冲压模具设计及其工艺分析.doc

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第一章 零件设计任务 1
第二章 冲裁件的工艺分析 2
2.1工件材料 2
2.2工件结构形状 2
2.3工件尺寸精度 2
第三章 冲裁工艺方案 3
第四章 模具结构形式的选择 5
4.1模具的类型的选择 5
4.2卸料装置 5
4.2.1．条料的卸除 5
4.2.2卸料方式 5
4.3定位装置 5
4.3.1．送料形式 5
4.3.2．定位零件: 5
4.4.模架类型及精度 6
4.4.1．模架 6
4.4.2.精度 6
第五章 冲压工艺计算: 7
5.1．排样 7
5.1.1．排样方案分析 7
5.1．2．计算条料宽度 7
5.1.3．确定布距: 8
5.1.4．计算材料利用率 8
5．2．冲压力计算 9
5.2.1．冲裁力计算 9
5.2.2．卸料力、 顶件力的计算 10
5.3．压力中心的计算 11
5.4．模具工作部分尺寸及公差 12
5.4.1．落料尺寸大小为 12
5.4.2．冲孔尺寸大小为 13
第六章 主要零部件设计 14
6.1．凹模的设计 14
6.1.1.落料凹模 14
6.1.2．冲孔凹模的设计 16
6.2．凸模的设计 17
6.2.1.冲孔圆形凸模: 17
6.2.2．腰孔的设计 18
6.2.3.落料凸模 18
6.2.4．凸模的校核: 19
6.3．卸料板的设计 20
6.4．固定板的设计 21
6.4.1. 凹模固定板: 21
6.4.2.凸模固定板: 22
6.5．模架以及其它零部件的选用 23
第7章 校核模具闭合高度及压力机有关参数 24
7.1 校核模具闭合高度 24
7.2 冲压设备的选定 24
第8章 设计并绘制模具总装图及选取标准件 25
第9章 结论 26
参考文献 27

第一章 零件设计任务
零件简图: 如图1-1 所示
材料: 10号钢
材料厚度: 2mm
未标注尺寸按照IT10级处理.

第二章 冲裁件的工艺分析
2.1工件材料
由图1-1分析知: 10#钢为优质碳素结构钢, 具有良好的塑性性、 焊接性以及压力加工性, 主要用于制作冲击件、 紧固件, 如垫片、 垫圈等。适合冲裁加工。
2.2工件结构形状
工件结构形状相对简单, 有四个圆孔, 孔与边缘之间的距离满足要求, 料厚为2mm满足许用壁厚要求( 孔与孔之间、 孔与边缘之间的壁厚) , 能够冲裁加工。
2.3工件尺寸精度
根据零件图上所注尺寸, 工件要求不高, 尺寸精度要求较低, 采用IT14级精度, 普通冲裁完全能够满足要求。
根据以上分析: 该零件冲裁工艺性较好, 综合评比适宜冲裁加工。

第三章 冲裁工艺方案
完成此工件需要冲孔、 落料两道工序。其加工工艺方案分为以下3种:
1.方案一: 单工序模生产。先冲孔, 后落料;
2.方案二: 级进模生产。冲孔—落料级进冲压;
3.方案三: 复合模生产。冲孔—落料复合冲压。
各模具结构特点及比较如下表3-1:

表 3-1 各类模具结构及特点比较
模具种类比较项目
单工序模
( 无导向) ( 有导向)
级进模
复合模
零件公差等级
低
一般
可达IT13～IT10级
可达IT10～IT8级
零件特点
尺寸不受限制厚度不受限制
中小型尺寸厚度较厚
小零件厚度0.2～6mm可加工复杂零件, 如宽度极小的异形件
形状与尺寸受模具结构与强度限制, 尺寸能够较大, 厚度可达3mm
生产效率
低
较低
工序间自动送料, 能够自动排除制件, 生产效率高
冲件被顶到模具工作表面上, 必须手动或机械排除, 生产效率较低
安全性
不安全, 需采取安全措施
比较安全
不安全, 需采取安全措施
模具制造工作量和成本
低
比无导向的稍高
冲裁简单的零件时, 比复合模低
冲裁较复杂零件时, 比级进模低
适用场合
料厚精度要求低的小批量冲件的生产
大批量小型冲压件的生产
形状复杂, 精度要求较高, 平直度要求高的中小型制件的大批量生产
根据分析结合表分析:
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。
方案二只需一副模具, 生产效率高, 操作方便, 精度也能满足要求, 模具制造工作量和成本在冲裁简单的零件时比复合模低。
方案三只需一副模具, 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, 板料的定位精度比喻案二低, 模具轮廓尺寸较小。
综上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。

第四章 模具结构形式的选择
4.1模具的类型的选择
由冲压工艺分析可知, 采用级进模方式冲压, 因此模具类型为级进模。
4.2卸料装置
4.2.1．条料的卸除
因采用级进模生产, 故采用向下落料出件。
4.2.2卸料方式
考虑零件尺寸较大, 厚度较高, 采用固定卸料方式, 为了便于操作, 提高生产率。
4.3定位装置
4.3.1．送料形式
因选用的冲压设备为开式压力机且垂直于送料方向的凹模宽度B小于送料方向的凹模长度L故采用横向手动送料方式, 即由右向左( 或由左向右) 送料既能满足生产要求, 又能够降低生产成本, 提高经济效益。

4.3.2．定位零件:
零件尺寸较大, 厚度较高, 保证孔的精度及较好的定位, 宜采用导料板导向, 导正销导正, 为了提高材料利用率采用始用挡料销和固定挡料销。

4.4.模架类型及精度
4.4.1．模架
1．若采用中间导柱模架, 则导柱对称分布, 受力平衡, 滑动平稳, 但只能一方送料;
2. 若采用对角导柱模架, 则受力平衡, 滑动平稳, 可纵向或横向送料;
3. 若采用后侧导柱导柱模架, 可三方送料, 操作者视线不被阻挡, 结构比较紧凑的, 但模具受力不平衡, 滑动不平稳。
综上, 结合本冲孔、 落料级进模的特点, 决定采用后侧导柱模架。

4.4.2.精度
由于零件材料较厚, 尺寸较大, 冲裁间隙较小, 又是级进模因此采用导向平稳的中间导柱模架, 考虑零件精度要求不是很高, 冲裁间隙较小, 因此采用Ⅰ级模架精度。

第五章 冲压工艺计算:
5.1．排样
5.1.1．排样方案分析
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。
经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直排最佳。
5.1．2．计算条料宽度
根据零件形状, 查<<冲压模具设计手册>>工件之间搭边值a=1.2mm, 工件与侧边之间搭边值a1=1.5mm, 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, 下偏差为负值—△
公式( 5-1)
式中:
Dmax—条料宽度方向冲裁件的最大尺寸;
a1---冲裁件之间的搭边值;
b1---侧刃冲切得料边定距宽度; ( 其值查表6) 可得△=2.0mm。
△—板料剪裁下的偏差; ( 其值查表5) 可得△=0.6mm。
B0△=75＋2×1.5＋2×2.0
=82.00-0.60mm
故条料宽度为82.0mm。
5.1.3．确定布距:
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, 是决定侧刃长度的依据。条料宽度的确定与模具的结构有关。
级进模送料步距S
公式( 5-2)
Dmax零件横向最大尺寸, a1搭边
S＝75＋1.5＝76.5mm
排样图如图2所示。

5.1.4．计算材料利用率
一个步距内的材料利用率
η＝Ａ/BS×100% 公式( 5-3)
式中　 A—一个步距内冲裁件的实际面积;
B—条料宽度;
S—步距;
一个步距内冲裁件的实际面积
A=π×37.52-π×13.52-3×π×3.752-3(π×302×34/360-π×26.252×34/360)
= 3807.73539mm2
因此一个步距内的材料利用率
Η=Ａ／BS×100%
= 3807.73539／( 76.5×82) ×100%
=60.7%
考虑料头 、 尾料和边角余料消耗, 一张板材上的总利用率η总为
η总= nA1／LB×100% 公式( 5-4)
式中 n—一张板料上冲裁件的总数目; A1—一个冲裁件的实际面积;
L—板料长度; B—板料宽度。
查板材标准, 宜选用850mm×1700mm的钢板, 每张钢板可剪裁为11张条料( 82mm×1700mm) ,每张条料能够冲25个工件, 因此每张钢板的材料利用率
η总 = nA1/LB×100%
=25×3807.73539/82×1700×100%
=68.3%
根据计算结果知道选用直排材料利用率可达68.3%, 满足要求。
5．2．冲压力计算
5.2.1．冲裁力计算
用平刃冲裁时, 其冲裁力Ｆ一般按下式计算:
公式( 5-5)
式中: F—冲裁力;
L—冲裁周边长度;
t—材料厚度;
τb—材料抗剪强度; 10钢τb的值查《《冲压成型工艺与模具设计》》附录表2为255-333Ｍpa,取τb=300Mpa
Ｋ—系数; 一般取Ｋ=1.3。
1、 冲孔力计算
冲孔周长:
L=π×27+3π×3.75×2+3π( 26.25+33.75) ×34/360+2×76.5+2×12
=764.98mm
因此冲孔力
F=KLtτb=1.3×764.98×2×300
=596.69kN
2．落料力的计算
落料周长
落料冲裁力F2= KLtτb =1.3×π×75×2×300=183.78kN。
5.2.2．卸料力、 顶件力的计算
一般按以下公式计算:
卸料力
公式( 5-6)
顶件力
公式( 5-7)

( 为卸料力系数, 其值查表5-1可得)
因此总冲压力
公式( 5-8)
表5-1 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
0.06~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.02~0.03
0.1
0.063
0.050
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

由 ,即冲压时工艺力的总和不能大于压力机公称压力的50%-60%, 取,则公称压力. 初选压力机的公称压力为1600Kn,即JA21-160型压力机。
5.3．压力中心的计算
用解析计算法求出冲模压力中心。
X0=( L1x1＋L2x2＋…Lnxn) /(L1＋L2＋…Ln) 公式( 5-9)
Y0=( L1y1＋L2y2＋……Lnyn ) /( L1＋L2＋…＋Ln)
用解析法计算压力中心时, 先画出凹模形口图, 如图5-3所示。在图中将XOY坐标系建立在建立在图示对称中心线上, 将冲裁轮廓线按几何图形分解成L1~L5共 3组基本线段 (注: 由于图中3个圆弧形孔均以一个点为圆心的等分列阵排列, 因此其几何图形为一组) , 用解析法求得该模具压力中心的坐标。由以上计算结果能够看出, 该工件冲裁力不大, 压力中心偏移坐标原点O较小, 为了便于模具的加工和装配, 模具压力中心依然选在坐标原点。

图5-3
5.4．模具工作部分尺寸及公差
5.4.1．落料尺寸大小为
为保证冲出合格冲件。冲裁件精度IT10以上, X取1. 冲裁件精度IT11~IT13,X取0.75. 冲裁件精度IT14, X取0.5。由于本产品采用IT14级精度, 因此X取0.5.查表知: Zmax =0.360, Zmin =0.246。
Φ750-0.62 查《冲压成型工艺与模具设计》P45表3-5知:

δp=0.04mm, δd=0.06mm

公式( 5-10)

公式( 5-11)

5.4.2．冲孔尺寸大小为
1、 圆形孔凸、 凹模基本尺寸的计算
公式( 5-12)
公式( 5-13)

2、 腰孔凸、 凹模基本尺寸的计算:
公式( 5-14)

公式( 5-15)

第六章 主要零部件设计
6.1．凹模的设计
6.1.1.落料凹模
落料凹模如图6-1
1、 凹模厚度H的计算:
查表得K取1.25
公式( 6-1)

=32.66mm, 取H=33mm 图 6-1
2、 模长度和宽度
W>=1.2×H 公式( 6-2)
=1.2×33=39.6mm
L=B=D+2W 公式( 6-3)
=74.69+2×39.6=153.89
取L=B=154mm
3、 凹材料的选用:根据表8-3,材料选用45钢。
4、 凹模的固定方法
下图是带肩圆形凹模, 直接装入凹模固定板中, 采用过渡配合( H7/m6) 。零件图6-2如下:

图6-2

6.1.2．冲孔凹模的设计
设计同落料凹模
零件图6-3如下

图6-3

6.2．凸模的设计
6.2.1.冲孔圆形凸模:
1、 冲孔圆形凸模:
冲孔圆形凸模的结构图6-4如下:

图6-4
长度:
冲孔凸模在凹模里面开孔, 为便于凸模和固定板的加工,可经过这设计成铆接方式与固定板固定.冲孔凸模由于相隔很近,不宜采用阶梯结构,设计成铆接方式.凸模的尺寸根据凸模固定板尺寸h1、 卸料板尺寸h2、 材料厚度h3和h, h一般取22mm。因此凸模的尺寸为
L=30+16+2+22=70mm. 公式( 6-4)
凸模材料: 参照《冲压模具设计与制造简明手册》选用Cr12

2、 冲孔凸模零件图6-5如下

图6-5
6.2.2．腰孔的设计
1、 长度: 有关计算同冲孔凸模
2、 材料: 参照《冲压模具设计与制造简明手册》选用Cr12
3、 腰孔零件图6-6如下图:
6.2.3.落料凸模
1、 长度: 有关计算同冲孔凸模;
2、 材料: 参照《冲压模具设计与制造简明手册》选用Cr12
3、 落料凸模零件图6-7如

图6-6

图6-7
6.2.4．凸模的校核:
考虑冲孔凸模的直径很小, 故需对最小凸模8.06进行强度和刚度校核:
1、 刚度的校核:
根据凸模校核公式: L≤90d/ 公式( 6-5)
可得:
L
≤90d/= L: 为凸模的允许最大工作尺寸, 而设计中, 凸模的工作尺寸为
22＜28.28,因此钢度得以校核.

2、 强度校核:
凸模的最小直径d应满足:
公式( 6-6)
因此8.06＞2.6,凸模强度得以校核.
参照ISO 8020-1986 B型圆形冲孔凸模。
6.3．卸料板的设计
卸料板采用Q235制造, 卸料板轮廓尺寸与凹模固定板轮廓尺寸相同, 厚度根据JB/T 8066.2-1995规定, 选用315mm×250mm×14-17组模具参考, 取其厚度为16mm。查《模具设计简明手册》P298典型卸料横向送料组合得相应组合的零件尺寸:
两圆柱销销孔之间的距离S1=175mm,
两内六角螺钉之间的横向距离S=279mm,
两内六角螺钉之间的横向距离S2=214mm.
零件图6-8如下
6.4．固定板的设计
6.4.1. 凹模固定板:
1、 凹模固定板的厚度:其厚度与凹模的厚度尺寸一致, 取33mm;
2、 凹模固定板的外形尺寸: 与卸料板的外形尺寸一致, 根据核准选取板的规格为。
3、 材料: 选用Q235钢
4、 配合及连接件:
凹模与凹模固定板的配合为H7/n6,装配可经过2个销钉定位,6个螺钉与下模座连接固定,各形孔的位置尺寸与凹模的保持一致,顶部与模铆接,因此必须倒角。 由以上可得凹模固定板的零件图如图6-9所示:
图6-9
6.4.2.凸模固定板:
1、 凸模固定板的厚度: 其厚度与凸模的厚度尺寸一致, 取30mm;
2、 凸模固定板的外形尺寸: 与卸料板的外形尺寸一致, 根据核准选取板的规格为。
3、 材料: 选用 Q235钢;
4、 配合及连接件: 凸模与凸模固定板的配合为H7/n6,装配可经过2个销钉定位,6个螺钉与上模座连接固定,各形孔的位置尺寸与凸模的保持一致,顶部与凸模铆接,因此必须倒角,由以上可得凸模固定板的零件图如图6-10所示:

6.5．模架以及其它零部件的选用
该模具采用后侧导柱模架。由于导柱安装在模具压力中心对称的对角线上, 因此上模座在导柱上滑动平稳。常见于横向送料级进模送。以凹模轮廓尺寸为依据, 选择模架规格。
上模座按GB/T 2855.2-1990规定, 厚度取45mm,垫板厚度取10mm,固定板厚度取30mm,卸料板厚度取16mm,下模座按GB/T 2855.2-1990规定, 厚度取50mm, 固定板厚度取33mm。根据上下模座选取导柱为Φ32h5mm×170mm×45mm,导套为Φ40H6 mm×140 mm×48mm。模具闭合高度H
公式( 6-7)
上模座高度为45mm, 垫板高度为10mm, 凸模长度为70mm, 凹模固定板高度为33mm, 下模座高度为50mm, h1指凸模进入凹模的深度, 这里取1mm。

第7章 校核模具闭合高度及压力机有关参数
7.1 校核模具闭合高度
公式( 7-1)
式中 压力机最大闭合高度;
压力机最小闭合高度;
垫板厚度。
根据前面初选压力机JA21—160, 查《模具设计与制造简明手册》P49表1-81得:
, ,
将以上数据带入公式7-1, 得200<H<315.
经计算该模具闭合高度H=210mm, 在200mm～315mm内, 且开式压力机JA21-160最大装模高度300mm,大于模具闭合高度210mm , 能够使用。
7.2 冲压设备的选定
经过较核, 选择开式双柱可倾式压力机J21-160能满足使用要求。其主要技术参数如下:
公称压力: 1600KN
滑块行程: 160mm
最大闭合高度: 450mm
最大装模高度: 300mm
工作台尺寸( 前后×左右) : 710mm×1120mm
模柄孔尺寸: 60mm×80mm

第8章 设计并绘制模具总装图及选取标准件
按已确定的模具形式及参数, 从冷冲模标准中选取标准件。绘制模具装配图, 见图8-1。

2-下模座, 3-固定板, 4、 8-螺栓, 5落料凹模, 6-自动挡料销, 7-卸料板, 9-拉簧, 10-导套, 11-上模座, 12-圆柱销, 13-落料凸模, 14-导正销, 15-螺钉, 16-模柄, 17-内六角螺钉, 18、 20-冲孔凸模, 19-垫板, 23-凸模固定板, 24-导柱, 25-冲孔凹模。

第9章 结论
本次设计是在导师赵茂俞教授的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识, 严谨的治学态度, 精益求精的工作作风, 诲人不倦的高尚师德, 严以律己、 宽以待人的崇高风范, 朴实无华、 平易近人的人格魅力对我影响深远。不但使我树了远大的学术目标、 掌握了基本的研究方法, 还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成, 每一步都是在导师的指导下完成的, 倾注了导师大量的心血。在此, 谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢!

学生; 吴飞翔
6月于合肥学院

参考文献
[1]冯炳尧, 韩泰荣, 蒋文森, 丁战生. 模具设计与制造建明手册. 上海: 上海科学技术出版社. 1998.
[2]周玲. 冲模设计实例. 北京: 化学工业出版社. .
[3]甘永立. 几何量公差与检测. 上海:上海科学技术出版社. .
[4]侯洪生. 机械工程图学. 北京:科学出版社. .
[5]李奇涵. 冲压成型工艺与模具设计. 北京:科学出版社. .
[6]姜伯军. 级进冲模设计与模具结构实例 北京:机械工业出版社. .