3 模具设计及计算3.1模具设计的基本原则3.1.1模具设计的基本作用模具作为生产用精密、高效的工艺装备，本身也是一种精密的机械产品。

该机械产品能否满足对其使用性能和成形精度的要求、必须解决好模具设计与制造、精度与寿命等各方面与模具相关的问题。

同时模具作为中心议题，可以细分成模具设计、制造、材料、成本、精度、寿命、安装、使用，以及标准化等各方面问题。

①模具设计是模具制造的基础，合理正确的设计是正确制造模具的保证；②模具制造技术的发展对提高模具质量、精度以及缩短制造模具的周期具有重要意义；③模具的质量、使用寿命、制造精度及合格率在很大程度上取决于制造模具的材料及热处理工艺；④模具成本直接关系到制件的成本以及模具生产企业的经济效益；⑤模具工作零件的精度决定制件的精度；⑥模具的寿命又与模具材料及热处理、模具结构以及所加工制作材料等诸多因素有关；⑦模具的安装与使用直接关系到模具的使用性能及安全；而模具的标准化是模具设计与制造的基础，对大规模、专业化生产模具具有重要的作用，模具标准化程度的高低是模具工业发展水平的标志。

3.1.2模具设计的基本内容模具结构设计主要包括：①分析零件的结构工艺性及材料。

②选择成形的工艺方案和制定工艺卡片。

③确定坯料的尺寸、重量及备料方法等。

④计算并确定的各项工艺参数，如压力机等。

⑤进行各模具的总体结构设计与校对。

3.2模具的结构形式冲模的结构形式多种多样，按工序的性质分类，可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等；按工序的组合程度分类，可分为单工序模、复合模、级进模等。

各种冲模的构成大体相同，主要由工作零件、定位零件、卸料与推料零件、导向零件、联接与固定零件等组成。

本制件经工艺分析由剪板—落料与拉深成形复合（只成形浅球形部分）—冲孔与切边复合—外缘翻边与内缘翻边复合（同时成形Φ75mm的开口和Φ20mm的底孔）四道工序组成，采用复合模生产。

3.3模具零部件设计原则3.3.1凸凹模复合模中，至少有一个凸凹模。

凸凹模的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚决定于冲裁件的尺寸。

从强度考虑，壁厚受最小值限制。

凸凹模的最小壁厚受冲模结构影响。

对于正装复合膜，最小壁厚可小些；对于倒装复合模，因内孔积存废料最小壁厚要大些。

3.3.2定位零件定位零件的作用是使毛坯（条料或块料）送料时有准确的位置，控制送料的进距，保证冲出合格的制件，不至冲缺而造成浪费。

选择定位方式及定位零件时应根据坯料形式、模具结构、冲件精度和生产率的要求等来确定。

①定位件主要是定位板或定位销，一般用于对单个毛坯的定位。

②导料件主要是导料板和测压板，它对条料或带料送料时起导正作用。

③挡料件其作用是给予条料或带料送料时以确定进距。

主要有固定挡料销、活动挡料销、自动挡料销、始用挡料销和定距侧刀等。

3.3.3卸料与推件装置①卸料装置卸料装置分固定卸料装置、弹压卸料装置和废料切刀等几种。

卸料板用于卸掉卡箍在凸模上或凸凹模上的冲裁件或废料。

固定卸料装置适用于冲制材料厚度大于和等于0.8mm的带料或条料。

弹压卸料装置主要用于冲制薄件和要求平整的冲件。

②顶件装置顶件装置一般是弹性的。

其基本组成有顶杆、顶件块和装在下模底下的弹顶器，弹顶器可以做成通用的，其弹性元件是橡胶或弹簧，这种结构的顶件力容易调节，工件可靠，冲件平直度较高。

3.4落料成形复合模具设计已知：工件材料：紫铜材料厚度：0.3mm查手册，得到紫铜的抗拉强度σ=200Mpa，抗剪强度τ=160Mpa,b屈服强度σ=7Mpa，伸长率δ=30%。

s材料本身较软。

3.4.1拉深系数和拉深次数的确定查手册，得紫铜的首次拉深系数m1=0.5—0.55,以后各次拉深系数m n=0.72—0.80。

由于球形件的拉深系数对任何直接均为定值m=0.71，属于本制件材料的拉深系数范围。

由公式d1=m1D=0.71×93=66.03mm,故可以一次拉深成形。

该制件的拉深次数为1次。

3.4.2是否采用压边圈由公式t/D×100=0.3/93×100=0.32,查手册，需采用压边圈。

3.4.3力的计算①拉深力P=K Ltσb式中：K—系数，取0.5—0.8；取K=0.6；L—拉深件横截面周长，mm；（使用ug算出L=263.3×2=526.6mm） t—材料厚度，mm；σ—抗拉强度。

bP=0.6×526.6×0.3×200=18957.6N。

②压边力Q=F N q/1000查手册，得q=1.2—1.8Mpa,取q=1.8Mpa。

式中：F N—压边面积mm2，F N=72.22mm2；q—单位压边力。

Q=72.22×1.8/10000=0.013KN=13 N③拉深总工艺力P总=P+QP总=18957.6+13=18970.6N。

④冲裁力P0 =Ltτ式中 L—冲裁的周长P0=3.14×93×0.3×160=14016.96N⑤卸料力P1=K1P0式中K1—推出系数，查手册，得K1的取值范围为0.02—0.06,取K1=0.05。

P1=0.05×14016.96=700.85N⑥推件力P2=nk2P0式中 n—同时卡在凹模中的工件（或废料）数目，n=h/t,h为凹模腔口高度，mm，t为材料厚度，mm；在这里取n=1；K2—推出系数，查手册，得k2的取值范围为0.03-0.09，取k2=0.05；P2=1×0.05×14016.96=700.8N。

⑦顶件力P3=K3P0式中K3—顶出系数，查手册，得k3的取值范围为0.03-0.09，取k3=0.05；P3=0.05×14016.96=700.8N。

3.4.4压力机的选择由于该制件在成形过程中主要是拉深变形，故在选择压力机时主要以拉深力的大小来确定。

而拉深总工艺力是选择拉深设备的主要依据，但不能简单地按拉深所需的总工艺去选择拉深设备，而应结合拉深设备的特点合理地选用，拉深工艺特别是落料—拉深复合工艺时的工作行程较大。

一般情况下，拉深总工艺力与拉深设备标称压力的关系可按下式进行概略计算：P总≤（0.7—0.8）P压得：P压≥27107—23713N查手册，得该制件的拉深速度为：v=53.3—61m.min-1。

根据以上计算，可选公称压力为250KN的开式压力机（JB21-25）。

其技术参数为：公称压力： 250KN滑块行程： 80mm行程次数： 100次/min最大封闭高度： 250mm封闭高度调节量： 50mm立柱间距离： 340mm工作台尺寸（前后×左右）： 700×440mm模柄孔尺寸（直径×深度）：Φ40×65mm3.4.5模具压力中心的确定由于本件是对称件，所以模具压力中心在制件的几何中心。

如图3.1所示。

图3.1 压力中心示意图3.4.6模具总体结构设计与分析落料成形复合模结构设计应在选定制件工艺方案的基础上进行，为了保证达到工件的要求，在进行落料成形复合模的结构设计时，必须注意以下几点：①坯料放置在模具上应保证可靠的定位；②设计落料拉深复合膜时，由于落料凹模的磨损比拉深凸模的磨损快，所以落料凹模上应预先加大磨损余量，普通落料凹模应高出拉深凸模约2-6mm。

③为了减少回弹，在冲程结束时应使工件在模具中得到校正；④压边圈与毛坯接触的一面要平整，不应有孔或槽，否则拉深时毛坯起皱会陷到孔或槽里，引起拉裂；⑤毛坯放入到模具上和拉深成形后从模具中取出工件要方便。

经分析、验证最终所得落料成形复合模结构图如图3.2所示。

1－下模座 2-导柱 3、18-固定板 4、12、15、22、27-内六角螺钉 5、11、21、25-圆柱销 6-落料凹模 7-固定挡料销 8-卸料板 9-导套 10-上模座 13-模柄 14-打杆 16-卸料螺钉 17、34-垫板 19、30-橡胶 20-凸凹模 23-衬板 24-压边圈 26-成形凸模 28-顶杆 29-板31-双头螺杆 32-螺母 33-推件板图3.2 落料成形复合模本落料成形复合模成形的工件表面平整，为了防止销孔离凹模刃壁较近，削弱凹模强度，模具采用自制的固定挡料销来对坯料进行定位；整套模具均采用销钉定位，内六角沉头螺钉连接，因制件本身材料较软，所以用弹性卸料装制卸出废料。

将坯料放置在下模上，合模时，随着压力机滑块的下行，成形凸模26与凸凹模20、推件板33之间的板料被压紧。

滑块继续下行相继完成落料、拉深成形工序。

当下行至下止点时，即完成成形工序。

开模是，压力机滑块上形，下模利用橡胶30的弹力推动推杆，同时推动压边圈24来推出工件；而上模利用顶件块33的自重来顶出工件，从而很好的完成了制件的上下脱模。

本复合模的顶件装置除了起把工件从凸凹模中顶出的作用，还起着成形制件底部和压紧的作用。

推件装置采用弹性推件装置，起弹性元件为橡胶，推件块借用压边圈，这种结构的推件力容易调节，工作可靠，制件的平直度较高。

该模具成形的工件质量较高，模具寿命长，使用安装方便，适用于大批量生产。

3.4.7凸凹模工作部分的尺寸计算①拉深模单边间隙查手册，得该制件拉深模的单边间隙Z=（1.3—1.4）t=0.39—0.42mm ，取Z=0.4mm 。

②拉深凸模工作部分的尺寸dp)4.0(0∆+-=d p p d δ拉深凹模工作部分的尺寸D d)24.0(0z d d d D +∆++=δ式中 ∆—拉深件尺寸公差，mm ；Z —拉深时凸、凹模单面间隙，mm ；查手册，得 凸模制造公差p δ=0.03mm ；凹模制造公差d δ=0.015mm 。

70003.0=-p d mm ， 8.70015.00+=d D mm 。

③拉深凸模圆角半径r p =(3—5)t=0.9—1.5mm ，取r p =1.5mm ；拉深凹模圆角半径r d =（5—10）t=1.5—3mm ，取r d =1.8mm 。

④落料模单边间隙Z查手册，得该制件落料模的单边间隙Z=0.01mm;⑤落料凸模刃口部分的尺寸Dp)(0∆-+=x D d P D δ落料凹模刃口部分的尺寸D d)2(min 0Z x D p d D -∆--=δ式中 D —落料的尺寸，mm ；∆—工件公差，mm ；取∆=0.014（IT8）Z min —双面间隙，mm ；X —磨损系数，取x=0.75；p δ—凸模制造公差,p δ=∆/4=0.0035;d δ—凹模制造公差, d δ=∆/4=0.0035;得：)014.075.093(0035.00⨯-=+P D =99.920035.00+mm ， )01.022014.075.093(00035.0⨯⨯-⨯--=d D =95.9200035.0-mm 。