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Y210—2型电动机定子铁芯冲压模具设计

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Y210—2型电动机定子铁芯冲压模具设计

一、 产品零件的工艺分析

零件简图

该电动机定子铁芯的材料为电工硅钢片D21，钢板厚度0.50mm，具有良好的冲裁性能。零件形状简单，对称,是由圆弧和直线组成。
对于冲小孔Φ5，冲复杂圆孔Φ80，按照冲压手册一般冲孔模对该材料(钢〈400MPa)可以冲压的最小的孔径为d≧t=0。5mm，因而小孔符合工艺要求.最小孔边距为b=3.5mm≧t,因而符合孔边距工艺要求,以上分析均符合冲裁工艺要求。
由表 1、2 查出冲裁件内外所能达到的经济精度为IT11,孔中心与边缘距离尺寸公差为±0。6，对于孔心距公差为±0.1,将以上精度与零件简图中所标注的尺寸公差相比较，可认为该零件的精度要求能够在冲裁加工中得到保证,其他尺寸标准、生产批量等情况，也均符合冲裁的工艺要求,故决定采用冲孔落料复合冲裁模进行加工，且一次成形。

表1 冲裁件内外形所能达到的经济精度
基本尺寸/mm

材料厚度t/mm

≤3

3~6

6～10

10~18

18~500
≤1
IT12~IT13
IT11
1~2
IT14
IT12～IT13
IT11

表2 孔中心与边缘距离尺寸公差
材料厚度t
孔中心与边缘距离尺寸
≤50
50～120
120~220
220～360
≤2
±0。5
±0.6
±0.7
±0.8
2~4
±0.6
±0。7
±0。8
±1.0

二、模具类型的确定
常见的模具形式可分为单工序模、复合模和级进模三种。确定模具形式，应以冲裁工件的要求、生产批量、模具加工条件为主要依据。
冲压生产批量与合理模具形式见表3 ，单工序模、级进模和复合模的比较见表4

表3 冲压生产批量与合理模具形式
批量/（千件/每年）

项目

单件

小批

中批

大批

大量
大件
中件
小件
<1
<1
<1
1~2
1～5
1~10
2～20
5~50
10~100
20~300
50~1000
100~5000
〉300
〉1000
>5000
模具形式
简易模
单工序模
单工序模
简易模
级进模、复合模
单工序模
级进模、复合模

级进模、复合模

设备形式

通用压机

通用压机
高速压机
自动和半自动
通用压机
机械化高速压机
自动机

专用压机与自动机

表 4 单工序模、级进模和复合模的比较
比较项目
单工序模
级进模
复合模
工件尺寸精度
较低
一般,IT11级以下
较高,IT9级以下
工件形位公差
工件不平整,同轴度、对称度及位置度误差大
不太平整，有时要较平，同轴度、位置度误差较大
工件平整，同轴度、对称度及位置误差大
冲压生产率
低，冲床一次行程内只能完成一个工序
高,冲床在一次行程内能完成多个工序
较高,冲床在一次行程内可完成两个以上工序
实现操作机械化、自动化的可能性
较易,尤其适合多工位冲床上实现自动化
容易，尤其适应于单机上实现自动化
难，工件与废料排除较复杂,只能在单机上实现部分机械化操作
对材料的要求
对条料宽度要求不严，可用边角料
对条料或带料宽度要求严格
对条料宽度要求不严,可用边角料
生产安全行
安全性较差
比较安全
安全性较差
模具制造的难易程度
较易,结构简单,制造周期短，价格低
形状简单件,比用复合模制造难度低
形状复杂件,比用级进模的制造难度低
应用
通用性好,适合中、小批量生产和大型件的大量生产
通用性较差,适合于形状简单，尺寸不大，精度要求不高件的大批量生产
通用性较差，适于形状复杂、尺寸不大、精度要求较高件的大批量生产

通过以上关系比较，此工件是大批量生产，故采用冲孔落料复合冲裁模进行加工，且一次冲压成行.
所谓复合模具结构，就是在冲床的一次行程内,完成两道以上的冲压工序。在完成这些工序过程中，冲件材料无需进给移动。复合模具结构的优点（1)制件精度高。由于是在冲床的一次行程内，完成数道冲压工序。因而不存在累积定位误差。使冲出的制件内外形相对位置及各件的尺寸一致性非常好，制件平直。适宜冲制薄料和脆性或软质材料.（2）生产效率高.（3）模具结构紧凑，面积较小。
复合模具结构的选用原则：只有当制件精度要求高，生产批量大，表面要求平整时，才选用复合模具结构.

三、冲裁间隙的选用
在冲裁模的设计中,凸凹模间隙的合理选取，是保证模具正常工作、提高冲片质量、延长模具寿命的一个关键因素。理想的间隙应该是板料冲裁断裂时,凸凹模刃口边所产生的裂纹在一条直线上,否则冲片边缘将出现不允许的毛刺，使得刃口粘结严重，磨损加快，进而影响模具的寿命.所以,如何选取合理的凸凹模间隙，是模具设计时不容忽视的问题。
为0. 5mm 的硅钢片， 手册表5推荐的间隙为0 . 0 6 ~0. 08mm（见表 ） ，约为材料厚度的8 ％～14 ％。按照这个间隙，冲出的定、转子片毛刺虽能控制在规定范
围内。但由于间隙偏小,使得凸模与被冲的孔之间、凹模与落料之间的摩擦严重，造成凸模和凹模侧壁产生粘结,卸料力增大,影响冲片断面的质量,刃口容易变钝,冲片易出毛刺,且毛刺增长过快，甚至发生凹模胀裂现象,致使模具寿命下降。且取小间隙时,由于弹性回跳作用，落料件尺寸大于凹模，冲出的孔径小于凸模，从而造成冲片的尺寸精度出现误差。

表5 落料、冲孔模刃口始用间隙
厚度t
硅钢片
0。1
0.2
0。3
0。5
0.8
1.0
Zmin
0。01
0.015
0。03
0.06
0.10
0.13
Zmax
0.03
0.035
0.05
0。08
0。13
0。16

为提高冲片质量，延长模具寿命,根据国内外资料信息，在实践中对模具间隙做了试验摸索,证明放大间隙是非常有效的。
经过多次对0. 5mm 厚硅钢片冲裁的试验，发现间隙值在材料厚度的20 %左右范围内，即间隙值为0. 09～0. 11mm 最为合适。
采用这个间隙,可以获得如下效果：（1） 提高了冲片质量。刃口锋利时毛刺小,冲裁过程中毛刺增长缓慢.（2) 冲片表面平整度大大改善，特别是相邻孔之间.（3） 凸凹模侧壁无粘结,减小了卸料力。(4） 延长了模具寿命。刃磨一次可以保证较的冲次,从而减少刃磨次数,提高了生产效率。实践证明，合理地放大间隙,可使冲裁质量得到有效的保证，且模具寿命能提高2～3 倍。

四、排样 见下图 为直排有废料排样方式
由表 6 查得最小搭边值a=1.5 a=1。5
表6 冲裁金属材料的搭边值

料厚
手送料
圆形
非圆形
a
a
a
a
～1
1.5
1.5
2
1.5

排样图
毛胚面积 A=
条料宽度 b=150+1.5×2=153
进距 h=150+1。5=151。5
材料利用率

五、计算冲压力：采用弹性卸料和上出料方式 硅钢片D21的=190MPa
落料力 F=Lt=（471×0。5×230）N=54.165×N
冲孔力 F= Lt=（441×0.5×230+15.7×9×0。5×230）N=66.965×N
卸料力 F=KF=0.05×54。165×=27。0825×N
查表7 取K=0.05
推件力 F=nKF=10×0。065×66。965×=32.964×N
查表7 取K=0.065

表7 卸料力、推件力和顶出力因数
料厚/mm
K
K
K
钢
≤0.1
0。06～0.09
0。1
0。14
>0。1～0。5
0。04～0。07
0.065
0.08

选择冲床时的总冲压力为 F= F+ F +F+ F=140。553×N

六、确定模具压力中心
因为该零件是中心对称图形，所以其压力中心位于轮廓图形的几何中心O点，如图所示

压力中心

七、计算凸、凹模的刃口尺寸
根据冲裁间隙分析 Zmin=0.09mm Zmax=0.11mm，对零件图中未注公差的尺寸,由公差手册查出其极限偏差为、
对于外轮廓Φ150，查表 8 的凸、凹模的制造公差δ=0.030 δ=0。040

表8 规则形状（圆形、方形件）冲裁时凸模，凹模的制造公差
基本尺寸
凸模公差δ
凹模公差δ
≤18
0.020
0.020
〉150～200
0.030
0.040

由于Zmax-Zmin=0.02mm ≤δ+δ不满足条件，不可采用分开加工凸模和凹模,故采用凸模和凹模配合加工方法，以凹模为基准件.
查表 9 的因数X=0。75
表9 因数X
材料厚度
t/mm
非圆形x值
圆形x值
1
0.75
0。5
0。75
0.5
工件公差Δ/mm
1
〈0。16
0.17~0。35
≥0。36
<0.16
≥0。16

落料凹模刃口尺寸计算如下:
Φ150 ： Bj=（Bmin+xΔ）
150=(150+0.75×0.1）=150。075 mm

冲孔凸模刃口尺寸计算如下:
Φ5 ：d=(d+xΔ)=（5+0.5×0。24)=5.12 mm
d按凸模尺寸配制其双面间隙为0.09～0。11mm
对于冲孔Φ80，零件形状比较复杂,且为薄材料为了保证凸、凹模之间的间隙值，必须采用凸模和凹模配合加工方法，以凸模为基准件
根据凸模磨损后的尺寸变化情况将零件图中各尺寸进行分类
A类：、R4
B类： 、
C类： 、、
冲孔凸模刃口尺寸计算如下：
Aj=(Amax—xΔ)
5=（5—0。75×0。1)=4。925mm
4=（4—0.5×0。2）=3.9mm
Bj=（Bmin+xΔ)
110=（110+0。5×0.87)=110.435mm
Cj=（Cmin+xΔ)±
2=（2+0.75×0。1）±=2。075±0。0125mm
5=（5+0。5×0.2)±=5。1±0。025mm
=（+0。5×)= mm
凸模的刃口尺寸按凹模实际尺寸配制并保证双面间隙0.09——0。11mm

八、冲裁的部件及零件设计
模具的零部件,有很大一部分已实现了标准化，这对于简化设计工作、稳定
模具质量、简化模具的制造维修等，都具有重大意义。在设计模具时，对于标准化的零部件，只需在标准化的资料中正确的选择，大量的设计工作是对非标准件的设计。

根据在模具中的功能和特点，可以分成两类：
⑴工艺零件：这类零件直接参与完成工艺过程并和毛坯直接发生作用.
⑵结构零件:这类零件不直接参与完成工艺过程，也不和毛坯直接发生作用。
冲模零件的详细分类见表10

表10 冲模零件分类
工艺零件
结构零件
工作零件
定位零件
卸料和压料零件
导向零件
支撑零件
紧固零件
其他零件
凸模
凹模
凸凹模
挡料销
始用挡料销
导正销
定位销、定位板
导料销、导料板
侧刃、侧刃挡块
承料板
卸料装置
压料装置
顶件装置
推件装置
废料装置
导柱
导套
导板
导筒
上、下模座
模柄
凸、凹模固定板
垫板
限位支撑装置
螺钉
销钉
键
弹性件
传动零件

1、工作零件
⑴凸模
凸模形式 冲孔:圆形凸模，设计成直柱形式 图样见下图

落料:异形凸模 图样见下图

注：按0。09—0。11mm间隙与落料凹模配制
⑵凹模
凹模的刃口形式，考虑到生产批量较大，所采用刃口强度较高，即柱形刃口筒形
凹模的外形尺寸 厚度H=Kb=0.15×150=22。5mm 查表11 k=0。15

表11 因数K的数值
b/mm 料厚t/mm
0。5
1
〈50
0。3
0。35
〉100～200
0.15
0.18
壁厚 C=1.5H=33.75mm 当t=0。5mm时 取h=3mm
尺寸：217.5×217。5×22.5 标注如下图

落料凹模

按以上计算的凹模外形尺寸，可以保证凹模有足够的强度和刚度，一般可不用进行强度校核。

⑶凸凹模
复合模的结构特点是一定有一个凸凹模.凸凹模的内、外缘均为刃口，为保证强度,内外缘之间壁厚应有一定厚度，取决于冲裁件尺寸。该凸凹模的最小壁厚为3.5mm。通过表12 校核，可知凸凹模壁厚有足够的强度。根据弹性卸料板厚度及模具结构可选取凸凹模的高度为80mm.

表12复合模最小壁厚
冲裁材料
材料厚度
≤0。5
0.6~0。8
≥1
硅钢，中碳钢
1.2～1。5
1。5～2.0
（2。0～2.5）t

其结构如下图

冲孔凹模、落料凹模、凸凹模的材料选用：根据冲裁零件电工硅钢片加工强度，变形抗力大，模具承受载荷增加，刃口部位磨损加快,且生产批量为105 件，则考虑选用合金含量高，耐磨性好的Cr12MoV材料。
Cr12MoV钢有高淬透性，可用来制造断面较大，形状复杂，经受较大冲击负载的各种模具，热处理硬度为HRC61～63。

2、定位零件
为了保证模具正常工作和冲出合格冲裁件，必须保证坯料或工序件对模具的工作刃口处于正确的相对位置,即必须定位。
条料在模具送料平面中必须有两个方向的限位：一是在与送料方向垂直的方向上限位，保证条料沿正确的方向送进，称为条料横向定位或送进导向;二是在送料方向上的限位，控制条料一次送进的距离（步距），称为条料纵向定位或送料定距.对于块料或工序件的定位，基本上也是在两个方向上的限位。

毛坯的定位
⑴条料横向定位装置
在复合冲裁模上，通常采用导料销进行导料。两个导料销的中心距尽可能取大一些,以便于送料。并有利于防止条料偏斜。
⑵条料纵向定位装置
在复合模中，纵向定位的主要作用是保证纵向搭边值.挡料销确保条料送进时有准确的送进距。活动挡料销常用于倒装复合模，装在卸料板上，由弹性元件支撑，可以伸缩的挡料销。设计中选取橡胶弹性挡料销。
国家标准结构如下图

3、卸料、出件零件
⑴卸料装置
卸料是指把冲件或废料从凸模中卸下来。可分为刚性和弹性卸料装置两种形式，视模具的结构选择。设计中为倒装复合模,易采用弹性卸料装置。弹性卸料装置卸料力较小，所得质量较好，平直度较高.弹性元件选用橡胶，其结构如下图

⑵推件装置
设计中模柄中心位置有冲孔凸模,采用简单的刚性推件装置,由打杆、推板、连接推杆和推件块组成。结构如下图

4、橡胶的选用
橡胶允许承受的负荷比弹簧大,且安装调整方便，价钱又不贵，是模具中广泛使用的弹性元件。冷冲模中所用橡胶一般为聚氨脂橡胶（PUR）。
橡胶的高度H与直径D应有适当的比例，一般应保持H=（0.5～1。5）D

5、模架及零件
⑴模架是由上模座、下模座、模柄及导向装置组成
对模架的基本要求:①应有足够的强度与刚度②应有足够的精度③上下模之间的导向应精确。
一般模架型号规格均已列入标准，设计时可选用
模架选用适用中等精度，中、小尺寸冲压件的后侧导柱模架从右向左送料，操作方便。
上模座:L/mm ×B/mm× H/mm=250×250×45
下模座：L/mm ×B/mm× H/mm=250×250×55
导柱： d/mm ×L/mm=35×180
导套： d/mm ×L/mm×D/mm=35×115×43
模架的闭合高度：190～230

⑵模柄
中小型模具都是通过模柄固定在压力机滑块上。设计中采用凸缘式模柄
形式见下图

模柄的长度不得大于冲床滑块里模柄孔的深度,模柄直径应与模柄孔一致。

⑶连接零件的选取
垫板厚度取：10mm 材料：45 硬度：43~48HRC
凸模固定板厚度取：12mm 材料：45
卸料板厚度取：15mm 材料：Q235
橡胶厚度取：40mm

6、模具的闭合高度
模具的闭合高度H模 是指模具在最低工作位置时，上、下模之间的距离。为使模具正常工作,模具闭合高度必须与冲床的闭合高度相适应。应介于冲床最大和最小闭合高度之间: H最大—5≥H模≥H最小+10
H模 =45+10+12+22.5+0.5+80+55—2=223

九、冲压设备的选择
为安全起见，防止设备的超载，参照冲压手册可选取公称压力为63KN的开式双柱可倾压力机J23～16
该压力机与模具设计的有关参数为:
公称压力： 160KN 滑块行程: 55mm
最大闭合高度： 220mm 最大装模高度： 180mm
连杆调节量： 45mm 工作台尺寸： 200×310
垫板尺寸: 30×140 模柄孔尺寸: 30×50
十、模具经济和技术上的分析
模具的经济性涉及到成本的高低供应是否充分，加工过程是否复杂、成品率的高低以及同一产品中使用金属或钢材型号的多少等.在我国当前情况下，考虑以铁代钢和以铸代锻还是符合经济性要求的，故选择一般弹钢和铸铁能满足要求的，就不要选用合金钢。对一些只要求表面性能高的零件，可选用廉价钢种，然后进行表面强化处理来达到。另外，在考虑材料经济性时，切记不宜单纯以单价来比较材料的好坏，而应以综合效益来评价材料的经济性高低。
模具的技术分析,包括模具的结构、形状以及尺寸等方面的分析。模具的结构、形状和尺寸设计计算完毕之后,要对模具的加工质量、使用条件提出基本要求，这些要求主要是：
（1）有适中而均匀的硬度，模具经淬火、回火处理后，其硬度值为HRC40-52（根据模具的尺寸而定,尺寸越大，要求的硬度越低）。
(2）有足够高的制造精度，模具的形位公差和尺寸公差应符合图纸的要求(一般按负公差制造），配合尺寸具有良好的互换性.
（3)有足够高的表面粗糙度，配合表面应达Ra＝3。2—1.6μm,工作带表面达Ra＝1.6-0.4μm,表面应进行氮化处理、磷化处理或其它表面强化处理，如多元素共渗处理及化学热处理等。
（4）有良好的对中性、平行度、直线度和垂直度，配合面的接触率应大于80％.
（5）模具无内部缺陷和表面缺陷，一般应进行超声波探伤和表面质量检查后才能使用。

十一、参考书目
《冲模设计应用实例》模具实用技术丛书编委，机械工业出版社
《模具设计与制造》党根茂 骆志斌 李集仁编，西安电子科技大学出版社
《机械工程材料》王涣庭 李茅花 徐善国编，大连理工大学出版社
《图学基础教程》谭建荣　张树有等编,高等教育出版社
《机械制造基础》严霖元主编，江西农业大学
《机械设计》邱宣怀主编，高等教育出版社
《冲压工艺学》李硕本主编，机械工业出版社
《模具设计与制造简明手册》冯炳尧等编，上海科学技术出版社
《实用模具技术手册》邓石城 王旭编,上海科学技术出版社
《冲模设计手册》张鼎承主编，机械工业出版社
《冷冲模设计》丁松聚主编，机械工业出版社
《模具结构与设计基础》许发樾主编，机械工业出版社
《冲模技术》涂光祺主编，机械工业出版社
《冷冲压工艺及模具设计》刘心治编，重庆大学出版社
《模具制造工艺与装备》孙风勤编,机械工业出版社
《冲压手册》王孝培主编，机械工业出版社
《冲模图册》李天佑编,机械工业出版社
《现代冲压技术》张毅编，国防工业出版社

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