=0.487﹤0.56 ，因为m 1﹥m 总，且考虑到工件的合格率和公益性的难易程度，故采用两次拉深的方法。由于d t /d =101/78=1.2949﹤1.4,所以该工件属于窄凸缘类型【6】。
（4）各次拉深工件内经的计算
由m 1 =0.51，可取第一次拉深的拉伸系数为m 1 =0.61 第一次拉深直径为d 1
d 1 = m 1D （2-2）
式中 d 1 – 第一次拉深的拉伸直径，mm ； m 1 – 第一次拉深系数； D – 毛坯直径；
d 1 = 0.61×154=93.94(mm) 取d 1 =94mm
工件成品d =78mm ，则取m 2 =78/94=0.83
第一次拉深直径m 1 =0.61 ，则d 1 =m 1D =0.61×154=93.94(mm) ，取d 1 =94(mm)， 第一次拉深拉深高度的计算公式H
H =0.25（D 2-d t 2）/d n +0.43（r n +R n ）+0.14（r n 2-R n 2）/d n （2-3）
式中 n H -第次拉深后的高度（mm ）；
n d -第n 次拉深后的筒壁直径（mm ）； p d -凸圆直径（mm ）
； n r 1-第n 次拉深后凸缘根部圆角半径（mm ）； n r 2-第n 次拉深后底部圆角半径（mm ）； D - 平板毛坯直径（mm ）；
H 1 =0.25×（1542-1012）/94+0.43×2×12 H 1 =46.264(mm)
这里取H 1 =46mm
因为H 1/ d 1 =46.264/94=0.492﹤0.56 ，即首次拉深相对高度小于最大相对高度，所以该工序尺寸计算是合理的。
（5）凹模圆角半径的确定r d
t d D r d )(8.0-= （2-4）
式中 D - 毛坯或上道工序的拉深直径（mm ）； d - 本道工序的拉深直径（mm ）； t - 材料的厚度（mm ）；
976.81≈=d r (mm) ，取r d1 =9mm
由于半径不应小于材料厚度的2倍，故取2d r =4mm （6）凸模圆角半径的确定r p
根据r p =（0.6～1）r d ，取r p1 =6mm
末次拉深等于工件的圆角半径，故r p2 =2 mm （7）拉深高度h 的确定
H =0.25（D 2-d t 2）/d n +0.43（r n +R n ）+0.14（r n 2-R n 2）/d n
式中 n H -第n 次拉深后的高度（mm ）；
n d -第n 次拉深后的筒壁直径（mm ）； p d -凸圆直径（mm ）
； n r 1-第n 次拉深后凸缘根部圆角半径（mm ）； n r 2-第n 次拉深后底部圆角半径（mm ）； D -平板毛坯直径（mm ）；
H 1 =0.25×（1542-1012）/94+0.43×2×12 H 1 =46.264(mm)，取H 1 =46mm
H 2的值即为工件成品高度，即H 2 =38mm 2.2.2 排样方案
（1）排样方案
工件的毛坯尺寸154mm ，尺寸较大，考虑到操作方便和材料利用率，故采用直线单排的排样方法。
搭边的最小宽度大于塑变区的宽度，由板厚2mm 查搭边数值表可知，沿边搭边为1.8mm ，工件间搭边为1.5mm 。
（2） 步距：H=154+1.5=155.5(mm)
条料宽度：B=154+2×1.8=157.6(mm) 【7】
100nA
bh
η=
?% （2-5）
式中 A —冲裁件（毛坯）的面积；
n —一个进距内冲裁件数目； b —条料宽度；
h —进距；
所以 %
76%
1004
6.1575.15515412
=?????=ηπη
3 落料-拉深复合模具的设计
此工序采用复合模结构，可以实现两道工序在一副模具上完成，减少了工序数和模具数，降低了生产费用，符合大批量的要求。落料、拉深复合模结构比较简单，此复合模的结构形式采用顺装形式，凸凹模装在上模，冲压零件由推件装置推出。
3.1 冲压压力的计算
（1）落料冲裁力落
F 【8-9】
F kL t τ=落落
（3-1）
式中 K —系数；选择设备吨位时，考虑刃口磨损和材料厚度及力学性能波动因素，
实际冲裁力可能增大，因此取k =1.3；
L 落—落料件周长；mm ；L D π=落； τ — 材料抗剪强度；
b σ —材料抗拉强度；Mpa ；08钢τ=260~360取τ=300Mpa 所以
)
(33730021543.1KN F F =????=落落π
（2）拉深力的计算深F
通过以上的分析与计算，查拉深力实用公式表深F
11b F d t k πσ=深 （3-2）
式中 1d — 圆筒形件的第一次工序直径，根据料厚中线计算；mm ；1d =94mm ； t —材料的厚度，mm ，t =2mm ；
b σ—材料抗拉强度，Mpa ，08纲的b σ=330~450Mpa ，取b σ=400Mpa ；
1k — 系数；1k =0.3；
所以
)
(703.0400294KN F F =????=深深π
（3）压边力的计算n Q
q
R d D Q n ])2([4
2112凹+-=
π
（3-3）
式中 Q -压边力，KN ；
D -毛坯直径，mm ；
q - 单位压边力,Mpa ，取q =3Mpa ； n d -第n 次拉深的直径,mm ； n R 凹-第次拉深凹模的圆角半径,mm ；
)
(233
])12294(154[4
22KN Q Q n n =??+-=
π
（4）卸料力的计算卸F
F K F =卸卸 （3-4）
式中 K 卸— 卸料力系数；查K K 顶卸推、K 、之值表[1]，得K 卸=0.05； F —落料力
所以
)
(1033703.0KN F F =?=卸卸
（5）推件力的计算推F
=F F n 推推K （3-5）
式中 n —卡在凹模洞口里的工件数；
推K —推件力系数；查K K 顶卸推、K 、之值表，取推K = 0.055
F —落料力
所以 )
(6.18337055.01KN F F =??=推推
总冲压力的计算总F
F F F F F F =++++深压总落卸推 （3-6）
)
(6.4486.181********KN F F =++++=总总
（6）压力机的初步选择
选择设备吨位时，考虑刃口磨损和材料厚度及力学性能、波动等因素，实际冲裁力可能增大，所以应取
1.3F F =总 （3-7）
)
(5836.4483.1KN F F =?=总总
因此初步选择压力机的型号为J23~63开式双柱可倾压力机，公称压力为
630KN ，最大封闭高度为300mm ，最小封闭高度为230mm 。
3.2 模具压力中心的计算
由于毛坯外形为圆形，所以模具的压力中心位于圆心【10】。
3.3 模具刃口尺寸的计算
(1) 落料凸、凹模刃口尺寸的计算
根据表查得间隙值Z min =0.246mm ，Z max =0.360mm
Z max - Z min =0.360-0.246=0.114 (mm)
根据表查得凸凹模的制造公差为：
凸模 030.0-=P δmm 凹模 040.0=d δmm 为了保证冲模的间隙小于最大合理间隙
070.0040.0030.0=+=+d
p δδ<0.114
满足加工时
d p δδ+< Z max - Z min 的条件。
工件公差△ =上偏差 — 下偏差=0.25-（-0.25）=0.50(mm)
查表选择 x =0.5
由于零件为圆形且比较简单，所以凸凹模可以分开加工，且零件的公差等级，精度要求不高。
落料凹模的尺寸D d 【11】
)
(75.153)50.05.0154()(04.0004
.00
max m m X D D d
d ++=?-=?-=δ （3-8）
落料凸模的尺寸D p
)(504.153)246.075.153()(003.00
03.00min m m
Z D D p
d p ---=-=-=δ （3-9）
(2) 拉深的凸、凹模的刃口尺寸的计算 根据表查得拉深凸凹模的制造公差：
mm
mm d P 08.005.0+=-=δδ
查表冲裁和拉深件未注公差尺寸的极限偏差知：△=0.74-（-0.74）= 1.48mm 查表凹凸模之间的最小合理间隙知：Z /2=1.2t 所以 Z =4.4mm 拉深凸模的刃口尺p D
m a x )75.0(P
Z D D p δ-?-= （3-10）
式中 m a x D —拉深件外形的最大尺寸 ?— 工件的制造公差 Z — 拉深模的双面间隙 所以
)
(49
.89)4.448.175.095(0
05
.0005.0mm D D p p --=-?-=
拉深凹模的刃口尺寸D d
max 0(0.75)d
d D D δ+=-? （3-11）
)
(89
.93)48.1.075.095(08
.00
08
.00
mm D D p p +=?-=
3.4 落料-拉深复合模主要零件的设计
3.4.1 落料凹模
(1) 凹模的外形尺寸
根据凹模外形尺寸的经验公式知，凹模厚度：H =Kb （H ≧15mm ）。 已知凹模孔的最大宽度是154mm ，查表知：K =0.20
计算得H =154×0.20=30.8（mm ），取H =30mm ，由于拉深高度为46mm ,卸料板厚度为20mm ，故取H ?=70（mm ）
凹模壁厚（即凹模刃口与外边缘的距离） 小凹模c =（1.5～2.0）H ，c ≧30 mm ； 大凹模c =（2～3）H ， c ≧30 mm ； 取c =2H =2×30=60mm ；
则圆形凹模的直径 d =154+2×30=274(mm) (2) 刃壁形式
因为此复合模结构简单，同时材料较厚，结合冲模凹模的刃壁形式表选择锥形形式凹模。
(3) 凹模的固定形式
利用销钉和螺钉固定在下模座上。 3.4.2 拉深凸模
(1) 凸模的固定形式 利用4个螺钉固定。
(2) 凸模的高度
根据凸模的固定形式及与其它零件的配合情况，取凸模的高度：h =80（mm ） 3.4.3 卸料弹簧的设计【12】
(1) 根据总的卸料力，以及模具结构拟用8个弹簧，则每个弹簧承受的负荷为：F 顶= F 顶/n =10/（4×2）=1.25 (KN)
估算弹簧的最大工作负荷为F 最大=1.5×F 顶=1.875 (KN) 初选YA ，5.0×25×19.7-2 GB/T 2089-1994 其主要规格：
弹簧外径D =25mm ； 钢丝直径d =5.0mm ； 试验负荷P S =1.299KN ；
节距t=8.29mm ；
最大允许下工作负荷的变形量F=19.7mm ；
弹簧的自由长度H0=70mm ；
(2) 校核弹簧的压缩量
F预=1.25FN时弹簧预压缩量为：
S预=F最大S预/F最大=1.25×19.7/1.9485=12.6379 (mm)
S总=S预+S工作+ S修磨(3-12)
式中S预—弹簧预压缩量，mm，S预=12.6379mm；
S工作—卸料板的工作行程，mm，取S工作= t+1= 3mm；
S修磨—凸凹模修磨余量，mm，取S修磨= 4mm；
所以S总=12.6379+3+4
=19.6379 (mm)
因为S总﹤S最大，满足要求。
3.4.4卸料橡胶的设计
（1）卸料橡胶自由高度的计算
橡胶的单位压力和橡胶的压缩量和形状及尺寸有关。
橡胶所能产生的压力为：
F=AP (3-13)
式中A—橡胶的横截面积mm2；
P—与橡胶压缩量有关的单位压力MPa ；
从上文的计算得知该复合模的推料力F推=4.05KN ；
橡胶的自由高度：
S工作= t+1+S修模；(3-14)
H自由=（3.5~4.0）S工作；(3-15)
式中S工作—橡胶工作行程；
t—材料厚度；t =2mm；
S工作—模具的修模量或调整量，一般取4~6mm，这里取5mm；
H自由—橡胶的自由高度；
所以S工作=2+1+5=8mm ，H自由=（3.5~4.0）×8=（28~32）mm
这里取H自由= 30mm
（2）根据H 自由计算橡胶的装配高度
H 装配 =（0.85~0.9）H 自由=（0.85~0.9）×30=（25.5~27）mm ，这里取H 装配 = 25(mm)
（3）计算橡胶的断面面积A 断面面积：A =F /P
=4.05×102/(0.26×4) =3894mm 2 ;
所以)8/(2+=πA D 64/3894+=π =36.1（mm ） 这里取D =36mm
（4）根据模具空间的大小校核橡胶的断面面积是否合适，并使橡胶的高径比满足下式：
0.5≦H /D ≦1.5 带入数据，H /D =30/36=0.83 , 显然 0.5≦0.83≦1.5 满足条件要求。 3.4.5 凸凹模的设计
（1）凸凹模高度
00H ta x H F H =-+ （3-16）
式中 0H —弹簧的自由长度，mm ，0H =70mm ；
0F —弹簧的压缩量，mm ，F 0=12.6379mm ； x H —卸料版厚度，mm ，H x =20mm ；
所以 00H ta x H F H =-+
=70－12.6379+20 =77.3621（mm ）
取 H ta =77（mm ）
（2）凸凹模壁厚的校核
对于内孔不积聚废料或工件的凹凸模（如正装复合模、凹凸模在上模） 最小壁厚c 为 硬材料 c =1.5t 且 c ≧0.7mm ； 软材料 c =t 且 c ≧0.5mm ；
对于08钢 c =1.5t=1.5×2=3（mm）；
此工件的凸凹模的壁厚满足最小壁厚的要求，所以设计的凸凹模满足要求。
3.4.6卸料板的设计
由于此件的厚度较小，且要求表面平整，可采用无导向的弹压卸料版，查卸料板厚度表。
卸料板宽度B=205mm
卸料板厚度h0=20mm
卸料螺钉选用常用的卸料螺钉结构形式[3]序号一形式。
卸料板材料选用45钢，不用热处理淬硬。
3.4.7压边圈的设计
（1）压边圈的内径【13】
D Y=（0.02~0.20）+ d p（3-17）
式中d p—拉深凸模外径；
D Y——为压边圈外径；
故D Y= 0.1+89.49=89.59mm ；
（2）压边圈外径
外径d Y=D-(0.03~0.08) （3-18）
式中d Y—压边圈外径；
D—拉伸前半成品工件内径；
故d Y=154- 0.05=153.95(mm)
（3）压边圈厚度
根据零件的厚度，及相关零件结构取h=20mm
3.4.8模座的选用
（1）模座的外形尺寸【14】
由于凹模的外形尺寸d=274mm，查模架标准结构表[4]，可确定在中间导柱滚动导向模架。
下模座的尺寸为：315×60 GB/T2861.12-1990，同时可确定上模座的尺寸为315×50 GB/T2861.11-1990 ，最大闭合高度250mm，最小闭合高度215mm。
（2）模座的材料
从降低模具成本考虑选用铸铁HT200。