空心铆钉冲压模具设计.doc

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序言
当今，高速发达的制造业和先进的制造技术已经成为衡量一个国家综合经济实力和科技水平的重要标志之一。面对这一深刻的变化和严峻的形势，我们必须转变教育观念，坚持以邓小平同志提出的“三个面向”和胡锦涛同志提出的“构建和谐社会”
的思想为指导，以持续发展为主题，以结构优化升级为主线，以改革开放为动力，以全面推进素质教育和改革人才培养模式为重点，以构建新的教学内容和课程体系为核心，努力培养素质高、应用能力与实践能力强、富有创新精神和特色的应用型复合人才。
11随着国民经济的迅速发展，冷冲压模具在机械制造、电子电器及日常生活中占有越来越重要的地位。冷冲压模具已经发展成为一门产业，并促进了其他行业的发展与进步。
《冷冲压工艺与模具设计》课程设计是冷冲模课程的最后一个教学环节，也是一个重要的环节，同时是第一次对学生进行全面的模具设计训练。本课程设计是重要教学实践环节，通过课程设计培养学生独立分析和解决问题的能力，综合运用所学知识对冲压工艺进行分析计算，设计冲压模具，进一步提高学生利用相关的技术资料、运算、绘图能力。其基本目的是：
1、综合运用冷冲模课程和其它有关先修课程的理论及生产实践的知识去分析和解决模具设计问题，并使所学专业知识得到进一步巩固和深化，提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力。
2、学习模具设计的一般方法，了解和掌握常用模具整体设计、零部件的设计过程和计算方法，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，特别是总体设计和计算的能力。
3、通过计算和绘图，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料等，培养模具设计的基本技能。
4、为工程实际的模具设计打下良好基础。

目录
一、产品图……………………………………………………………………………3
二、制件的工艺形分析………………………………………………………………4
三、工艺方案的确定…………………………………………………………………4
1、计算坯料直径……………………………………………………………… 4
2、计算拉深件的工件尺寸…………………………………………………… 4
3、工艺方案…………………………………………………………………… 8
四、落料与首次拉深工序力的计算…………………………………………………9
1、落料力………………………………………………………………………… 9
2拉深力与压料力………………………………………………………………… 9
3、初选压力机标称压力………………………………………………………… 10
五、模具工作部分尺寸的计算………………………………………………………10
1、拉深凸、凹模间隙……………………………………………………………10
2、落料凸模、凹模的刃口尺寸计算………………………………………… 10
3、拉深凸、凹模圆角半径…………………………………………………… 11
4、凸、凹模工作尺寸及公差……………………………………………………11
5、凸模通气孔………………………………………………………………… 12
六、拉深凸凹模结构……………………………………………………………… 12
1、凹模厚度…………………………………………………………………… 12
2、凹摸壁厚…………………………………………………………………… 12
3、凸模固定板厚度…………………………………………………………… 12
七、模具的总体设计……………………………………………………………… 13
八、压力机的选择………………………………………………………………… 14
九、模具零件设计………………………………………………………………… 15
心得体会…………………………………………………………………………… 17
参考文献………………………………………………………………………………18
附录………………………………………………………………………………… 19

一、产品图
1、题目
空心铆钉模具设计
2、原始数据
零件名称：空心铆钉拉深件
冲压材料：Q235，材料厚度t=1.0mm
零件图：如图1
生产批量：大批量

图1

二、制件的工艺分析
该零件结构简单，规则对称的有凸缘圆筒形件，要内形尺寸的直径为30.0mm，料厚为t=1.0mm，没有厚度不变的要求，且该件底部圆角半径r=3mm＞t=1mm，凸缘处的圆角半径r=3mm>2t,满足拉深工艺对形状和圆角半径的要求；查《课程设计》P184表8.14可知未注尺寸公差，满足拉深工艺对精度等级的要求，零件所用的材料为Q235的拉深工艺性较好，易于拉深成形。
综上所述，该零件的拉深工艺性较好，可采用拉深工序加工。

三、工艺方案的确定
该工件包括落料、冲孔两个基本工序，可有以下三种工艺方案：
方案一：先落料，后冲孔。采用单工序模生产。
方案二：落料—冲孔复合冲模。采用复合模生产。
方案三：冲孔—落料级进冲模。采用级进模生产。
方案一结构简单，但需要两道工序两副模具，成本高生产效率低，难以满足大批量生产的要求。
方案二只需要一副模具，工件精度及生产效率都教高。
方案三也只需要一副模具，生产效率高，操作方便，但是制造精度不如复合模。
通过对上述三种方案的分析比较，该件的冲压声场采用方案二为佳，即复合模。

四

1、计算毛坯直径
1）、确定修边余量
D/d=50/30=1.67
查《冲压模具设计师手册》P2-228表9-7得到修边余量为2.
故实际凸缘直径d=50+2x2=54.0mm
2）、毛坯直径
由《冷冲模课程设计与毕业设计指导》P77表4.4序号11的公式
D=

如上图所示结合实际的工件可以得到数值如下：
d1=24 d2=31 h=1 d3=38 d4=54 R=r=3.5
D=
=59.45mm（为了方便加工取D=60mm）
2、计算拉深件的工件尺寸
1）、判断可否一次拉深
根据==0.258 , ==1.742 , ==1.67%
查《冲压模具设计师手册》P2-226表9-可知的取值是0.46，大于==0.258。
2）、确定拉深系数
根据==0.52，由《冲压工艺及模具设计》P175页表5-5得极限拉伸系数
Mf =0.46+(1.5%～2.0%)0.46

=0.467～0.469
取Mf =0.468 由=﹥Mf，所以可一次拉深

故零件可以一次拉深成型。

3）、计算各工序圆角半径

1、凹模圆角半径
工序的圆角半径与拉深模的寿命息息相关，当圆角半径rd较小时，材料对凹模的压力增加，摩擦力增大，磨损加剧，使模具的寿命降低。因此在生产上一般应尽量避免采用过小的凹模圆角半径，在保证工件质量的前提下尽量取大值，以满足模具寿命的要求。查《冲压工艺及模具设计》P204公式5-51：
rd=0.039d+2
≈3mm
式中：d——筒直径大小
所以取rd=3mm
2、凸模圆角半径
查《冲压工艺及模具设计》P206可知
rp=r=3mm
7）、工艺方案
根据上述计算结果，本零件需要落料（制成φ60.0mm的坯料）、一次拉深和切边（达到零件零件要求的凸缘直径φ50mm）共三道冲压工序。考虑该坯料直径φ60.0mm与圆筒直径φ32mm的差值相差较大，为了提高生产效率，可将坯料的落料与拉深复合。因此该零件的冲压工艺方案为落料拉伸→切边。

四、落料与拉深工序力的计算
1）、落料力
由《冲压工艺及模具设计》P56公式3-24
F=Ltσb
式中：F——落料力；
L——落料边的长度；
t——材料厚度；
σb——材料的强度极限；
查《冲压模具设计和加工计算速查手册》P115表2-86 Q235的强度极限σb=375～500Mpa，取σb=450 Mpa因此落料力为：
F= KLtσb ==84.0KN（ K取1.3）
板料厚度t=1.0mm,可以采用弹性橡胶卸料板卸料。

2）、拉深力与压料力
①拉深力
由《冲压工艺及模具设计》P184公式5-28
FL=Kπdtσb
式中：d——拉深件中性层直径；
t——料厚；
K——修正系数，与拉深系数有关。m愈小，K愈大。
查《冲压工艺及模具设计》P184表5-10，可得K=1mm，故拉深力为：
FL= Kπdtσb =13.14311450≈43.08KN
②压料力
由《冲压工艺及模具设计》P182公式5-26
FY=Ap
式中：A——压边面积（mm2）;
P——单位面积上的压边力（Mpa）
查《冲压工艺及模具设计》P182表5-9，可得p=2.0 Mpa。
FY=Ap
=p
=
=3.3KN
3)、初选压力机标称压力
确定机械式拉深压力机时必须注意，当拉深工作行程较大，特别是采用落料拉深符合工序时由于滑块的受力行程大于压力机的标称压力行程（即曲柄开始受力时的工作转角α大于标称压力角），必须使落料拉深力曲线位于压力机滑块的许用负荷曲线之下，而不能简单地按压力机标称压力大于拉深压力（或拉深力与压料力之和）的原则去确定规格。
实际生产中可以按下式初步确定拉深工序所需压力机标称压力：
Fg≥(1.8－2.0)( FL + FY)N
因此有 Fg≥1.8(43.8+3.28)=84.74KN
由于此复合模工作时落料工序与拉深工序是先后进行的,并未产生落料力和拉深力的叠加。按落料力初选的压力机标称压力位
Fg≥1.3F=109.54KN
综合以上两个方面，初步确定所需压力机的标称压力：Fg≥109.54KN。

五、排样设计

1） 规格查《冲压模具设计师手册》P1-11表2-4（GB/T708-2006）
采用长宽规格为2800x1500的Q235钢板。
2）剪切方式可以采取横切方式，以宽作为其总的排样长度那么L=1500 mm。
3）排样方式及利用率的计算
查《冲压工艺及模具设计》P49图3-11
由C≥（1～1.5t）取C=t=1mm
式中：C——搭边值；
t——板厚。
所以排列排样图如下：

根据钢板的规格选材，总的材料利用率：
ϑ总=×100%

式中 n——一张板料上的冲裁数目；
A——一个冲裁件的实际面积；
B——板料的宽度；
L——板料的长度。

根据实际的计算和参考可知在规格2800x1500的Q235钢板上，可以横向B上取20个毛配件，在纵向L上可以切得45块条料。所以n=20×45=900个。
所以：ϑ总==×100%
=59.45%

五、模具工作部分的尺寸计算

1、拉深凸、凹间隙
查《冲压工艺及模具设计》P206表5-55,5-18，可得其拉深间隙z：
Z=tmax+kt
=1+0.21
=1.2mm
查《冲压工艺及模具设计》k取0.2
式中：z——单边间隙；
t——材料厚度；
k——间隙系数。
2、落料凸、凹模刃口尺寸计算
圆形凸模和凹模可采用分开加工。
落料前的毛坯未注公差尺寸的极限偏差，故取落料件的尺寸公差为Ф59.45 ㎜查《冷冲压模具设计》P49公式3-3，可得：
D凹=（D-x*△）δ凹
D凸=（D凹-Zmin）=( D - x*△- Zmin)-δ凸
式中: D凹、D凸——落料凹模和凸模的基本尺寸；
D——落料件的最大极限尺寸；
△ ——冲裁件的公差；
X——磨损系数，其值应在0.5-1之间，与冲裁件精度有关。可直接按冲裁件的公差值由《冷冲压模具设计》P50表3-6查取或按冲裁件的公差等级选取：
当工件公差等级为14级或以下时，取x=0.5.
由已知可得：该工件的公差等级为14级，所以x=0.5，△=0.74；查《冲压工艺及模具设计》P41表3-4得Zmin=0.1;查《冲压工艺及模具设计》P40表3-3得
δ凹=+0.03，δ凸=-0.02，
校核间隙：
｜δ凹｜+｜δ凸｜=（0.03+0.02mm=0.05mm﹥Zmax- Zmin
=0.04mm
说明所取得凸、凹模公差不能满足｜δ凹｜+｜δ凸｜≤Zmax- Zmin但是相差不大，可以调整如下：
δ凹=+0.02，δ凸=-0.01
所以
D凹=（60-0.5x0.74）=59.63
D凸=（59.63-0.1）=59.53
3、拉深凸、凹模圆角半径
由前所述计算，凹模圆角半径RA=3.0mm，凸模圆角半径RT=3.0mm
4、拉深凸、凹模工作尺寸及公差
当工件的外形尺寸及公差有要求时，如图2所示:

图2
其以凸模为基准，应先确定凸模尺寸。因凸模尺寸在拉深中随磨损的增加而逐渐变小，故凸模尺寸开始时应取大些。这时，
凸模尺寸为 dp=(dmin+0.4△) -δp （《冲压工艺及冲模设计》P207公式5-58）
凹模尺寸为Dd=( dmin+0.4△+Z)δd （《冲压工艺及冲模设计》P207公式5-59）
式中： Dd——凹模的基本尺寸；
dp——凸模的基本尺寸；
△——拉伸件公差；
δd，δp——凹凸模的制造公差，
Z——拉伸模间隙

由已知可知该工件正是以凹模为基准。
查《冲压工艺及冲模设计》P207表5-19得δd=0.05，δp=0.03；查《冷冲模课程设计与毕业设计指导》P184表8.14得△=0.52，所以
dp =（30+0.52x0.4）=30.208
Dd =（30+0.52x0.4+2x1.2）=32.608
5、凸模通气孔
查《冲压模具设计手册》P224表4-58，取通气孔直径为Ф=5mm。

六、拉深凸凹模结构
1、凹模高度
按《冲压工艺及冲模设计》P76公式3-46
H=﹥15mm
取H=22.0mm
式中：P——冲裁力的大小，上述已经算出P为110KN
2、凹模周界L×B
L=6+2c
C=（1.5～2）H
取C=2H=44mm
式中：H——凹模厚度；
L——垂直送料方向的凹模宽度；
C——凹模壁厚。
代入数据得：L=6+44×2=94mm（为了合理安装凸凹模凹模周界尺寸一般要加大60～80mm的宽度）所以实际的周界尺寸取:
B=160mm
由B=160mm可以查《模具设计指导》P32表5-8
取: 沿送料方向的凹模尺寸B=160mm；
上模座厚度：40m
下模座厚度：45mm
导柱规格为：ϕ28×200mm
导套规格为：ϕ28×110×ϕ43
3、凸模高度
由于落料凹模因刃口磨损需要锋刃，高度会逐渐减小，固拉伸凸模与落料凹模给以5mm的高度差就可以了，所以凸模的高度一般情况下低于落料凹模高度5.0mm。
所以拉伸凸模的高度：
H拉=H-5.0mm
=22-5.0
=17mm
4、凸凹模高度
由《冲压模具设计和加工计算速查手册》P78公式3-47：
H1=h1+h2+h
式中： h1——凸凹模固定板厚度，凸凹模固定板厚度取和凸模一样的高度；
h2——弹性卸料装置厚度（8～10mm）；
h——增加高度（15～25mm）。
h1取23.5和凸模高度一致，弹性卸料装置高度查《模具设计指导》P55表3-9得H自=8.0mm，增加高度取20mm。
H1=17+8+20
=45.0mm

5、闭合高度
查《冲压模具设计和加工计算速查手册》P189公式4.7
H闭=上模座厚度+上垫板厚度+凸凹模高度+凹模高度+下模座厚度
在算凹模的周界值的时候已经查得了上模座的尺寸h1=40mm，下模座的尺寸h2=45mm。查《冲压模设计指导》 P178表5-47，上垫板的厚度为h=6mm，凸模长度为17m，凸凹模具高度45.0mm。所以：
H=40+45+6+45+22
=158.0mm

六、压力机、模架选型
1）、选择压力机
由第四步的拉伸力和冲裁力的大致计算得到初步的压力机标准压力Fg≥109.54KN。查《模具设计指导》P106表4-33取标称压力为160KN的开压力机。
滑块离下止点距离：5mm
滑块行程：70mm
行程次数：115次/min
模柄孔尺寸（直径/mm×深度/mm）: ϕ30×50

2）、选择模架
由于后侧导柱模架具有工作面敞开，适合大件边缘冲裁，对于小型件的生产采用可以起到提高效率的作用所以此次设计选后侧导柱模架。
查《模具设计指导》 P132表5-8得到滑动导向后侧导柱模架规格如下：
上模座(GB/T2855.5-1990)厚度：40m
下模座(GB/T2855.6-1990)厚度：45mm
导柱（GB/T2861.1-1990）规格为：ϕ28×200mm
导套(GB/T2861.6-1990)规格为：ϕ28×110×ϕ43
七、结构零件的设计
附表如下：

七、模具的总体设计
模具的总装配图如图3所示。因为压料力不大（FY=0.22KN），故可在单动压力机完成。本模具采用正装式结构，即落料拉深凸凹模安装在上模，利用刚性卸料板卸去废料，同时卸料板也起导尺作用，条形坯料可用导尺和固定挡料销定位；拉深结束后，由打料块将卡在凸凹模内的工件推出。

模具的主视图

模具的俯视图

序号
名称
数量
材料
热处理
1
螺母
2
45钢
40-45HRC
2
托板
1
45钢
40-45HRC
3
弹簧
1
Q235

4
螺杆
1
Q235

5
顶料杆
2
45钢
40-45HRC
6
落料凹模
1
T8A
50-60HRC
7
导柱
2
20钢
58-62HRC
8
导套
2
35钢
40-45HRC
9
凸凹模
1
T8A
58-62HRC
10
打料块
1
Q235

11
打料杆
1
45钢
40-45HRC
12
模柄
1
Q235

13
螺钉
8
45钢
40-45HRC
14
上模做
1
HT200

15
卸料板
1
Q235

16
制件
1
08F钢

17
压料圈
1
45钢
35-40HRC
18
拉深凸模
1
T8A
56-60HRC
19
下模做
1
HT200

20
销钉
4
35钢
28-38HRC

八、压力机的选择
根据标称压力Fg≥4.375KN，滑块行程S≥2H工件=2x6.78mm=13.56mm，及模具闭合高度为120mm，确定选择压力机型号为JC23-3.15型开式双柱可倾式压力机。
校核过程如下：确定所选择型号压力机的滑块许用负荷图，根据工艺安排、设备参数和模具确定工作过程中对应的落料拉深力曲线，若落料拉深力曲线处于许用负荷曲线之下，则所选设备符合工作要求；若落料拉深力曲线超出许可范围，则需选择标称压力更大型号的压力机，继续以上校核过程。

九、模具零件设计

凸模

凹模

凸凹模

心得体会
本次课程设计是一周的时间，这一周的时间说长也不长，说短也不是很短，因为在这两周里面我充分利用了课堂上每一点一滴的时间，与同学讨论交流，并在老师的指导、帮助下，认真的完成了本次的课程设计。
通过这次的课程设计，让我又进一步得到提高，学到许多新知识。俗话说的好，“知识”是无限的，我应该用有限的时间去学习无限的知识。在这次的课程设计中，我也碰到了各种问题，刚开始时，计算的第一步没有用中性层来进行计算，后面的就全错，而我在计算到一半时，经常用非中性层的数值进行计算，因为这样而对题目进行的更改，而且绘图时，也会由于各种原因而进行多次修改，通过这使我更加深刻体会到细心地重要。还有通过这次的设计，再加上自己的实际的操作计算，我不但更加懂得如何去查表，同时使我对以前所学过的专业知识有了更进一步、更深刻的认识，同时也认识到了自己的不足之处。到此时才深刻体会到，以前所学的专业知识还是有用的，而且都是模具设计与制造最基础、最根本的知识。
通过这次的课程设计，我知道自己学到了很多，但最重要的还是学会了查找相关资料，找资料、查表是我们重要的一门课程，因为不会查表，后面的就无法再进行。当然，我还存在很多的不足，恳请老师批评指正，不胜感激。

参考文献
[1]刘庚武.冷冲压模具设计，西安：电子科技大学出版社，2007
[2]汤酞则，冷冲模课程设计与毕业设计指导，长沙：湖南大学出版社，2008
模具工业是国民经济的基础工业。
模具可保证冲压产品的尺寸精度和质量稳定，而且在加工中不破坏产品表面。用模具生产零件可以采用冶金厂大量生产的廉价的轧制钢板或钢带为坯料，且在生产中不需要加热，具有生产效率高、质量好、重量轻、成本低且节约能源和原材料等一系列优点，是其它加工方法所不能比拟的。使用模具已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。现代制造工业的发展和技术水平地提高，在很大程度上取决于模具工业的发展。