双扇形挡片复合模设计(cad)模具课程设计大学毕设论文.doc

模具CAD/CAM程设计说明书

双扇形挡片复合模设计（CAD）

院 系 航空宇航工程学院
专 业 飞行器制造工程（钣金与模具）

目录

摘 要
本次课程设计的内容为双扇形挡片复合模，完成冲孔、落料两道工序。模具为倒装结构，由打杆顶出制件，橡胶垫驱动的卸料板卸除条料。排样方式为单排，由弹性挡料销和导料销定位、导料。模架为中间导柱圆形模架，压入式模柄。使用SolidWorks生成零件实体并完成装配，进而生成装配工程图和相关的零件刚才图。
关键词： 冲孔 落料 倒装 单排 SolidWorks

目 录
1. 概论……………………………………………………………………1
1.1 CAD/CAM概论……………………………………………………………………1
1.2 CAD/CAM系统组成………………………………………………………………1
1.3 SolidWorks简介……………………………………………………………… 1
2.工艺方案分析及确定………………………………………………… 2
2.1 垫片冲压工艺分析…………………………………………………………… 2
2.2垫片冲压工艺的确定……………………………………………………………3
3.模具结构的确定……………………………………………………… 4
3.1 模具的形式…………………………………………………………………… 4
3.2 定位装置……………………………………………………………………… 4
3.3 卸料装置……………………………………………………………………… 4
3.4 导向零件……………………………………………………………………… 4
3.5 模架…………………………………………………………………………… 5
4.工艺计算……………………………………………………………… 6
4.1 排样…………………………………………………………………………… 6
4.2 计算冲压力…………………………………………………………………… 7
4.3 计算模具压力中心…………………………………………………………… 8
4.4 计算模具刃口尺寸…………………………………………………………… 8
5.主要工作零件的设计………………………………………………… 9
5.1 落料凹模……………………………………………………………………… 9
5.2 冲孔凸模长度及强度校核……………………………………………………11
5.3 凸凹模长度，壁厚校核………………………………………………………12
6.其他零件的设计………………………………………………………14
6.1 橡胶垫…………………………………………………………………………14
6.2 凸凹模固定板…………………………………………………………………14
6.3 垫板……………………………………………………………………………15
6.4 卸料板…………………………………………………………………………15
6.5 模座……………………………………………………………………………16
6.5 压力机校核……………………………………………………………………16
7.SolidWorks实体建模…………………………………………………17
7.1 模具的设计顺序………………………………………………………………17
7.2 零件的实体建模………………………………………………………………17
7.3 装配模具实体…………………………………………………………………17
7.4 工程图…………………………………………………………………………20
结束语………………………………………………………………………………21
参考文献……………………………………………………………………………21

沈阳航空学院课程设计说明书 1 概论
1概论
1.1 CAD/CAM概论
信息科学技术是当今世界的中心科学技术，其核心是计算机技术，已渗透应用到国民经济各个领域，各行业都在积极进行信息化改造，以信息化带动工业化。以计算机技术为主要技术手段，将大大减轻科技人员的脑力和体力劳动，甚至能够完成人力所不及的工作，大大促进了科学技术和生产的发展。随着计算机计算有关技术的不断发展和计算机技术应用领域的日益扩大，涌现出许多以计算机技术为基础的新兴科学。CAD/CAM技术便是其中之一。CAD/CAM，即计算机辅助制造技术与计算机辅助制造，是一门基于计算机技术而发展起来的、与机械设计和制造技术相互渗透、型号结合的、多学科综合性的技术。它随着计算机技术的迅速辅助、数控机床的广泛应用及CAD/CAM软件的日益完善，在电子、机械、航空航天、轻工等领域得到了广泛的应用。
模具CAD/CAM是在人的参与下，以计算机为中心的一整套系统。其中，模具CAD完成对采用工艺、模具结构的最优化设计；模具CAM完成对零件的加工制造，并在加工制造工程中实施实时监督、控制、测试和管理。CAM的输出信息直接来自于CAD的输出信息，二者是有机结合的整体。
1.2 CAD/CAM系统组成
CAD/CAM系统有硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括计算机和外部设备，软件系统有系统软件、应用软件和专业软件组成。
CAD/CAM系统的功能不仅与组成改系统的硬件功能和软件功能有关，而且与它们的匹配和组织有关。在建立CAD/CAM系统时，视线应根据输生产任务的需要，选定最合适的功能软件，然后再根据软件系统选择与之相匹配的硬件系统。
1.3 SolidWorks简介
SolidWorks是基于Windows平台的三维设计软件，采用参数化和特征造型技术，能方便、快捷地创建复杂形状的实体、复杂装配和生成工程图。而且参数化的实体能通过对尺寸的修改来进行编辑，实现参数化驱动。
SolidWorks和Windows实现无缝集成。“基于Windows的桌面集成系统”不只是一个单一的 设计工具，而是以SolidWorks为核心的各种应用的组合，如结构分析、运动分析、工程数据管理和上课加工等。图形界面友好，用户易学易用。

1
沈阳航空学院课程设计说明书 2 工艺方案分析及确定
2 工艺方案分析及确定
2.1 垫片冲压工艺分析
2.1.1 产品结构形状分析
图2.1可知，产品为圆片落料、圆片冲孔。产品
形状结构简单对称，无狭槽、尖角；孔与孔
之间、孔与零件之间的
最小距离满足c>1.5t
要求。（,）

图2.1 双扇挡片
2.1.2 产品尺寸精度、粗糙度、断面质量分析
（1）尺寸精度
任务书对冲件的尺寸精度要求为IT12级，
查参考文献[2]知，普通冲裁时对于该冲件的精度要求为IT12～IT11级，所以尺寸精度满足要求。
（2）冲裁件断面质量
因为一般用普通冲裁方式冲1mm 的金属板料时，其断面粗糙度Ra可达12.5～3.2，毛刺允许高度为0.05～0.1mm；本产品在断面粗糙度上没有太严格的要求，单要求孔及轮廓边缘无毛刺，所以只要模具精度达到一定要求，在冲裁后加修整工序，冲裁件断面的质量就可以保证。
（3）产品材料分析
对于冲压件材料一般要求的力学性能是强度低，塑性高，表面质量和厚度公差符合国家标准。本设计的产品材料为20钢，属优质碳素结构钢，其力学性能是强度、硬度低而塑性较好，非常适合冲裁加工。另外产品对于厚度与表面质量没有严格要求，所以尽量采用国家标准的板材，其冲裁出的产品表面质量和厚度公差就可以保证
经上述分析，产品的材料性能符合冷冲压加工要求。

2
（4）产量 30万件
由产品的生产数量30万件可知，产品批量为中等批量，适合采用冲压加工的方法，最好采用复合模或连续模。
2．2 垫片冲压工艺方案的确定
完成此工件需要冲孔、落料两道工序。其加工方案分为3种，件表2.1。
表2.1 工艺方案

序号

工艺方案

结构特点

1

单工序模生产：
落料→冲孔（或冲孔→落料）

模具结构简单，但需要两道工序、两套模具才能完成零件的加工，生产效率低，难以满足零件大批量生产的需求。且两道工序中的定位误差，将导致中心孔的位置精度难以保证。
2
复合模生产：
落料-冲孔复合

同一副模具完成两道不同的工序，大大减小了模具规模，降低了模具成本，提高生产效率，也难以提高压力机等设备的使用效率；操作简单、方便，适合大批量生产；能可靠保证中心孔的位置精度。
3

连续模生产：
冲孔-落料连续

同一副模具不同工位完成两道不同的工序，生产效率高，模具规模相对第二种方案要大一些，模具成本要高；两道工位之间的定位要求非常高；否则无法保证中心空的位置精度。

根据本零件的设计要求以及各方案的特点，决定采用第2种方案比较合理。

3
沈阳航空学院课程设计说明书 3 模具结构的确定
3 模具结构的确定
3.1 模具的形式
复合模又可分为正装式和倒装式。
3.1.1 正装式特点
工件和冲孔废料都将落在凹模表面上，必须加以清除才能进行下一次冲裁，因此操作不方便，也不安全，对多孔工件不宜采用，但冲出的工件表面比较平直。
3.1.2 倒装式特点
冲孔废料由冲孔凸模冲入凹模洞口中，积累到一定数量，由下模漏料孔排出，不必清除废料，操作方便，应用很广，但工件表面平直度较差，凸凹模承受的张力较大，因此凸凹模的壁厚应严格控制，以免强度不足。
经分析，此工件有两个孔，若采用正装式复合模，操作很不方便；另外，此工件无较高的平直度要求，工件精度要求也较低，所以从操作方便、模具制造简单等方面考虑，决定采用倒装式复合模。
3.2 定位装置
采用伸缩式挡料销纵向定位，安装在橡胶垫和活动卸料板之间。工作时可随凹模下行而压入孔内，工作很方便。
3.3 卸料装置
3.3.1 条料的卸除
采用弹性卸料板。因为是倒装式复合模，所以卸料板安装在下模。
3.3.2 工件的卸除
采用打料装置将工件从落料凹模中推下，落在模具工作表面上。
3.3.3 冲孔废料的卸除
下模座上采用漏料孔排出。冲孔废料在下模的凸凹模内积聚到一定数量，便从下模座的漏料孔中排出。
3.4 导向零件
导向零件有许多种，如用导板导向，则在模具上安装不便
4
沈阳航空学院课程设计说明书 4 工艺计算
而且阻挡操作者视线，所以不采用；若用滚珠式导柱导套进行导向，虽然导向精度高、寿命长，但结构比较复杂，所以也不采用；针对本次加工的产品的精度要求不高，采用滑动式导柱导套极限导向即可。而且模具在压力机上的安装比较简单，操作又方便，还可降低成本。
3.5 模架
若采用中间导柱模架，则导柱对称分布，受力平衡，滑动平稳，拔模方便，但只能一个方向送料。若采用对焦导柱模架，则受力平衡，滑动平稳，可纵向或横向送料。若采用后侧导柱模架，则可三方向送料，操作者视线不被阻挡，结构比较紧凑，但模具受力不平衡，滑动不平稳。
本设计决定采用中间导柱模架。

4 工艺计算
4.1 排样
零件外形为圆形 ，可以采用单排、交叉双排或多排；考虑到零件为中等批量生产，如果采用交叉双排或多排，则模具尺寸和结构就会相应增大，从而增加模具生产成本，所以本设计决定采用单排结构。如图4.1所示。

图4.1 排样图
4.1.1 搭边
查参考文献[1] ，确定搭边值，。
当时
4.1.2 条料宽度
采用无侧压装置，所以（Z=0.1，A=0.5）
mm

4.1.3 材料利用率

式中 —板料（带料或条料）上实际冲裁的零件数量；
—零件的实际面积；
—板料（带料或条料）长度；
—板料（带料或条料）宽度；
若取工件数量14件，则料长为
mm
取 mm

6
所以条料规格为
所以材料利用率为

4.2 计算冲压力
4.2.1 冲裁力
冲裁力公式为 （4-1）
式中 —冲裁力；
—冲孔冲裁力；
—落料冲裁力。
4.2.1.1 冲孔冲裁力
（4-2）

式中 K—系数（取K=1.3）；
—孔的个数，。
—冲孔周长，mm；
—材料厚度，mm；
—材料抗剪强度，查参考文献[2]知20钢，～392MPa，取MPa。
所以 N = 27.3KN
4.2.1.2 落料冲裁力。
（4-3）
mm
所以 N = 118.4KN
4.2.2 卸料力。

7
（4-4）
式中 —卸料系数，查参考文献[1]知～0.06，取。
所以 KN
4.2.3 推料力
（4-5）
式中 —推料系数，查参考文献[1]取。
—同时卡在凹模洞孔内的件数，。
所以 KN
4.2.4 顶件力
（4-6）
式中 —顶件系数，查参考文献[1]取。
所以 KN
4.2.5 总冲压力
冲裁时，压力机的压力值必须大于或等于冲裁各工艺力的总和，即大于总的冲压力。总的冲压力根据模具结构不同计算公式不同，当采用弹压卸料装置和下出件的模具时，总的冲压力为
KN
初选压力机：J23-25。
4.3 计算模具压力中心
由于该零件完全对称于相互垂直大大两条多层次线，所以模具的压力中心在几何图形的中心。

4.4 计算模具刃口尺寸
模具采用复合模结构，计算刃口尺寸时宜采用尺寸转换法计算。
零件上包含四个尺寸：落料尺寸，；冲孔尺寸；

8
所以基准型面尺寸为：

式中 —磨损系数，查参考文献[1]取 = 0.5；
—基准型面（凹模）制造公差，取；
—基准型面（凸模）制造公差，取；
—工件的制造公差。
查参考文献[1]知刃口始用间隙为mm，mm。
所以凸凹模尺寸为：

凹模尺寸：， ，。
凹模尺寸校核：按双面间隙0.16配修凹模，则， 。对照零件尺寸，该法可用。

9
沈阳航空学院课程设计说明书 5 模具工作零件的设计计算
5 模具工作零件的设计计算
5.1 落料凹模
落料凹模尺寸如图5.1所示。

图5.1 落料凹模尺寸
5.1.1 厚度
（5-1）
式中 —凹模的理论厚度。
mm
进一位取整数取 mm
查参考文献[4]知刃磨余量为 。
所以凹模厚度为 31+6 = 37mm。
因为落料冲裁力，所以凹模厚度应小于25mm。所以将凹模做成一块凹模板和一块夹板相拼的结构。综合模具结构设计，取凹模厚度mm，夹板厚度为13mm。
5.1.2 凹模板直径
零件外形为圆形的一部分，而且完全对称，所以将凹模板做成圆形。

10
（5-2）
式中 —切断轮廓线到凹模边缘的尺寸，轮廓为平滑曲线时，。
所以 mm
查参考文献[2]按推荐值取 mm
5.2 冲孔凸模长度及强度校核
冲孔凸模尺寸如图5.2所示。
5.2.1 冲孔凸模长度
如图所示
（5-3）
（0.6～0.8）

式中 —凸模固定板厚度；
—冲孔凸模厚度，mm；
—凸模自由长度。 图5.2 凸模尺寸
所以 （0.6～0.8）=（0.6～0.8）9～12mm，取10.5mm。
mm（考虑到在落料前冲孔凸模先接触板料，所以取 mm）。
所以 mm
5.2.2 凸模强度（压应力）校核
校核公式为 （5-4）
式中 —凸模最小断面积，；
—凸模材料的许用压应力，凸模材料选用Cr12MoV，查参考文献[2]知，（1000～1600）MPa，取1200 MPa。

11
因为 MPa<
所以凸模强度校核符合要求。
5.2.3 凸模刚度（细长杆失稳）校核。
校核公式 （）
式中 —凸模最大自由高度；
E —凸模材料弹性模量，一般取MPa；
—凸模最小断面惯性矩，圆形断面；
—支承系数，无导板导向；
—安全系数，钢取2～3。
代入公式得
mm
实际 mm<225mm
所以凸模刚度符合要求。
5.3 凸凹模长度确定，壁厚校核
凸凹模各部分尺寸件图5.3所示。

图5.3凸凹模各部分尺寸

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沈阳航空学院课程设计说明书 6 其他零件的设计
5.3.1 凸凹模长度确定
mm
式中 —卸料板厚度，取mm；
—凸凹模固定板厚度，（0.6～0.8）=（0.6～0.8）22.2～29.6mm，取mm。
5.3.2 凸凹模壁厚校核
查参考文献[2]知，倒装复合模凸凹模最小壁厚（料厚mm）；本设计中
所以凸凹模壁厚校核合格，按图设计的凸凹模符合要求。
5.3.3其他
漏料孔直径取，刃口直边设计存三片料，高为3mm，凸凹模和凸凹模固定板之间在装配时安装止转销防转。

6 其他零件的设计
6.1橡胶垫
为保证橡胶垫不过早失去弹性而破坏，其允许的最大压缩两不得超过摘要高度的45%，一般取自由高度的35%～45%。橡胶垫的预压缩量一般取自由高度的10%～15%。
橡胶垫产生的力
（6-1）
式中 —压力；
—橡胶垫横截面积；
—与橡胶垫压缩量有关的单位压力，如表5.1所示。

表5.1 橡胶压缩量和单位压力
橡胶压缩量（%）
单位压力（MPa）

橡胶压缩量(%)
单位压力(MPa)
10
15
20
0.26
0.50
0.70

25
30
35
1.03
1.52
2.10

取 ，则
MPa
取压缩量为25%，预压缩量为10%，工作行程mm。
所以橡胶垫的自由高度为
mm，取14mm
预压缩量取为 2m。
6.2 凸凹模固定板
凸凹模固定板形状与凹模板一致，如图5.3所示，厚度为26mm。

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7 SolidWorks实体建模
6.3 垫板
冲裁时，如果凸模的端部对模座的压应力超过模座材料的许用压应力，这时需要在凸模端部与模座之间加上一块强度较高的垫板。即下列情况下雨加垫板。
（）
式中 —凸模端面的压应力，其数值为；
—模座材料下雨压应力，其数值：铸铁约为100MPa，钢约为200 MPa；
—冲裁力；
—凸模上端面面积。
垫板的形状与凸模固定板一致，厚度一般取3～10mm。垫板淬硬后两面应磨平，表面粗糙度Ra≤0.32～0.63。
由于本套模具选用压入式模柄，在上模座与凸模固定板之间也必须安装垫板，厚度取为7mm。
下面校核一下凸凹模与下模座之间是否下要加垫板。
已知凸凹模下端面直径mm，所以

所以
模座采用铸铁，，所以不用加垫板。
6.4 卸料板
卸料板同样为圆形板，直径和凹模板一致，如图5.3所示，厚度为10mm。卸料板材料选A3或（45）钢，不用热处理淬硬。
取卸料板与凸凹模的双面间隙为0.1～0.3mm。所以卸料板上与凸凹模装配的孔尺寸为

6.5模座
根据凹模板的尺寸，模座采用标准的中间导柱圆形模座，材料采用HT200。标记为：上模座 GB2855.11—81；下模座 GB2855.12—81。
6.6 压力机的校核
模具的闭合高度为
mm
所以模具的外形尺寸为
压力机的最大闭合高度220mm，120mm。
所以
压力机工作台尺寸，一般工作台面尺寸每边应大于模具下模座尺寸50～70mm，即>。
所以压力机合格，可用。

7 SolidWorks实体建模
7.1 模具的设计顺序
在进行模具结构及零件设计时，需首先根据条料排样图确定总体结构，然后一次为基础，详细设计其中的组成零件。这一过程实际上就是自顶向下的设计过程。模具组成零件的形状除受成形工艺形状约束外，还受其在模具中所处的位置及其他零件的关系约束，只有总装在结构基础上，才能获得零件的相关约束，进行零件的设计。
为此，在利用SolidWorks进行建模时，应采用自顶向下的设计模式，依次实现模具结构及零件的设计。具体表述为：首先，根据条料排样图确定模具的总体框架结构，从典型结构库中实体化一种导向结构图，然后直接在该总体结构下，设计其他相关模具零件，以使零件设计和装配设计相关联。这样，在设计某一零件时，其相关零件的形状变化可被自动处理，从而保证设计结构一致性。当零件设计完成后，可将装配结构中的每一零件输出到相应的文件中，用来产生相应零件的工程图，并标注相关尺寸、技术要求等。
7.2 零件的实体建模
通过前面的设计可知，该套模具共包含28种零件，其中6种标准可从软件的零件库中调用，剩余的22种则要有设计者之间设计。
在SolidWorks中，可以通过多种方式将曲面转换为实体，下面为两种典型的零件的画法。
（1） 凹模板
操作步骤为：1.在草绘平面内作凹模板外形、刃口和销孔；2.用拉伸命令将平面拉伸为实体；3.用异性孔向导命令端面上相应的位置作出螺纹孔；4.用环形阵列命令作出另外两个螺纹孔；4.用拉伸切除命令作出大孔。
（2） 凸凹模
操作步骤为：1.用旋转命令作出凸凹模的外形；2.用拉伸切除命令分别在上下端面作出冲孔孔和漏料孔；3.用拉伸切除命令在下端面上作出销孔。
7.3 装配模具实体

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7.3.1 装配体
装配的概念在工程中非常重要，SolidWorks能够模拟实际工作环境，将零件进行装配合成。装配体的零部件可以包括独立的零件，也可以是其他的装配体。将一个零部件放入装配体，这个零部件才会与装配体文件产生链接的关系。装配体文件不能单独存在，要和零部件一起存放才有意义，同时对零部件文件的任何改变都会更新装配体。传统的设计方法有两种：
（1） 自下而上设计法
此为比较传统的方法。在自下而上设计中，线建立零件，并将之插入装配体，然后根据设计要求，将各个零件进行配合。它的有点是：由于零部件是独立设计的，它们的相互关系及重建行为更为简单。使用自下而上设计法可以专注于单个零件的设计工作。在不需要控制零件大小和尺寸的参考关系时，该方法较为适用。

图6.1 模具装配体

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（2）自上而下设计法
自上而下设计法从装配体中开始设计，这时两种设计方法是不同之处。使用一个零件的几何体来帮助定义另一个零件，或生成组装零件后，才添加特征。
本设计中的模具结构较为简单，故采用第一种设计法。装配体如图6.1所示。

7.3.1 干涉检查
零件装配完成以后，个别零件之间可能出现型号干涉的情况，需对装配体进行干涉检查；否则零件有可能无法安装或正常工作。需对零件重新进行装配或修改零件尺寸，直到消除干涉为止，表明各个零部件被正确安装，可以正常工作。干涉检查结果如图6.2所示。

图6.2 干涉检查

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……………………………………………………………………摘要

7.3.2 爆炸视图
爆炸视图又称为系统图或分解图，一般用于显示零件组装流程、操作手册或说明书等.如图6.3所示。

图7.3 爆炸视图

7.4 工程图
刚才图对于产品设计而言有重要作用，它是传递产品信息的规范。在3D零件制作完成以后，需要按照一定的标准绘制2D展开。
在SolidWorks中，可以直接由实体生成二维的投影图，然后再对二维图形进行诸如剖视、标注等基本操作，最终完成工程图的绘制。

结束语
本次的模具CAD/CAM课程设计，完成了对垫13 的工艺分析，确定了生产该零件所需的复合模的结构形式，通过计算得到了具体零件的尺寸。成功利用SolidWorks软件完成对各零件的三维实体件建模，并对零件进行装配得到装配体，最终由装配体生产装配图和相关的零件图。通过本次课程设计，我掌握了冷冲模设计的基本原理，熟悉了SolidWorks的操作方法。总的来说，达到了课程设计的目的和要求。

参考文献
1 王秀凤等编著.冷冲压模具设计与制造.北京：北京航空航天大学出版社，2005.4
2 江维健，林玉琼，许华昌编 .冷冲压模具设计.广州：华南理工大学出版社，2005.7
3 田嘉生，许正颜编.冲模设计基础.北京：航空工业出版社，1994.9
4 周玲编著.冲模设计实例详解.北京：划线工业出版社，2007.1

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