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冲压工艺及模具设计

模具课题设计

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材料科学和工程学院
College of Materials Science and Engineering

引言
在工业产品中，板材件占据了一个大百分比。许很多多机械零件，产品覆盖件全部是用板料加工而成，所以，研究板料成形方法对产品设计和加工有着关键意义。
现在板材成形方法有许很多多个，其中冷冲压占据很大一部分。冷冲压是利用安装在压力机上冲模对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而取得所需要零件一个压力加工方法。冷冲压能够分为两大类，即分离工序和成形工序。分离工序是指使板料按一定轮廓线分离而取得一定形状，尺寸和切断面质量冲压件工序；成形工序是指使坯料在不破裂条件下产生塑性变形而取得一定形状和尺寸冲压件工序。
冷冲压过程关键依靠冲模和压力设备完成加工，便于实现自动化生产，生产率很高，操作简单 。而且产品壁薄、质量轻、刚度好、能够加工成形复杂零件，小到钟表秒针，大到汽车纵梁，覆盖件等。
冷冲压和其它加工方法相比含有独到特点，所以在工业生产中，尤其在大批量生产中应用十分广泛。
本课程立即结束之时，为了了解冲压工艺基础原理，掌握冲压工艺编制和模具设计，我将选择了一个垫片零件。经过设计冲裁模实现零件大规模生产和制造。

目录
引言 I
一 零件的工艺性分析 1
1.1 零件要求 1
1.2 冲裁件的工艺性分析 1
1.3 冲裁工艺方案的设定 2
二 冲模设计相关计算 2
2.1 排样的相关设计与计算 2
2.2 冲裁力的计算 3
2.3 冲裁压力中心的计算 4
2.4 冲裁模刃口尺寸及公差的计算 4
2.5主要零件的尺寸计算 5
三 定位装置的设计 7
3.1 横向送料定位装置设计 7
3.2 纵向送料定位装置的设计 7
四 标准件的选用 9
4.1 模座选用 9
4.2 压力机选用 10
4.3 紧固件选择 10
五 模具加工工艺 11
5.1 凸模加工工艺 11
5.2 凹模加工工艺 11
六 总结 12
参考资料： 12
七 图纸（附录） 13
6.1零件明细表 13
6.2装配图（见附图） 13
6.3零件图（见附图） 13

一 零件工艺性分析
1.1 零件要求

1. 材料：10F
2. 零件无公差要求，取IT14级
3. 生产批量：大批量
4. 零件表面无污渍，平整光滑，无裂纹等缺点
5. 表面去毛刺，要求平整度小于0.12

1.2 冲裁件工艺性分析
1. 零件材料分析：10F钢，碳含量0.07%~0.13%，是优质碳素钢，这种钢强度不大，而塑性和韧性甚高，有良好冲压、拉伸和弯曲性能，可作塑性须好零件。
2. 零件结构分析：工件全部结构均采取圆弧过渡，最小壁厚为4mm，而冲裁临界加工壁厚为1.5t，即2.25mm。所以，满足冲裁件最小壁厚要求。工件上最小冲孔为φ8，满足最小冲孔要求。
3. 尺寸精度分析：工件未注明尺寸公差要求，所以全部尺寸根据IT14级公差要求设计。按孔轴公差尺寸，查表得各尺寸为：∅8 0+0.36、∅22 0+0.52、∅40 -0.620、 R8 -0.360、46-0.31+0.31
1.3 冲裁工艺方案设定
冲裁模按组合程度有单工序模，复合模，级进模。
单工序模结构简单，成本低，不过生产率低，精度不高，平整度较差，只适合生产批量小，形状简单，批量小工件。
级进模生产率最高，即使模具制造复杂，不过能够大批量生产精度较高制件。
复合模精度最高，产品质量好，生产率也比较高。不过模具制造复杂，制造精度高，成本高，比较适合生产批量较大精度要求高工件。
综合工件工艺性分析，该工件适合冲裁。因为工件精度要求不高，不过生产批量大，且零件尺寸不大，质量要求不高，所以，该制件需要生产率较高冲模，综合多种冲模特点，采取级进模加工。为了尽可能满足制件质量，采取有导柱，弹性卸料，导正销模具。

二 冲模设计相关计算
2.1 排样相关设计和计算
1. 排样方案和搭边值得确定
依据板材厚度为1.5mm，查设计手册，确定a=1.8mm，工件之间搭边值取b=1.5mm
确定排样步距s=40+1.5=41.5mm
2. 条料宽度计算：

排样图所表示
按有侧压装置计算公式：
条料宽度：B-∆0=(Dmax+2a)-∆0
查表得∆=0.5，Z=0.2
所以条料宽度为：
B=(62+2x1.8)-0.50=65.6 -0.50 （mm）
导料板之间间距：A=B+Z=65.8mm
2.2 冲裁力计算
冲裁力有冲孔压力和落料压力，由：
F=KLtτb
对10F钢，取τb=300Mpa，K=1.3，t=1.5mm
计算得：=π（22+8+8）=119mm，=155.4mm
所以得：
冲孔力：1.3x119x1.5x300=69.6KN
落料力：1.3x155.4x1.5x300=90.91KN
采取下出料方法和钢性卸料装置，得：
推件力：
n
取n=4、查表
得：5x0.055x4=35.31KN
总冲裁力：
=
所以： 35.31+90.91+69.6=195.82KN

2.3 冲裁压力中心计算
对落料工序，该工件是对称图形，所以落料压力中心在O1位置。对冲孔工序，压力中心落在O2位置

冲裁压力中心示意图
所以，协力中心一定在竖直轴线上。设O1，O2中心为O，且冲裁协力中心和O距离为x
所以： =2.75mm

2.4 冲裁模刃口尺寸及公差计算
凸模和凹模有分别加工和配合加工两种方法。其中配合加工工艺简单，能够合适放大基准件公差，制造轻易，成本低。该工件精度要求低，所以采取配合加工方法。
凸、凹模刃口计算标准：落料以凹模为基准，冲孔以凸模为基准，孔心距尺寸精度由凹模确保。
1. 落料模刃口尺寸计算
落料凹模磨损后外形图所表示：

从图可知：其中R1，∅2，∅3 尺寸变大，C不变
由落料凹模尺寸计算公式，得：
Ad=Amax-x∆ 0+∆/4
查表得：
R1=R(8-0.5×0.36)0+0.09=R7.820+0.09
∅2=∅(40-0.5×0.62)0+0.115=∅39.690+0.115
C=C -∆/4+∆/4=46 -0.0775+0.0775
凸模采取配做加工方法，查表双面间隙值Zmin=0.132mm，Zmax=0.240mm
凸模刃口尺寸按凹模实际尺寸配制，确保双面间隙值为0.132~0.240mm

2. 冲孔模刃口计算
冲孔时以凸模为基准计算刃口尺寸
图所表示，凸模磨损尺寸改变情况，其中φ3，φ4均变小

由公式得：

∅3=(8+0.5×0.36)-0.090=∅8.18-0.090

∅4=(22+0.5×0.52)-0.130=22.26-0.130

2.5关键零件尺寸计算
1. 凹模相关尺寸计算
凹模刃壁形式有直刃壁和斜刃壁。斜刃壁在刃口磨损后修磨会使模具尺寸增大。所以为了落料方便同时修模又不影响精度，采取上方直刃壁，下面为锥形刃壁。
由公式，得凹模高度H：

H=ks (≥8)
其中：
S：垂直送料方向凹模刃壁间最大距离
K：系数，查表取k=0.3
代入数据得：
H=0.3×62=20mm
垂直送料方向凹模宽度B：
B=S+(2.5~4.0)H
得：
B=123mm
送料方向上凹模长度L：
L=S1+2S2
其中：
S1：送料方向上凹模刃壁间最大距离
S2：送料方向上凹模刃壁至凹模边缘最小距离
代入得：
L=73+2×30=133mm
查表取凹模尺寸标准尺寸，得：
LxB=160mm×125mm

2. 凸模长度计算
凸模长度L：

凸模尺寸图
其中：
h1：凸模固定板厚度，取0.8倍凹模厚度，H1=16mm
h2：固定卸料板厚度，取H2=0.8H(凹模厚度)，H2=16mm
h3：导料板厚度，查表取H3=6mm
h：增加长度，包含凸模修模量，凸模进入凹模深度，和凸模固定板和卸料板之间安全距离：取H=20mm
代入得：
L=16+16+6+20mm=58mm
查表取凸模长度为标准尺寸：
L=60mm

三 定位装置设计
3.1 横向送料定位装置设计
在级进模中，横向定位装置通常有导料板，导料销，和侧压装置。本方案选择导料板导料，查表，取导料板厚度为6mm。

3.2 纵向送料定位装置设计
纵向定位装置通常有固定挡料销，活动挡料销，和始用挡料销，侧刃和侧刃挡块，导正销定位等等。
其中固定挡料销，和导正销组合定位方便，且易于设计，是大多数级进模定位选择。
所以，本方案采取落料凸模上导正销，和凹模上挡料销进行组合定位。
1. 导正销设计计算

凸模上导正销直径：
d=d1-2c
d：导正销圆柱段部分直径
d1：冲孔凸模直径
2c：导正销和导正孔之间双面间隙
查表得：
2c=0.1mm
D=8.08mm

2. 挡料销选择
查表，选择挡料销选择d=10mm

挡料销材料选择
45钢，淬火硬度43HRC~48HRC

3. 挡料销和导正销位置确实定
导正销和导料销配合使用时，导正销和挡料销位置关系图所表示
其中：
e=D2+a+d2+∆

代入数值得：
e=27mm

四 标准件选择
4.1 模座选择
模座宽度和凹模尺寸相同，长度可略大于凹模尺寸。模架能够分为钢制模架和铸铁模架，本方案选择铸铁标准模架。常见铸铁模架为HT200。因为冲件不大，常见中间导柱式模架比较适宜。

所以查表，取标准模座：
L×B=160mm×160mm
其中：
上模座尺寸：160×160×40
下模座尺寸：160×160×45
导柱尺寸：∅28×150 和∅32×150
导套尺寸：28×100×38和32×100×38

4.2 压力机选择
冲裁所需最大冲裁力为195.82KN，所以，选择压力机型号为：JE21-25D
压力机公称力为250KN，满足使用要求。
其中：模柄尺寸为：
∅40mm×70mm

4.3 紧固件选择
1. 凹模和下模座销钉选择2×∅8×30mm
2. 凹模和下模座固定，采取6×M8×50mm螺钉
3. 凸模和上模座固定，选择6×M8×60mm

五 模具加工工艺

5.1 凸模加工工艺
1. 下料：锯床下圆棒料。
2. 粗车：粗车台阶外圆。
3. 精车：两顶尖精车台阶外圆。
4. 热处理：确保硬度60~64HRC。
5. 磨外圆：磨两外圆至尺寸。
6. 修整：全方面达成设计要求。
7. 检验。

5.2 凹模加工工艺
1. 下料：锯床或剪床下料。
2. 铸造：将毛坯锻成毛坯形状。
3. 热处理：退火，降低硬度便于加工。
4. 粗加工，精加工：加工凹模内孔和外形。
5. 钻孔，攻丝：定位后，钻孔，攻螺纹。
6. 热处理：确保硬度60~64HRC。
7. 精加工：磨上下平面至尺寸要求。
8. 精整：全方面达成设计要求。
9. 检验

六 总结
1. 冲裁模是整个冷冲压模具中最简单模具，它只包含冲孔和落料工艺，不包含弯曲，拉深等其它工序。冲裁模工件基础上全部是在平面上进行冲裁，所以冲裁模比其它冲模愈加轻易确保精度。
2. 工件冲裁精度要求高低和批量大小是影响冲裁模设计方案关键原因。依据精度要求和批量大小，能够选择单工序模、级进模、复合模中适宜冲裁方案。合理选择冲裁方案对提升生产效率，生产出合格产品，提升经济效益全部有很关键意义。
3. 冲裁模凹、凸模、定位装置是冲裁精度关键确保。所以，在设计冲裁模是，凹、凸模，定位装置计算很关键。冲模凸凹模刃口精度和加工方案，和定位装置合理选择和设计对产品质量很关键。

参考资料：
[1] 洪慎章.实用冲模设计和制造[M].北京：机械工业出版社，
[2] 翁其金，徐新成.冲裁工艺和模具设计[M].北京：机械工业出版社，
[3] 陈炎嗣.冲压模具设计手册[M].北京：化学工业出版社，

七 图纸（附录）
6.1零件明细表
模具装配明细表
序号
名称
数量
材料
热处理硬度（HRC）
标准件代号
备注
1
上模座
1
HT200

GB/T 2855.9

2
导柱
2
20
58~62
GB/T 2861.1
渗碳淬火
3
导套
2
20
58~62
GB/T 2861.6
渗碳淬火
4
螺栓M10×60
4
45

5
垫板
1
45
43~48

淬火
6
落料凸模
1
T10A
58~62

淬火
7
模柄
1
Q235

8
防转销∅6×15
1
45

GB/T 119.1-

9
冲孔凸模
1
T10A
58~62

淬火
10
螺栓M8×60
6
45

11
凸模固定板
1
45

12
弹簧
2
65Mn
40~48

淬火
13
卸料板
1
Q235

14
导料板
1
45
43~48

淬火
15
凹模
1
T10A
62~64

淬火
16
导正销
1
T8
52~56

淬火
17
下模座
1
HT200

GB/T 2588.10

18
螺栓M8×50
6
45

19
固定挡料销
1
45
43~48

淬火
20
销∅6×70
2
45
45
GB/T 117-

21
承料板
1
Q235

6.2装配图（见附图）
6.3零件图（见附图）
包含零件图四张（凸模，凹模，卸料板，凸模固定板），和一张总装配图(dwg格式)。如有需要请联络邮箱：