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汽车零件冲压模设计

【摘 要】
本课题关键讲了汽车零件冲压模设计。设计内容从零件工艺性分析进行。首先，确定该模具类型是冲孔、落料复合模外加单工序弯曲模；其次，进行工艺计算，计算出冲压力、卸料力、推件力并确定模具压力中心、选择压力机和校核冲模闭合高度；然后，依据计算结果确定该模具凸、凹模尺寸及其形状。最终再设计出挡料销、卸料板、推件装置、卸料弹簧、导柱、导套和模柄等模具关键零部件，从而完成整套模具设计工作。
【关键词】 : 汽车零件；冲孔；落料；复合模；弯曲模

目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 模具发展和现实状况 1
第二章 工艺分析及排样 2
2.1 原始数据 2
2.2 工艺分析 2
2.3冲裁工艺方案确实定 2
2.4模具结构形式确实定 2
2.5工艺尺寸计算 3
2.5.1排样设计 3
2.5.2冲裁力和校正弯曲力计算 3
2.5.3压力机公称压力初步确定 4
第三章 模具总体结构设计 5
3.1模具类型选择 5
3.2定位位方法选择 5
3.3 出料装置 5
3.4 模具结构特点 5
3.5 模具工作过程 6
第四章 模具零件设计和计算 7
4.1凸模凹模刃口尺寸计算 7
4.1.1加工方法确实定 7
4.1.2尺寸计算 7
4.2凸凹模设计 8
4.2.1凸模结构形式及固定 8
4.2.2 凸模长度确实定 9
4.2.3 凹模结构形式设计 9
4.2.4 凹模结构尺寸确实定 9
4.3 模板设计 10
4.4模架设计及其它零部件 10
第五章 压力中心计算 12
5.1 计算步骤 12
5.2 压力中心计算 12
结 论 14
致 谢 15
参考文件 16

第一章 绪论
1.1 课题研究背景
模具技术包含多学科，模具作为一个高附加值和技术密集型产品，其技术水平已成为衡量一个国家制造业水平关键标志之一。世界上很多国家，尤其发达国家全部很重视模具技术发展，大力发展模具产业，主动采取优异生产技术和设备，提升模具制造水平，取得了显著经济效益。美国是世界超级经济大国，在模具行业世界领先，早在20世纪80年代在20世纪60年代末，美国模具行业有超出家企业，从业人员超出17万人，总模具输出值达成64.47亿美元。日本模具业开始于1957年，总产值只有106亿日元，到1998年超出48800亿日元，在40年间增加460倍，这是日本经济快速发展和占领国际市场关键原因之一。到了近代，伴随世界经济发展，模具行业是不可缺乏。
1.2 模具发展和现实状况
从中国汽车模具产业近几年发展来看，部分业内人士认为在自己生产能力发展同时，更要加强企业之间联合。中国汽车模具行业形成战略联盟，在市场上达成了共识，并已经开始多种形式合作。
另一个显着汽车模具产业在中国发展特点是高新技术，快速提升技术水平，自主创新能力增强普及应用。现在，CAD/CAE/CAM技术已广泛应用于中国汽车模具行业，大多数企业2D或3D模具设计能够适适用于CAD设计软件，并实现了数控加工模具。
第二章 工艺分析及排样
2.1 原始数据

注：弯曲内半径为2mm
图2.1 制件尺寸

制件

2.2 工艺分析
此零件有落料、冲孔和弯曲三道工序，材料为Q195、厚度t=1.5mm，含有良好冲压性能，适合冲裁，工件结构比较简单，落料长为180mm、宽为60mm，两个直径为20冲孔结构，和一个中间弯曲工序如上图。工件尺寸落料按IT11级，冲孔按IT10级，弯曲无特殊精度要求。尺寸精度通常，一般冲裁完全能满足要求。
2.3冲裁工艺方案确实定
①方案种类 该工件包含落料，冲孔和折弯三个基础工序，有三种方案。
方案一：先落料，再冲孔，最终弯曲，采取单工序模生产。
方案二：采取落料-冲孔-弯曲同时进行级进模生产。
方案三：采取落料-冲孔复合模和单工序弯曲模，两套模具生产。
②方案比较 各方案特点及比较以下
方案一：模具结构简单，制造方便，但需要三套模具，成本相对较高，同时生产效率也较低，故不选此方案。
方案二：级进模是一个多工位，效率较高加工方法。但级进模轮廓尺寸较大，结构复杂，成本较高，而且该方案中弯曲工序，初步分析难以确保，所以也被排除。
方案三：依据此零件结构特点，采取两套模具，能够同时发挥复合模和单工序模优点，也使得模具制造简单，加工方便。故采取此方案。
2.4模具结构形式确实定
复合模有正装式复合模和倒装式复合模两种形式。考虑到该工件成型后脱模方便性，故采取倒装式复合模。弯曲工序采取简单弯曲模，该模具特点是结构简单，在压力机上安装及调整方便，对材料厚度公差要求不高，制件在弯曲终了时可得到一定程度校正，所以回弹小。另外，制件回弹能够经过修模来消除。
2.5工艺尺寸计算
2.5.1排样设计
(1)排样方法 依据所确定模具结构特点，不可能做到无废料排样，所以采取少废料样排方法。计算确定，复合模采取直排有废料排样 ，弯曲模无需排样。图2.2所表示

图2.2 初步排样
(2)确定搭边值 查表2-15[1]，并取最好搭边值a=3.0mm。
(3)确定条料步距 步距180+3=183mm,宽度B为66mm.
(4)材料利用率η=×100％=94.8％
(5)画出排样图 图2.3所表示。

图2.3 排样图
2.5.2冲裁力和校正弯曲力计算
(1) 冲裁力F1
查表9-1[1]取材料Q195抗拉强度=500MPa
F1=L1σt
L为冲裁周长
已知 L=60 + 150×2 + ∏R=60+300+∏×30=454.2
所以 F1=454.2×1.5×330=225KN
(2)推件力 Fe=nkeF, Fe=49.5kN
n为同时卡在凹模洞口件数。
Ke为推件力系数，其数值见参考文件[2]表3-13。
(3)卸料力 FS=KSF, FS=9kN
Ks为卸料力系数，其值见参考文件[2]表3-13
(4)顶件力 FK=KKF, FK=13.5kN
Kk为顶件力系数，其值见参考文件[2]表3-13
(5)校正弯曲力
F=qA
5-3[1]知 q=35MPa.A按水平投影面积计算。
A=60ⅹ150+∏ⅹ302ⅹ0.5=10413
F=35ⅹ10413=364.5KN
2.5.3压力机公称压力初步确定
a. 对于复合模
Fz=F+Fe
=225+49.5=274.5KN
依据以上计算结果，冲裁设备拟选JC23-35。
b.对于弯曲模。由校正弯曲力，选JG23-80.

第三章 模具总体结构设计
3.1模具类型选择
由冲压工艺分析可知，采取落料冲压复合模和弯曲单工序模，即两套模具。
3.2定位位方法选择
a.对于复合模，因为该模具采取是条料，控制条料送进方向采取导料销，控制条料送进步距采取弹簧弹顶活动挡料销方法。b.对于弯曲模，毛坯放置在凹模凹槽中，横向由左右两侧槽定位，前后方向由挡料销定位。
3.3 出料装置
a.对于复合模，上模采取刚性推件装置，它是在冲压结束后上模回程时，利用压力机滑块上横梁，撞击上模内打杆，装在模柄孔内打杆在横梁阻挡下下落，并经过打料板，打料杆，推下推件器将质件从凹模中推出。下模采取弹性推件装置，即在卸料螺钉作用下，经过卸料板进行卸料。
b.弯曲模经过下模中一带有弹簧顶杆卸料，顶杆在弯曲时起压料作用，可预防侧移，成型后又起出料作用。
3.4 模具结构特点
冲压落料复合模和弯曲模，图3.1和图3.2所表示。
冲孔落料复合模 图3.1

V形件弯曲模 图3.2
3.5 模具工作过程 
第一步：将裁剪好宽度为66mm条料放在复合模下模上，并挡料销定位。上模上行，条料靠手动向前送一步，上模下行，落料凹模，冲孔凸模、凸凹模完成落料冲孔工序；
第二步：将第一步完成质件，放在弯曲凹模中，横向由左右两侧槽壁定位，前后方向由挡料销定位，上模下行，弯曲凸、凹模完成弯曲工序；

第四章 模具零件设计和计算
4.1凸模凹模刃口尺寸计算
4.1.1加工方法确实定
模具刃口尺寸计算方法分为两种。
a.对于冲压落料模
① 凸模和凹模分开加工
在这种情况下，需要分别计算和标注凸模和凹模尺寸和公差。落料时，间隙取在凸模上；冲孔时，间隙取在凹模上。凸模和凹模分开加工优点是凸模和凹模含有交换性，能够批量生产。不过为了确保合理间隙，要求加工凸模和凹模机床精度高，加工难度大，所以凸模和凹模分开加工方法仅适适用于形状简单冲裁模。
② 凸模和凹模配合加工
所谓配合加工就是在凸模和凹模中先选定一件为基准件，制造好后用它实际刃口尺寸来配做另一件，使它们之间达成最小合理间隙值。落料时，先做凹模，以它为基准件配做凸模，确保最小合理间隙值；冲孔时，先做凸模，以它为基准件配做凹模，确保最小合理间隙值。
总而言之，选择凸模和凹模分开加工方法，因为制件零件简单，形状规则 ，且大批量生产，要求凸模和凹模有一定交换性。
b.对于弯曲模。
所选模具为V形件弯曲模，该模具结构简单，选择凸模和凹模分别加工方法就能满足要求。

图4.1 制件

4.1.2尺寸计算
a.复合模尺寸计算，见表4.1.2-1：
表4.1.2-1：
基础尺寸及分类
冲裁间隙
磨损系数
计算公式
制造公差
计算结果

落料凹模
D10-△
=1500-0。25

D20-△
=600-0。19
Zmin=0.15
Zmax=0.19
Zmax –Zmin
=0.19-0.15
=0.04㎜
制件精度为：IT11级,故x依次0.75、1.

=0.016
=0.024
δd+δp
=0.04mm≧Zmax –Zmin

Dd1=149.81+0.0240
Dp=149.660-0.016

Dd2=59.81+0.0240
Dp=59.660-0.016

对应凸模尺寸按凹模尺寸配作，确保双面间隙在0.15～0.19之间
冲孔凸模
d10-△
=20+0.0840
同上
等级为IT10，x为0.75

=0.016
=0.024

dp=20.060-0.016
对应凹模尺寸按凸模刃口尺寸配作，确保双面间隙在0.15～0.19之间
Dd1=20.21
b.弯曲模尺寸计算.
弯曲件相对简单，无需尤其尺寸计算
4.2凸凹模设计
4.2.1凸模结构形式及固定
a.对于复合模。
本设计中采取用圆形和方形两种形式凸模，材料选择65Mn钢，淬火硬度HRC56-60 必需时表面可进行渗氮处理。圆凸模可采取高精度外圆磨床加工，异形凸模能够采取慢走丝线切割加工或成形磨削加工（成形磨削是模具零件成形表面精加工一个方法，能够取得高尺寸精度、高表面加工质量[7]）。
凸模固定方法图4.2所表示：凸模以过渡配合（K6）固紧在凸模固定板上，顶端形成台肩，方便固定，并确保在工作时不被拉出，安全可靠。
b.对于弯曲模。
其结构简单，用销钉把凸模固定在模柄上。图4.3所表示。

图4.3弯曲凸模
图4.2 凸模

4.2.2 凸模长度确实定
a．复合模
凸模工作部分长度应依据模具结构来确定。通常不宜过长，不然往往因纵向弯曲而使凸模工作时失稳。致使模具间隙出现不均匀，从而使冲件质量及精度有所下降，严重时甚至会使凸模折断。
依据模具设计结构形式，
（1）冲孔凸模长度为
L=凹模+凸模固定板+t
由此得L=66.5mm
（2）凸凹模
当采取倒装复合模时，凸凹模尺寸计算以下：
HtA=h1+h2+t+h=25+33.5+1.5+2=62mm
式中，h1为卸料板厚度，取25mm.h2为凸凹模固定板厚度，取33.5mm.t为材料厚度，1.5mm.h为闭模时凸凹模深入凹模深度，取2mm.
b.弯曲模
凸模圆角半径rp。取rp=r=2mm>rmin=0.15，满足要求。
4.2.3 凹模结构形式设计
凹模是采取整体加工，凸凹模之间间隙值为一个料厚，凹模材料和凸模相同，选择65Mn钢，淬火硬度HRC58-62。
4.2.4 凹模结构尺寸确实定
a.复合模凹模
凹模设计应考虑事项是相关凹模强度、制造方法及其加工精度等。尤其是凹模孔尺寸，在实用上是和制件尺寸一起来考虑。它关系到制件质量好坏，所以对其加工表面质量亦必需给予充足考虑。
凹模厚度和外形尺寸，对于其承受冲裁力，必需含有不引发破损和变形足够强度。冲裁时，凹模承受冲裁力和水平方向作用，因为凹模结构形式不一，受力状态又比较复杂，尤其是对于复杂形状冲件，其凹模强度计算就相当复杂。所以，在现在通常生产实际情况下，通常全部是依据冲裁件轮廓尺寸和板料厚度、冲裁力大小等来进行概略估算及经验修正[9]。结构尺寸计算以下：
凹模壁厚 凹模采取整体式，轮廓全部采取数控线切割机床即可一次完成，其轮廓尺寸可按参考资料[2]第二章公式（2-24）和（2-25）计算：
故有了凹模外形尺寸LⅹBⅹC=315ⅹ200ⅹ60.（其中L为宽度，B长度，为C为壁厚）
b.弯曲模凹模
(1)凹模圆角半径rd.工件在压弯过程，凸模将工件压入凹模而成形，凹模口部圆角半径rd对于制件质量有显著影响。如过小，弯曲板料表面出现划痕；如凹模两边圆角半径不一致，则毛坯会产生偏移。凹模圆角半径rd大小和弯曲高度和材料厚度等相关，可查表4-15[1]。
V形凹模底部可开退刀槽或圆角半径rd’, rd’=(0.6～0.8)(rp+t)=2.1～2.8,取rd’=2.8mm.
(2)凹模深度L.凹模深度尺寸要适中，若过小，毛坯两边自由部分太多，弯曲件弹复大又不平直，弯曲件质量下降；若过大，凹模增大，则模具耗材也增多，且压力机需要有较大工作行程。可查表4-15[1]。
L=30mm, rd=10mm.
4.3 模板设计
(a)复合模模板包含：凸模固定板、凸凹模固定板、垫板、卸料板。卸料板作用、包含压料、卸料、同时还含有一定导向作用；
凸模固定板 LⅹBⅹh=315ⅹ200ⅹ30；
上垫板   LⅹBⅹh=315ⅹ200ⅹ10；
凸凹模固定板   LⅹBⅹh=315ⅹ200ⅹ33.5；
卸料板 LⅹBⅹh=315ⅹ200ⅹ25；
（b）弯曲模模板 下模板依据凹模尺寸，考虑强度要求，尺寸以下：
  LⅹBⅹh=420ⅹ300ⅹ40
4.4模架设计及其它零部件
a.复合模
模架采取后侧导柱模架，以凹模周界尺寸为依据，查第九章[7]表9-45选择模架规格以下。
上模座尺寸 GB/T2855.5 LⅹBⅹh=315ⅹ200ⅹ50
下模座尺寸 GB/T2855.5 LⅹBⅹh=315ⅹ200ⅹ65
导柱尺寸 （GB/T2855.5） 35ⅹ230
导套： （GB/T2855.5） 35ⅹ125ⅹ48
上模板H上取50mm，下模板H下取65mm,上垫板H垫取10mm，则该模具闭合高度H闭为
H闭=H上+ H上+ H垫+ H+L-h=50+65+10+62+66.5-3.5=250mm.
式中
L为凸模高度，66.5mm
H为凸凹模高度，62mm；
h为凸模冲裁后进入凹模深度，3.5mm。
可见该模具闭合高度小于所选压力机J23-16最大装模高度280mm，所以结合225KN冲裁力计算，该压力机符合使用要求。其技术规格以下：[1]
公称压力 350KN;
滑块行程 80mm;
最大闭合高度 280mm;
滑块中心线至床身距离205mm;
封闭高度调整量 60mm;
工作台尺寸（前后mm左右mm）380ⅹ610;
垫板尺寸（厚度mm）60；
模柄孔尺寸（直径mm深度mm）50 ⅹ70；

第五章 压力中心计算
5.1 计算步骤
多凸模和连续模压力中心计算，可先将复杂制件形状分成简单 直线段及圆弧段，分别计算其冲裁力即为分力，由歌分力之和求出协力。然后任意选定直角坐标轴xy，并算出各简单图形、线段压力中心到x和y轴距离。最终依据“协力对某轴之力矩等于各分力对相同轴力矩之和”力学原理，即可求出压力中心坐标。此制件冲裁力关键包含起伏冲裁力和落料冲裁力。
（1）建立平面直角坐标系XOY
（2）计算出各单一图形压力中心到坐标轴距离x1、x2、x3、…xn和y1、 y2、 y3、… yn ；直线段时，其压力中心在个直线段中心；圆弧线段时，其压力中心位置见图5-1，按下式计算。
y= =

图5.1

（3）将计算数据分别代入下面式，即可求得压力中心坐标（x0, y0）。 
X0=
  y0=
其中F1、F2、F3、…、Fn是各线段冲裁力，各线段压力中心至坐标轴距离分别为x1、x2、x3、…、xn和y1、y2、y3、…、yn。
5.2 压力中心计算
（1）依据排样图设计及各工位在模具上相对位置，建立直角坐标系，各线段中心坐标依据相关公式进行计算。图5.2所表示：
图5.2

（2）冲压件压力中心计算
冲裁压力中心计算数据见下表5.3

各段

基础要素长度L/mm
各基础要素压力中心坐标值
X
y

冲裁力F/N

备注
A
B
C
D
E
F
150
94.2
150
60
62.8
62.8
75
169
75
0
45
150
0
30
60
30
30
30
74250
46629
74250
29700
31086
31086
冲裁力计算公式F=Ltσb
σb为材料抗拉强度，查表得σb=330MPa
t为材料厚度，t=1.5.
代入公式，计算得：X0=87.4 Y0=30

结 论
经过了多个月努力，在陆老师和同学和同事热心帮助下，我毕业设计立即结束，基础完成了老师部署各项任务。
本论文关键叙述了汽车冲压模机构组成和相关工作原理。
在还没做毕业设计之前，我认为这只是对大学三年学习一个总结而已。但当真开始做毕业设计时，才发觉这是一个理论和实践相结合过程。在此过程中我意识到自己知识还是有一定缺乏，只有在生活和工作中不停学习、积累，才能使自己变得更充实。
经过这次毕业设计，我学到了很多东西，学会了怎样查阅资料和利用工具书，我愈加深刻地认识到只有将理论和实践相结合，才会有真正收获，才能巩固自已所学。