三角垫片冲压模具设计.doc

中北大学
课 程 设 计 说 明 书

学生姓名： 李同学 学 号： 09010341
学 院： 机电工程学院
专 业： 飞行器制造工程
题 目： 三角垫片冲压模具设计

综合成绩

指导教师： 张老师

2012年 9月 21日

目 录
一 冲材件工艺性分析—————————————————4
1.1冲压件材料———————————————————————————4
1.2工件结构形状——————————————————————————4
1.3尺寸精度————————————————————————————5
二 冲压工艺方案的确定————————————————5
三 工艺计算—————————————————————5
3.1计算冲压力———————————————————————————5
3.2初选压力机———————————————————————————5
3.3排样设计及材料的利用率分析———————————————————6
3.4模具压力中心的确定———————————————————————7
四 模具结构形式的确定————————————————9
4.1模具类型的选择—————————————————————————9
4.2操作与定位方式—————————————————————————9
4.3卸料、出件方式—————————————————————————9
4.4确定送料方式——————————————————————————9
4.5确定导向方式——————————————————————————9
五 模具总体设计———————————————————9
5.1模具类型的选择—————————————————————————9
5.2操作与定位方式—————————————————————————10
5.3卸料、出件方式—————————————————————————10
5.4确定送料方式——————————————————————————10
5.5确定导向方式——————————————————————————10
六 模具刃口尺寸计算—————————————————11
七 模具主要零部件的设计与选用————————————13
7.1落料凹模————————————————————————————13
7.2凹模具体设计——————————————————————————13
7.3冲孔凸模设计——————————————————————————14
7.4凸凹模的设计——————————————————————————15
7.5卸料部件的设计—————————————————————————16
7.6模架及其他零部件的选用—————————————————————17
八、校核模具闭合高度及压力机有关参数—————————17
8.1校核模具闭合高度————————————————————————17
8.2冲压设备的选定—————————————————————————17
九、参考文献 ————————————————————18

一、冲裁件工艺性分析
工件名称：三角垫片冲压
工件简图：如图1-1所示
生产批量：年产量20万件为一般批量
材料：Q235
材料厚度0.5mm

1-1

1.1冲压件材料
查冲压手册知：Q235为普通碳素结构钢，强度一般，具有良好的塑性、焊接性以及压力加工性，主要用于工程结构和受力较小的机械零件，可以冲裁。
1.2工件结构形状
工件结构形状相对简单，尺寸不大，成三角形，内外形无尖角，孔与边缘之间的距离也满足要求，适合冲裁加工。冲裁件除有一个φ10的大孔，生产纲领为二十万件，属一般批量，应重视模具材料的选择和结构的选择，保证一定的模具寿命。
1.3尺寸精度
零件图上未注公差为IT13级，尺寸精度较低，普通冲裁完全可以满足要求。
根据以上分析：该零件冲裁工艺性较好，适宜冲裁加工。
二、冲裁工艺方案的确定
本制件所需的冲压工序为落料和冲孔两个基本工序，可以有一下三种工艺方案：
方案一：先冲孔，后落料；单工序模生产。
方案二：冲孔—落料复合冲压；复合模生产。
方案三：冲孔—落料级进冲压；级进模生产。
结合所学模具设计知识分析知：方案一模具结构简单，制造周期短，制造简单，但需要两副模具，成本高而生产效率低，难以满足大批量生产的要求。方案三只需一副模具，生产效率高，操作方便，精度也能满足要求，但模具轮廓尺寸较大，制造复杂，成本较高。方案二也只需一副模具，制件精度和生产效率都较高，且工件最小壁厚大于凸凹模许用最小壁厚模具强度也能满足要求。冲裁件的内孔与边缘的相对位置精度较高，板料的定位精度比方案三低，模具轮廓尺寸较小，制造比方案三简单。
通过对上述三种方案的分析比较，该工件的冲压生产采用方案二为佳。
三、工艺计算
1、计算冲压力
　　采用弹性卸料装置和倒装式的复合冲裁模，冲压力为冲裁力、卸料力、以及推荐力的总和。
1)、冲裁力的计算
用平刃冲裁时，其冲裁力F一般按下式计算：F=Ltτb
式中　　F—冲裁力；
L—冲裁件周长；
　　　　t—材料厚度；
　　　　τb—材料抗剪强度；　　　
K—系数，系数Ｋ是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀，刃口磨损、板料力学性能和厚度波动等原因的影响而给出修正系数，一般取Ｋ=1.3。
计算冲裁件轮廓周长L L= a+b+c+d (公式5-4）
式中 a，b,c,d—冲裁件边长； L=65+30+10+63=168(mm)
查表2-1取τb=450Mpa所以
F=Ltτb=168×0.5×450=37.8(KN)
2）、卸料力、推料力的计算
卸料力FX FX=KXF （公式5-5）
推料力FT 　　 FT =nKTF （公式5-6）
n～梗塞在凹模内的制件或废料数量(n=h/t)；
h～直刃口部分的高(mm)；
t～ 材料厚度(mm)
FX=KXF=0.045×37800=1.701(KN)
（KX、KT为卸料力、推件力系数，其值查表5-3可得）
FT=nKTF =12×0.063×37800 =28.576(KN)
所以总冲压力FZ=F+FX+FT=37.8+1.701+28.576=68.077(KN)
2、初选压力机
根据冲压力计算结果拟选压力机规格为J23-10型压力机。

表5-3 卸料力、推件力和顶件力系数
料厚t/mm
KX
KT
KD
钢
≤0.1
＞0.1~0.5
＞0.5~2.5
＞2.5~6.5
＞6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
0.1
0.063
0.055
0.045
0.025
0.14
0.08
0.06
0.05
0.03
铝、铝合金
纯铜，黄铜
0.025~0.08
0.02~0.06
0.03~0.07
0.03~0.09

3、排样设计及材料的利用率分析
1）、排样方式的选择
方案一：有废料排样 沿冲件外形冲裁，在冲件周边都留有搭边。冲件尺寸完全由冲模来保证，因此冲件精度高，模具寿命高，但材料利用率低。
方案二：少废料排样 因受剪切条料和定位误差的影响，冲件质量差，模具寿命较方案一低，但材料利用率稍高，冲模结构简单。
方案三：无废料排样 冲件的质量和模具寿命更低一些，但材料利用率最高。
通过上述三种方案的分析比较，综合考虑模具寿命和冲件质量，该冲件的排样方式选择方案一为佳。考虑模具结构和制造成本有废料排样的具体形式选择对排最佳。
2）、计算条料宽度
搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。搭边过大，浪费材料。搭边过小，冲裁时容易翘曲或被拉断，不仅会增大冲件毛刺，有时还有拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命。或影响送料工作。
搭边值通常由经验确定，表4所列搭边值为普通冲裁时经验数据之一。
根据零件形状，查表4工件之间搭边值a=1.0mm, 工件与侧边之间搭边值a1=1.2mm, 条料是有板料裁剪下料而得，为保证送料顺利，规定其上偏差为零，小偏差为负值—△
B=（Dmax＋2a）-0△ （公式5-1）
式中 Dmax—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；
a— 冲裁件之间的搭边值；
　　 △—板料剪裁下的偏差（其值查表5-2）；
B=（30.1＋2×3）=32.40-0.5(mm)
所以条料宽度在32.4～32.9mm
表5-1 搭边值和侧边值的数值
材料厚度t
圆件及r＞2t圆角
矩形边长l≤50
矩形边长l＞50或圆角 r≤2
工件间a1
侧边a
工件间a
侧边a1
工件间a1
侧边a
0.25以下
1.8
2.0
2.2
2.5
2.8
3.0
0.25～0.5
1.2
1.5
1.8
2.0
2.2
2.5
0.5～0.8
1.0
1.2
1.5
1.8
1.8
2.0
0.8～1.2
0.8
1.0
1.2
1.5
1.5
1.8
1.2～1.5
1.0
1.2
1.5
1.8
1.9
2.0
1.6～2.0
1.2
1.5
2.0
2.2
2.0
2.2
表5-2 剪裁下的下偏差△（mm）
条料厚度(mm)
条料宽度(mm)
≤50
＞50～100
＞100～200
＞200
≤１
0.5
0.5
0.7
1.0
＞１～３
0.5
1.0
1.0
1.0
＞3～４
1.0
1.0
1.0
1.5
＞4～６
1.0
1.0
1.0
2.0
3)、确定步距
送料步距S：条料在模具上每次送进的距离称为送料步距，每个步距可冲一个或多个零件。进距与排样方式有关，是决定挡料销位置的依据。条料宽度的确定与模具的结构有关。
进距确定的原则是，最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值；最大条料宽度能在冲裁时顺利的在导料板之间送进条料，并有一定的间隙。
送料步距S ＝30+1.2＝31.2(mm)
排样图如图5-2所示。

图5-2 排样
4）、板料规格选用1500mmx3000mmx0.5mm
5)、条料长度L=1500mm
6）、每张板料可裁剪的条料数
　　3000/46.3=64.79条．
7）、每条条料可冲裁的零件数
ｎ＝1500/61.4=22.2
8)、每快板料可冲裁的零件数
　　64x22=1408个
9）、一条条料的材料利用率
22x65x43.63/1500x46.3=89.83％
10）、一块板料的材料利用率
1408x65x42.2/1500x3000=85.8％
冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料的利用率，它是衡量合理利用材料的重要指标。
一个步距内的材料利用率
η＝Ａ/BS×100% (公式5-2)
式中　　A—一个步距内冲裁件的实际面积；
B—条料宽度；
S—步距；
η=70x30+0.5×30×55／46.03×31.2×100%=89.03%

4、模具压力中心的确定
模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为了确保压力机和模具正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心相重合，否则，会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨之间产生过大的摩擦，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。该零件为三角形图形，其型心即为压力中心。
四、 模具结构形式的确定
正装式复合模和倒装式结构比较：
正装式复合模适用于冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件，还可以冲制孔边距较小的冲裁件。
倒装式复合模不宜冲制孔边距较小的冲裁件，但倒装式复合模结构简单，又可以直接利用压力机的打杆装置进行推件卸件可靠，便于操作，并为机械化出件提供了有利条件，所以应用十分广泛。
根据零件分析，制件的精度要求较低，孔边距较大，为提高经济效益和简化模具结构，适宜 采用倒装复合模生产。
根据以上分析确定该制件的生产采用倒装式复合模具生产
五 模具总体设计
5.1模具类型的选择
经分析，工件尺寸精度要求不高，形状较简单，但工件产量较大，根据材料厚度，为保证冲模有较高的生产率，通过比较，决定实行工序集中的工艺方案，弹性卸料装置，自然漏料的倒装复合结构方式。
5.2操作与定位方式
5.2.1操作方式
零件的生产批量较大，但合理安排生产可用手工送料方式，提高经济效益。
5.2.2定位方式
因为导料销和固定挡料销结构简单，制造方便。且该模具采用的是条料，根据模具具体结构兼顾经济效益，控制条料的送进方向采用导料销，控制送料步距，采用固定式导料销
5.3卸料、出件方式
5.3.1卸料方式
弹压卸料板具有卸料和压料的双重作用，主要用于料厚小于或等于2mm的板料由于有压料作用，冲件比较平整。卸料板与凸模之间的单边间隙选择（0.1—0.2）t,若弹压卸料板还要起对凸模导向作用时，二者的配合间隙应小于冲裁间隙。常用作落料模、冲孔模。工件平直度较高，料厚为2mm相对较薄，卸料力不大，由于弹压卸料模具比刚性卸料模具方便，操作者可以看见条料在模具中的送进动态，且弹性卸料板对工件施加的是柔性力，不会损伤工件表面，故可采用弹性卸料。
5.3.2出件方式
因采用倒装复合模生产，故采用下出件为佳。
5.4确定送料方式
因选用的冲压设备为开式压力机，采用纵向送料方式，即由前向后送料。
5.5确定导向方式
方案一：采用对角导柱模架。由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上，所以上模座在导柱上滑动平稳。常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。
方案二：采用后侧导柱模架。由于前面和左、右不受限制，送料和操作比较方便。因为导柱安装在后侧，工作时，偏心距会造成导套导柱单边磨损，严重影响模具使用寿命，且不能使用浮动模柄。
方案三：四导柱模架。具有导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。常用于冲压件尺寸较大或精度要求较高的冲压零件，以及大量生产用的自动冲压模架。
方案四：中间导柱模架。导柱安装在模具的对称线上，导向平稳、准确。单只能一个方向送料。
根据以上方案比较并结合模具结构形式和送料方式，为提高模具寿命和工件质量，采用后侧导柱的导向方式，即方案一最佳。
六 模具刃口尺寸计算
6.4工作零件刃口尺寸计算
6.4.1落料凹、凸模刃口尺寸计算
该制件外形为一正方形，相对简单，适合采用分别加工制作。分别加工发的特点是需较核是否满足[δd＋δp]≤Zmax—Zmin的条件。
落料凹模刃口磨损后，刃口尺寸只有一种变化，全部变大。其刃口尺寸一般按式5-7计算。
AA=（Amax-x△）0+δd （式5-7）
落料凸模刃口磨损后，刃口尺寸只有一种变化，全部变小。其刃口尺寸一般按式5-8计算。
BA=（Bmin+x△）δp0 （式5-8）
式中 Amax—垂直于送料方向的凹模刃口间的最大距离；
Bmin—垂直于送料方向的凸模刃口间的最小距离；
x —凸凹模磨损系数；
△—刃口制造公差；
1） 凸凹模刃口尺寸计算
基本尺寸30-0.1+0.1，R5按IT13级将其转化为R50-0.22。查表5-4得
x1=1；X2=0.5　
　δp１＝-0.017 ； δd１＝0.025　；　δp2＝-0.012　；　δd２＝0.017 ；
校核：1----│δp１│＋│δd１│=0.042mm＜2x（Zmax－Zmin）；
2----│δp２│＋│δd２│=0.029mm＜2x（Zmax－Zmin）；
均满足│δp│＋│δd│≤2x（Zmax－Zmin）n的条件。
1----- 30-0.1+0.1
Dd１=（30.1－0.2×1）0δd１=29.90+0.025(mm)
D p１ =（30.1－0.2×1-0.246x2）δp１0 =29.408-0.0170(mm)
将Dd１、D p１转化为整数尺寸：
Dd1=29.9-0.020 Dd2=29.410-0.02
2------R50-0.22
Dd１=（5－0.5×0.22）0δd１=4.890+0.017(mm)
D p１ =（5－0.5×0.22－0.246x2）δp１0=4.398-0.0120(mm)
将Dd2、D p2转化为整数尺寸：
Dd2=4.89+0.0200 D p１=4.400-0.01
2） 冲孔凸凹模刃口尺寸计算
制件精度不高，为IT13级，孔径的基本尺寸为Φ400-0.039确定刃口间隙时主要考虑模具寿命，故应该取较大间隙。查表得：
Zmax=0.360mm Zmin=0.246mm δp＝-0.014 ； δd＝0.02　；
所以Z= Zmin=0.246mm
校核：1----│δp│＋│δd│=0.034mm＜2x（Zmax－Zmin）；
冲孔凸模刃口尺寸 dP=（Bmin+x△）δp0
则dP =(9.961+05x0.039) -0.0140＝9.98-0.0140
冲孔凹模刃口尺寸 dd=（Bmin+x△＋Zminｘ2）０δd
　　　　　　　则dd＝（9.961+05x0.039+0.236x2）=10.4700.02
将其转换为整数尺寸：dP＝9.98-0.0140 dd＝10.4700.02

表5-4 系数X

料厚t(mm)
非圆形
圆形
1
0.75
0.5
0.75
0.5
工件公差△/mm
1
1~2
2~4
＞4
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
0.17~0.35
0.21~0.41
0.25~0.49
0.31~0.59
≥0.36
≥0.42
≥0.50
≥0.60
＜0.16
＜0.20
＜0.24
＜0.30
≥0.16
≥0.20
≥0.24
≥0.30

表5-5 规则形状冲裁时凸、凹模制造偏差（mm)
基本尺寸
凸模偏差dT
凹模偏差dA
≤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
＞180～260
0.030
0.045
＞260～360
0.035
0.050
＞360～500
0.040
0.060
＞500
0.050
0.070

七、模具主要零部件的设计与选用
7.1落料凹模
1）确定凹模外形尺寸
落料凹模采用整体凹模，采用线切割机床加工，安排凹模在模架上的位置时，要依据计算压力中心的数据，将压力中心与模柄中心重合。其外形尺寸按相关公式计算：
凹模厚度H=KL=0.38×30=11.4(mm)
取凹模厚度H=15mm
凹模壁厚 c=(1.5～2)H=(22.5～30)mm
取凹模壁厚c=25mm
凹模宽度B=L＋2c=30＋25×2=80(mm)
取凹模宽度B=80mm
凹模长度L=L＋2S2=30＋2×25=80(mm)
取凹模长度L=80mm
凹模整体轮廓尺寸L×B×H=80mm×80mm×15mm
2）选择典型组合
凸模外形尺寸为80mm×80mm×15mm，故选典型组合为：80x80x180~220(GB2873.2-81)
7.2凹模具体设计
1）型孔位置。从排样图上被冲切的位置获得；
2）型孔尺寸。由刃口尺寸计算获得；
3）刃口形式。采用直筒式，反面扩孔，直壁高度查表1-26取10mm；
4）销孔。各螺孔、销孔的大小、数量、位置均可以从典型标准组合GB2873.2中查得；
5）材料及技术要求。材料选用CrWMn，热处理60~64HRC，表面粗糙度如下图所示；
6）凹模零件图。由设计结果绘成凹模零件图，如下图。

7.3冲孔凸模设计
1）凸模校核。凸模截面尺寸较大，可不进行强度、刚度校核；
2）凸模的结构形式。圆形界面的凸模采用阶梯式，查标准GB2873.2，采用固定板压入式固定；
3）凸模工作部分尺寸。由刃口尺寸计算获得；
4）凸模长度的计算。查标准GB2873.2，得凸模固定板=20mm，空心垫板=12mm，凸模厚度计算得=25mm，则L=++=12+4+31=47mm。
5）材料及技术要求。材料选用T10A，热处理硬度58~62HRC；
6）凸模零件图。由设计结果绘成凹模零件图，如下图。

7.4凸凹模的设计
1）凸凹模的壁厚。凸凹模壁厚最小值（75-40）/2=17.5mm,满足倒装式复合模的最小壁厚要求；
2）凸凹模的结构形式。采用直通式，形状从排样图上被冲切的位置获得。固定方法：采用螺钉、固定板固定法；
3）凸凹模工作部分尺寸。由刃口尺寸计算获得；
4）凸凹模长度的计算。参考标准典型组合GB2873.2得固定板配合段=20mm，卸料板=14mm，弹性体元件安装高度t=20mm，卸料板高出凸凹模1mm,得凸凹模长度：
L=++t－1=53mm
5）材料及技术要求。材料选用Cr12,热处理硬度58~62HRC，各表面粗糙度如下；
6）凸凹模零件图。由设计结果绘成凹凹模零件图，如下图。

7.5卸料部件的设计
1）卸料板的设计
卸料板采用45钢制造，淬火硬度40～45HRC，卸料板轮廓尺寸与落料凹模轮廓尺寸相同，厚度为15mm。
2）卸料螺钉的选用
卸料板上设置4个卸料螺钉，公称直径为12mm,螺纹部分为M12×55mm,卸料螺钉尾部应留有足够的行程空间，以保证卸料的正常运动。卸料螺钉拧紧后，应使卸料螺板超出凹模端面1mm,有误差时通过在螺钉与卸料板之间安装垫片来调整。
7.6模架及其他零部件的选用
以凹模轮廓尺寸为依据，选择模架规格。选一大一小两组导套、导柱。
导柱 d/mm×L/mm为Φ32mm×2000mm；
导套 d/mm×L/mm×D/mm 为Φ32mm×110mm×45mm；
上模座厚度H1取40mm,垫板厚度取10mm,固定板厚度取20mm,卸料板厚度取14mm,凹模厚25mm，下模坐厚度取45mm。
模具闭合高度H
H＝40＋10＋20＋14＋25＋45－2＝152(mm)
八、校核模具闭合高度及压力机有关参数
8.1校核模具闭合高度
模具闭合高度H应该满足
Hmin－H1＋10≤H≤Hmax－H1－5（公式8-1）
式中Hmax—压力机最大闭合高度；
Hmin—压力机最小闭合高度；
H1—垫板厚度。
根据拟选压力机J23—25，查开式压力机参数表（见附录2）得：
Hmax=320mm, Hmin=180mm,H1=50mm
将以上数据带入公式7-1，得
140＜H＜265
经计算该模具闭合高度H=207mm，在140mm—265mm内，开式压力机J23—25，满足要求。
8.2冲压设备的选定
通过校核，选择开式双柱可倾式压力机J23—63能满足使用要求。其主要技术参数如下：
公称压力： KN；
滑块行程： mm；
最大闭合高度： mm；
最大装模高度： mm；
工作台尺寸（前后×左右）： mm× mm ；
垫板尺寸（厚度×直径）： mm× mm；
模柄孔尺寸： mm× mm；
最大倾斜角度： ；

参考文献
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[5]程俊伟、冯宪章、刘长红主编.模具设计指导书
[6]庞学慧，互换性与测量技术基础 ，北京：电子工业出版社。2009.7
18