连接板冲压工艺与模具设计

本科毕业设计 题目： 连接板冲压工艺与模具设计

学 院: 专 业: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 日 期:

机械自动化 模具设计与制造

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摘 要

本次主要设计了一套冲孔、落料的模具。经过查阅资料，首先要对零件进行工艺分析，经过工艺分析和对比，采用冲孔落料工序，通过冲裁力、顶件力、卸料力等计算，确定压力机的型号。再分析对冲压件加工的模具适用类型选择所需设计的模具。得出将设计模具类型后将模具的各工作零部件设计过程表达出来。在设计说明书的第一部分，主要叙述了冲压模具的发展状况，说明了冲压模具的重要性与本次设计的意义，接着是对冲压件的工艺分析，完成了工艺方案的确定。第二部分，对零件排样图的设计，完成了材料利用率的计算。再进行冲裁工艺力的计算和冲裁模工作部分的设计计算，对选择冲压设备提供依据。最后对主要零部件的设计和标准件的选择，为本次设计模具零件图的绘制和模具的成形提供依据，以及为装配图各尺寸提供依据。

关键字： 冲孔； 落料； 复合模具； 冲裁模具； 冲压设备

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ABSTRACT

This design carries on blanking , the piercing progressive dies design .The article has briefly outlined the press die at present development condition and the tendency. It has carries on the detailed craft analysis and the craft plan determination to the product. According to general step which the press die designs, calculated and has designed on this set of mold main spare part, for example: The punch, the matrix, the punch plate, the backing strip, the matrix plate, stripper plate, stop pin, pilot pin and so on .The die sets uses the standard mould bases, has selected the appropriate press equipment .In the design has carries on the essential examination computation to the working elements and the press specification .In addition, this die employs the finger stop pin and the hook shape stop pin .The mold piercing and blanking punch are fixed with the different plates separately in order to coordinate the gap conveniently ; The piercing matrix and blanking matrix are fixed by the overall plate.

Key words: Piercing； Bending； Press mold； Punch mold； Press mold

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目 录

1 绪论...................................................................1 1.1 课题的研究目的和意义...............................................1 1.2 文献综述...........................................................2 1.2.1 我国模具工业的现状和模具技术的发展趋势........................ 2 1.2.2 我国模具钢的发展情况...........................................3 1.2.3 模具CAD/CAE/CAM技术...........................................4 1.2.4 先进模具制造技术...............................................5 1.3 设计内容...........................................................6 1.4 本章小节...........................................................7 2 模具冲压工艺分析.......................................................8 2.1 冲裁件的形状和尺寸应满足以下要求...................................8 2.2 冲裁件的精度与端面粗糙度...........................................8 2.3 材料的冲压性能分析.................................................8 2.4 材料的冲压性能分析.................................................9 3 冲裁方案的确定与排样..................................................10 3.1 冲裁方案的分析和确定..............................................10 3.2 模具的结构形式....................................................10 3.3 工序及排样图设计..................................................10 3.3.1 排样设计......................................................10 3.3.2 材料的利用率..................................................11 3.4 本章小结..........................................................12 4 冲裁模（冲孔落料复合模）分析计算.......................................13 4.1 冲裁力的计算......................................................13 4.2 卸料力，推件力和顶件力的计算......................................13 4.3 冲裁工艺力的计算和冲压设备的选择..................................14 4.4 模具压力中心的确定................................................14 4.5 冲裁模刃口尺寸及公差的计算........................................15 4.6 冲裁刃口尺寸的计算................................................15 4.6.1 落料刃口尺寸及公差的计算......................................15 4.6.2 冲孔刃口尺寸及公差的计算......................................16 4.6.3 孔心距........................................................17 4.7 本章小结..........................................................18 5 冲裁模的结构设计......................................................19 5.1 模具总体结构......................................................19 5.2 工作零件的设计....................................................19 5.2.1 凹模的结构设计................................................19 5.2.2 冲孔凸模的结构设计............................................20 5.2.3 模具主要零件的强度校核.........................................20 5.3 定位零件的设计....................................................21 5.3.1 挡料销........................................................21 5.3.2 导正销........................................................21

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5.4 卸料装置设计......................................................22 5.4.1 弹性卸料板的设计..............................................22 5.4.2 卸料螺钉的选用................................................23 5.5 模架的选用........................................................24 5.5.1 模座..........................................................24 5.5.2 导向零件.....................................................24 5.6 连接与固定零件...................................................26 5.6.1 模柄........................................................26 5.6.2 凸模固定板..................................................26 5.6.3 螺钉与销钉..................................................27 5.6.4 垫板........................................................27 5.7 本章小结........................................................27 6 模具零件的固定方法..................................................28 6.1 凸模的固定......................................................28 6.2 凹模的固定......................................................28 6.3 导柱导套的固定..................................................28 6.4 模柄的固定......................................................28 6.5 本章小结........................................................29 设计小结...............................................................30 参考文献...............................................................31 致谢...................................................................33

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1 绪论

本次设计的内容是连接板冲压模具。需要成形的工件零件图如图1.1所示。板料厚度t=2mm，材料为08F钢。

图1.1 连接板工件图

1.1 课题的研究目的和意义

模具是一种技术密集、资金密集型产品，在我国国民经济巾的地位也非常重要。模具工业已被我国正式确定为基础产业，并在“十五”中列为重点扶持产业。模具技术涉及新技术、新工艺、新材料、新设备的开发与推广应用，是一门技术综合性强的精密基础工艺装备技术，是冶金、材料、理化、计量、摩擦与润滑、机电一体化、计算机等多门学科以及铸、锻、热处理、机加工、检测等诸多工种共同打造的系统工程[1]。由于新技术、新材料、新工艺的不断发展，促使模具技术不断进步，对人才的知识、能力、素质的要求也在不断提高。用模具生产制品所表现出来的高效率、低消耗、高一致性、高精度和高复杂程度是其他任何加工制造方法所不及的。由此可见，模具制造业已成为与高新技术产业互为依托的产业，模具工业技术水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一[1]。当前，我国的模具工业正处于从传统作业模式向现代化生产进行跨越的关键阶段，认清我国模具工业的发展现状与现代模具技术发展趋势必将有利于寻求适合我国国情的模具工业发展思路。

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本次毕业设计的任务是连接板冲压工艺与模具设计，通过本次设计不仅使学生了解冲压件的结构工艺性和模具结构设计之间的关系，还可以掌握模具设计的步骤与方法。同时，设计过程本身对于我们模具专业的学生来说就是一种挑战，是一种创新，也是对自己所学知识的一次检验，对我们的设计能力和经验的积累也是有利的。还有助于我们巩固书本上所学到的理论知识，加深对专业知识的理解，将理论知识与实际生产紧密联系起来，可以大大提高我们的综合能力，为将来的工作打下良好基础。

1.2 文件综述

1.2.1 我国模具工业的现状和模具技术的发展

模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备, 具有生产效率高、材

料利用率高、制件质量优良、工艺适应性好等特点。模具技术集合了机械、电子、化学、光学、材料、计算机、精密监测和信息网络等诸多学科，是一个综合性多学科的系统工程，被广泛应用于汽车、机械、航天、航空、轻工、电子、电器、仪表等行业。2005 年中国模具工业产值达到610 亿元,增长率保持在25%的高水平, 行业的生产能力约占世界总量的10% , 仅次于日本、美国而位列世界第三[3] 。除了国有专业模具厂外, 广东的中外合资和商独资模具企业现有几千家, 乡镇企业也快速崛起; 江苏昆山建成了模具工业群; 浙江黄岩被誉为“模具之乡”。中国模具的“珠江三角洲、长江三角洲和以成都/重庆为代表的西部模具”三足鼎立局面已经基本形成[4]。然而,与国际先进水平相比, 中国的模具行业的差距不仅表现在精度差距大、交货周期长等方面, 模具寿命也只有国际先进水平的50%左右,大型、精密、技术含量高的轿车覆盖件冲压模具和精密冲裁模具, 每年都需要花费大量资金进口。

模具技术的发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济的方向发展，模具产品的技术含量不断提高，模具制造周期不断缩短，模具生产朝着信息化、无图化、精细化、自动化的方向发展，模具企业正向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化的方向发展。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。我国模具行业今后仍需提高的共性技术有：

(1) 建立在CAD/ CAM/ CAE平台上的先进模具设计技术，提高模具设计的现代化、信息化、智能化、标准化水平。

(2) 建立在CAM/CAPP基础上的先进模具加工技术与先进制造技术相结合，提高模具加工的自动化水平与生产效率。

(3) 模具生产企业的信息化管理技术。例如PDM（产品数据管理）、ERP（企业资源管理）、MIS（模具制造管理信息系统）及INTERMET平台等信息网络技术的应用、推广及发展。

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(4) 高速、高精、复合模具加工技术的研究与应用。例如超精冲压模具制造技术、精密塑料和压铸模具制造技术等。

(5) 提高模具生产效率、降低成本和缩短模具生产周期的各种快速经济模具制造技术。 (6) 先进制造技术的应用。例如热流道技术、虚拟技术、纳米技术、高速扫描技术、逆向工程、并行工程等技术在模具研究、开发、加工过程中的应用。 (7) 原材料在模具中成形的仿真技术。 (8) 先进的模具加工和专有设备的研究与开发。 (9) 模具及模具标准件、重要辅件的标准化技术。 (10) 模具及其制品的检测技术。

(11) 优质、新型模具材料的研究与开发及其正确应用。 (12) 模具生产企业的现代化管理技术。

模具生产制品所表现出来的高效率、低消耗、高一致性、高精度和高复杂程度是其他任何加工制造方法所不及的。由此可见，模具制造业已成为与高新技术产业互为依托的产业，模具工业技术水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。

1.2.2 我国模具钢的发展情况

随着我国模具制造业的快速发展，模具市场日趋旺盛，需求不断增长，为国内模具钢市场注入了活力。模具钢价格也随之逐渐稳步上升，成为优钢市场的一个亮点[5 ]。据统计，75％的粗加工工业产品零件、50％的精加工零件由模具成型；家用电器行业的80％零件、机电行业的70％以上零件也都要靠模具加工；建材制品、塑料制品、陶瓷制品的大部分亦采用模具成型。据测算，模具所用钢材在模具工业总产值中占近20％。我国模具钢产业存在的问题模具钢品种、规格不全，低档次较多，高档次较少。高质量、高性能模具钢的品种少，尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷等专用的非金属制品模具钢系列。扁钢、模块、精料制品比例比较低，钢材的利用率较国外低10％左右。另外，为满足制造大型、精密、复杂、高寿命的模具的需要，国外发展预硬化钢，而国产钢基本上停留在退火阶段，或热轧状态供货，并且供货周期较长，这是我国家电行业大量进口模具钢的主要原因[6]。

同时，模具钢的专业化生产程度较低。中国模具钢分散在十几个企业生产，大部分生产厂家的生产工艺装备落后且不配套，特别是后部工序，深加工设备落后，从而制约国产模具钢质量的提高和性能的稳定。

我国与国际先进水平的差距主要体现在： （1） 冷作模具钢

目前我国冷作模具钢只有Cr12、Cr12MoV、CrWMn钢。我国的Crl2MoV钢中，钼和钒的含量较低，比D2钢综合性能差。CrWMn含碳量较高，且不含钒，容易产生

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严重的网状碳化物，影响使用性能。随着冷冲压制品向高精度、高效率、多品种发展，要求模具钢具有耐磨性和较高的韧性，因此，一些国家己开发出D2等钢种，如日本、瑞典等开发了SHD11 (D2)、XW～42(D2)、FT32(D)以及A2、01，W 1等钢种[7]。而这些新钢种基本覆盖了冷作模具钢用材。 （2） 热作通用型模具钢

国产热作通用型模具钢种中只有2个钢号。而国外除了有6个通用型钢种外，还新发展了OR090系的YHD3，H26等[8]。为提高热作模具钢的热强性、抗回火稳定性和韧性，瑞典开发的QR0905新钢种，在提高稳定性与韧性的同时，使合金元素的含量更趋合理，被称之合金含量与成本价格最佳配合的钢种。日本开发的DH12钢，改善了钢的高温力学性能，以适应大批量生产铝合金压铸模。 （3） 塑料模具钢

塑料模具钢的差距则更大。目前在国家标准中仅1个钢号，而美国有7个钢号，且形成了较完整的用钢系列。日本现在的塑料模具钢己占模具钢产量中的首位，主要品种有非合金塑料模具钢，预硬型塑料模具钢、镜面塑料模具钢、耐腐蚀塑料模具钢等。据国内外塑料模具技术比较显示，国外的淬火钢模具寿命在160万-300万次，国内只有50万-100万次；非淬火钢模具寿命，国内也只是国外的一半。我们的模具生产企业希望国内钢厂研制开发用于塑料模架的$48C、$50C；用于高镜面塑料模具的PMS、18Ni；用于易切削塑料模具的5NiSCa；用于通用塑料模和镜面度较高的预硬塑料模的SM1、SM2；用于高镜耐触塑料模的PCR、PCL等新型模具钢。此外，还需开发无磁模具钢、高温玻璃模具钢等特种。

1.2.3 模具CAD／CAE／CAM技术

现代经济的飞速发展，推动了我国模具工业的前进。CAD／CAE／CAM技术的日臻完善和在模具制造上的应用，使其在现代模具的制造中发挥越来越造的必然趋势[9]。

计算机辅助设计／辅助制造（CAD/CAM）技术发展至今已较完善。随着技术的发展，CAD/CAM 技术在模具的生产中，将普遍采用经过市场调查及其周密的研究，进行生产决策，下达生产计划及实施措施，紧接着模具开发设计者使用模CAD 工作站，完成模具设计中的造型、计算、分析以及绘制工程图，而且可在设计阶段对产品性能进行评价，可使设计者从繁重的绘图中解放出来，能有更多的时间作创造性的工作[10]。

在模具制造过程中引入CAD/CAM 系统后，对于冲压模具而言，不需要再使用主模型和靠模，加工精度也得到了提高。例如加工公差要求很严且主要型腔面磨削后需手工抛光的模具时，用CAD 数据进行加工比用主模型和靠模的效果好，其主要差别是对尺寸的控制从根本上得到了改善。通常的方法是用CAD 数据精确地加工出模具的主要型腔表面，然后将其他零件与主要型腔面进行配合加工[11]。目前，各种CAD/CAM 软件可以帮助模具工程师进行模具设计和生成CNC 机床的刀具轨迹，并且还可以提供用于改进铸造品

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质的有限元分析和模具的热性能分析。

随着现代化技术的迅速发展，模具在国民经济发展过程中将处于越来越重要的地位。针对模具CAD/CAM/CAE 存在的问题，总结其发展趋势主要有以下几个方面： （1）标准化

CAD 软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD 系统支持异构跨平台的环境问题[12]。 （2）网络化与协同设计

近年来， 模具工业规模的不断扩大和Internet 技术的不断完善，公司之间的协作不断的加强。 （3）开放性

CAD/CAM/CAE 系统目前广泛建立在开放式操作系统Windows 和高讲课的效率和教学效果[13]。

CAE 是以计算机软件为工具, 以仿真为手段, 帮助使用者进行流动模拟和冷却分析, 为模具设计与制造提供更科学、更合理的依据。计算机与设计者的交互作用, 更有利于发挥人的经验和直觉分析的能力, 使模具设计与制造水平大大提高。利用这一技术, 可以减少试模、修模次数, 在提高生产率的同时, 还能够帮助企业节省原材料, 缩短生产准备时间, 加快产品的更新换代。目前模具CAE 软件主要在塑性成形CAE 软件和注射成形CAE 软件两个方向得到了较快的发展。

1.2.4 先进模具制造技术

(1)快速原型制造, 简称RP技术是世纪年代后期发展起来的一种高新制造技术, 它将现代计算机技术、激光加工技术及新材料技术集于一体,其原理是根据对三维CAD电子模型进行分层切片处理,得到一系列的二维截面轮廓, 然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料, 得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体[15]。

RP与RT技术的结合将是传统快速制模技术进一步发展的方向。快速模具主要应用于注塑模、冲压模、铸模等方面, 其制造工艺方法主要有间接制模和在系统上直接制模两种。RPM技术与陶瓷型精密铸造相结合, 为模具型腔精铸成型提供了新途径。应用RP/RT技术从模具的概念设计到制造完成, 仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右,因而具有广阔的发展前景。

(2)高速铣削是目前切削技术中应用最多的一种工艺技术, 是一种以高主轴转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的高效、高精度、高表面质量的数控加工方式[15]。高速铣削具有工件温度低、切削力小、加工平稳、质量好、效率高（为普遍铣削加工的5-10倍）及可加工硬质材料(硬度不低于HRC60)等诸多优点, 因而在模具加工中日益受到重视。高速铣削机床(HSM)一般主要用于大、中型模具加工,如汽车覆盖件模具、变速箱体压铸模、大型注塑模等曲面加工, 其加工精度可以达到0.01mm。

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瑞士米克朗公司UCP710型五轴联动加工中心,其机床定位精度可达8, 自制的具有矢量闭环控制电主轴, 最大转速为4200r/min。意大利RAMBAUDI公司的高速铣床, 其加工范围达2500mm*5000mm*180mm, 转速达20500r/min, 切削进给速度达20m/min。目前, 国外高速加工机床主轴最高转速已经超过100000r/min, 快速进给速度可达到120m/min, 换刀时间可减少到1～2s。

(3)反向工程RE, 也称逆向工程或反求工程, 是从现有的模型(产品样件、实物模型) 经过一定的手段转化为概念模型和工程设计模型, 如利用三坐标测量机的测量数据对产品进行数学模型重构, 或者直接将这些离散数据转化成NC程序进行数控加工而获取成品的过程, 是对已有产品的再设计、再创造过程。

反向工程的几何实现过程, 是从模型数字化的实现过程开始的, 往往适对已有产品的仿制或作局部有限的改动, 其难点和关键在于模型的重构技术：1）对于规则几何体为主的产品, 可采用手工测绘或利用一些辅助设备如三坐标测量仪等对几何关键点进行测量, 得出产品的几何表达。2）对于以不规则的自由曲面为主的产品, 目前一般的方法是利用三坐标测量机对产品进行扫描, 再借助CAD/CAM系统软件对扫描的点云(形象的表达出点的数量)数据进行处理, 最后重构出满足一定几何精度的新产品的数学几何模型。3)利用逆向工程技术可以充分吸收国外先进的设计制造成果, 使我国的模具产品设计立于更高的起点, 同时加速某些产品的国产化速度, 在这方面逆向工程技术均起到不可替代的作用。

(4)模具材料是模具工业的基础, 表面工程技术可在一定程度上使模具材料满足模具较高综合性能的要求。随着模具工业的快速发展, 对模具材料的数量、质量、品种和性能等方面提出了更高更新的要求。模具工业要上水平, 材料应用是关键。因选材和用材不当, 致使模具过早失效, 大约占失效模具的40%以上。在模具材料方面常用的冷作模具钢有CrWMn、Cr12、Cr12MoV和W6Mo5Cr4V2, 新型冷作模具钢有60Nb、O12A1、CG-2、CD、GD、GM等常用新型热作模具钢有美国H13、瑞典QRO80M、QRO90SUPREME等常用塑料模具用钢有预硬钢（P20、SM1B30）、时效硬化型钢（P21、PMS、SM2、日本NAK55等）、热处理硬化型钢（MnCrWV、日本S-STAR、瑞典-胜百S-136等）、粉末模具钢(日本DEX40等)多工位精度冲模硬质合金(YG20、YG25等)以及钢结构硬质合金(TLMWO、GW50等)。

在模具表面处理方面, 主要趋势是：由渗人单一元素向多元素共渗、复合渗(如TD法)发展；由一般扩散向CVD、PVD、PCVD、离人渗人、离子注人等方向发展；可采用的镀膜有TiC、TiN、TiCN、TiAN、CrN、Cr7C3、W2C等, 同时热处理手段由大气热处理向真空热处理发展。另外, 激光强化、辉光离子氮化技术也日益受到重视。

1.3 设计内容

连接板冲压工艺与模具设计内容如下:

(1) 分析冲压零件的工艺性，制定冲压工艺方案

根据设计题目，分析冲压零件成形的结构工艺性

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冲压工艺方案制定 (2) 冲裁方案的确定与排样

排样：冲件在条料、带料或板料上的布置方法

进行排样时应考虑：排样原则、搭边值、材料利用率等 (3) 确定冲压模具类型及结构形式

设计思路：1) 照着零件图画凸、凹模结构

2) 考虑条料如何进入模具；零件如何成形；零件、废料及条料如何

排出来；找典型的结构来实现

3) 有标准件的尽量采用标准件 (4) 进行模具工艺计算

1)计算毛坯尺寸，合理使用材料 2)排样设计计算 3)计算冲压力 4)计算模具压力中心

5)计算凸、凹模刃口尺寸和各工作部分尺寸 6)计算模具各主要零件的外形尺寸，及卸料厚度等 (5)冲压设备选用

根据冲压力、模具闭合高度、模架大小等选择压力机类型、型号和规格 绘制总装配图和模具零件图 编写设计论文

设计总结及答辩

1.4 本章小结

本章首先介绍了课题的研究意义和目的；其次介绍模具行业的现状、发展趋势及先进技术等；最后介绍了本次设计的内容和步骤。通过这三项内容，对本次设计有了初步的设计思路，便于之后的设计。

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2 零件冲压工艺分析

冲压件的工艺性是指冲压件对冲裁工艺的适应性。一般情况下对冲裁件的工艺性影响最大的是制件的结构形状，精度要求，形位公差及技术要求。良好的工艺性应保证材料消耗少，工序数目少，并使模具结构简单且寿命长，产品质量稳定，操作方便安全等。通常对工件的工艺影响最大的是几何形状尺寸和工艺要求。

2.1 冲裁件的形状和尺寸应满足以下要求

①冲裁件的形状应尽可能简单，对称，避免形状复杂的曲线，本次设计的工件形状简单，结构对称，没有复杂曲线，故符此形状方面的要求。

②冲裁件内外形转角处要尽量避免尖角，而以圆弧过度，以便于模具加工，减少热处理和冲压时候的开裂，减少冲裁时候尖角处的崩刃和过快磨损。冲裁件的一般圆角半径R应大于或等于板厚t的一半，即R?0.5t。在同种材料相同的情况下外形上的圆角半径值可比内形上的圆角半径值小10%～20%。本次设计工件无尖角，便于模具的加工，减少了尖角处的崩刃和磨损，冲裁件的圆角半径R=8?0.5t=1，故冲裁件的尺寸满足要求。

③冲裁件的凸出悬臂和凹槽宽度不宜太大，以免凸模折断，而本次设计的工件无凸出悬臂。

④冲孔尺寸不宜过小，否则凸模强度不够。本次设计中最小冲孔尺寸φ12，材料为8号钢满足d?t的最小冲孔尺寸要求。

⑤ 冲裁件的孔与孔之间，孔与边缘之间的距离不应过小，否则冲裁件的质量不能保证，会产生孔与孔之间的材料扭曲，或使边缘材料变形。本次设计的工件只有一个中间孔，因此能够满足材料不发生扭曲变形的要求。

2.2 冲裁件的精度与端面粗糙度

冲裁件的经济精度一般不高于IT11级，最高可达IT8~IT10级冲孔比落料的精度约高一级。本次设计零件图上的所有尺寸均未注公差，属于自由尺寸。故本次设计中按IT14级确定工件的偏差，以外形尺寸按基轴制内行尺寸按基孔制以及定位尺寸取其中间偏差，各尺寸偏差为：58-0.74、38-0.26、30-0.52、16-0.44、Ф3.5+0.3、14+0.22、17+0.22。断面粗糙度只要不影响工件的使用和装配，取其自然的断面粗糙度，即Ra=12.5～50,最高Ra=6.3[16]。

2.3 材料的冲压性能分析

材料为8号钢，其主要性能为：?s=175Mpa，?b=295Mpa，延伸率?=35%，断面收缩

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率ψ=60%，塑性良好，适合于进行冲压和焊接。

2.4 本章小结

本章主要对冲压件进行工艺分析，了解其主要性能，这样才能正确的设计冲裁工艺和模具，控制冲裁件质量。良好的工艺性可以用最少的材料，最少的工序数和工时，结构简单、长寿命模具稳定的获得合格冲件。

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3 冲裁方案的确定与排样

3.1 冲裁方案的分析与确定

该工件包括落料、冲孔2个基本工序，可有拟出以下四种工艺方案： 方案一：先落料后冲孔 方案二：先冲孔后落料

方案三：冲孔、落料一次复合冲裁 方案四：冲孔、落料连续冲裁模

若采用方案一、方案二，工序分散，则生产率低，工件尺寸的累积误差大，而且还会影响到孔的定位精度。

若采用方案三，冲裁时结构紧凑，生产率较高，冲出制件精度高、平整。但是，模具结构复杂，制造难度大，成本较高；而且操作不安全，需要采取安全措施。

若采用方案四，采用工序集中原则，生产率要比复合模高，可保证零件的尺寸精度和孔的定位精度。而且可以减少模具和设备的数量，容易实现自动化，操作比较安全。

3.2 模具的结构形式

由于工件尺寸精度要求不高，形状不大，而且是大批量生产这个特点。为了保证孔的精度及冲模的生产率。通过以上四种方案的比较后，采用方案四。根据方案四来决定采用导正钉进行定位，刚性卸料装置，自然漏料方式的连续冲裁模具的结构形式。

3.3 工序及排样图设计

3.3.1 排样设计

排样设计是指冲压件在条料或板料上的布置方法。合理的排样和选择适当的搭边是降低成本和保证制件质量和模具寿命的有效措施。本次设计零件的外轮廓尺寸为58×30，为保证制件精度，提高材料的利用率，尽量减少废料，模具可采用直排有废料的排样方法，排样图如图3.1：

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图3.1 排样图

(1) 确定搭边值 查表（《冲压工艺与模具设计》中P48表2.5.2），取搭边值：工件间a1=2mm；侧向搭边值a=1.5mm。 (2) 确定条料的步距

步距：S=15+15+2=32mm 宽度：B=58+2×1.5=61mm

(3) 条料的排样图 根据以上资料画出排样图，如图3.2：

图 3.2 排样图

3.2.2 材料的利用率

排样的目的是为了在保证制件质量的前提下，合理利用原材料，衡量排样经济性，

衡量排样经济性，合理性的指标是材料的利用率，一个进距内材料的利用率?的计算公式为：

??A?100% （3.1） BS 式中： A—冲裁件面积

S—条料宽度 B—步距

故： 材料的利用率

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??

A?100%= 93.6% BS3.3 本章小结

本章主要介绍了冲裁工艺方案的确定和排样。对于一个冲件，可以有多种工艺方案。必须对这些方案进行比较，选取在满足冲裁件质量与生产率的要求下，模具制造成本较低、模具寿命较长、操作方便、安全性高的工艺方案。

合理的排样是提高材料利用率、降低成本，保证冲件质量及模具寿命的有效措施。 利用率：

??

A?100% BS- 12 -

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4 级进模（冲孔落料级进模）分析计算

4.1 冲裁力的计算

冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具的必须的数据。在冲裁的过程中，冲裁力的大小是不断变化的，冲裁力是指板料作用在凸模上的最大抗力。对于普通平刃刀口的冲裁，其冲裁力F可按如下公式计算：

F?kLt? （4.1）

式中： F—冲裁力，N；

L—冲裁件的周长， mm； t—材料厚度， mm；

?—材料抗剪强度，MPa；

k—系数（与材料性能，厚度偏差，模具的间隙波动有关，常取1.3）

由于在通常情况下?b?1.3?，故为了计算上的方便，公式可简化为：

F?Lt?b （4.2） 对本工件，σb=380MPa，t=2mm 由图知：

L1=58×2＋14×2＋π×16＝194.24mm L2=4×π×3.5=43.96mm 所以：落料力F1=194.24×2×380 =147.6KN

冲孔力F2=4×43.96×2×380

=133.6KN

4.2 卸料力，推件力和顶件力的计算

由于冲裁时材料的弹性变形和摩擦，在一般冲裁条件下，冲裁后材料将发生弹性恢复，使落料件或冲孔废料梗塞在凹模中，而板料则紧卡在凸模上，为使冲裁工作继续进行，必须将卡在凸模上的板料卸下，将卡在凹模中的工件或废料向上或向下推出。将紧卡在凸模上的料卸下所需要的力称为卸料力；将卡在凹模中的料推出所需要的力称为推件力；将卡在凹模中的料逆着冲裁方向顶出所需的力称为顶件力[17]。由经验公式可得以上推件力，卸料力和顶件力的计算公式为：

P推=nK推P (4.3) P卸=K卸P (4.4)

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P顶=K顶P (4.5) 由查表知：K推=0.04，K卸=0.05，K顶=0.06，n=4 由此计算：P推=52.3KN

4.3 冲裁工艺力的计算和冲压设备的选择

由于模具结构的不同，F的计算应根据实际情况具体分析[18]。依据设计方案采用导正钉进行定位，刚性卸料装置，自然漏料方式的冲裁工艺力为：

F= F1 +F+2 P推=147.6+133.6+52.3=333.5KN

冲床的公称压力，应大于或等于计算出的总压力的1.1～1.3倍。根据以上计算结果，结合工厂实际，冲压设备拟选J23-63开式双柱可倾压力机。

4.4 模具压力中心的确定

模具的压力中心是冲压力合力的作用点。为了避免压力机的滑块受到偏心载荷而损坏导轨及模具，就必须使模具的压力中心与滑块轴线重合。

求压力中心的方法：求空间平行力系的合力作用点。对于对称冲裁件的压力中心，均位于冲裁件轮廓图形的几何中心上。

由于该冲裁件事对称几何图形，则落料时的压力中心是O1，冲孔时压力中心是O2。如下图4.1

图 4.1 压力中心

设冲裁件的压力中心距离为O1为x，根据力矩平衡原理：

F1x=(32-x)F2 （4.6）

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算得x=6.8F2

4.5 冲裁模刃口尺寸及公差的计算

确定凸、凹模刃口尺寸的原则[19]。：

（1）设计落料模先确定凹模尺寸，以凹模为基准，间隙取在凸模上，即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得。设计冲孔模先确定凸模刃口尺寸，以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得。

（2）刃口磨损后尺寸变大，其刃口的基本尺寸应按接近或等于冲件的最小极限尺寸；刃口磨损后尺寸变小，其刃口的基本尺寸应取接近或等于冲件的最大极限尺寸。 （3）不管是落料还是冲孔，冲裁间隙一般选用最小合理间隙值。

（4）工件的尺寸公差与冲模的刃口尺寸的制造偏差原则上都应按“入体”原则标注为单向公差。所谓的入体原则是指标注工件尺寸公差时应向材料实体方向标注。但对于磨损后无变化的尺寸，一般标双向偏差。

由于冲模加工方法不同，刃口尺寸的计算方法也不同，可分为两种： 1）凸、凹模分别加工法

这种方法主要适用于圆形或者简单规则形状的工件，因冲裁此类工件的凸、凹模制造相对简单，精度容易保证，可以分别加工。

2）凸模与凹模配做法

对于形状复杂或薄板工件的模具，为了保证冲裁凸、凹模间有一定得间隙值，必须采用配合加工。此方法是先做好其中的一件作为基准件，然后以此基准件的实际尺寸来配加工另一件，使它们之间保持一定得间隙。

根据工件的形状和精度要求，本模具采用分别加工法。按照凸模与凹模尺寸确定的原则，保证保证双面间隙为0.25～0.36mm。

4.6 冲裁刃口尺寸的计算

4.6.1 落料刃口尺寸及公差的计算

落料时，落料件尺寸决定于凹模尺寸，以凹模为基准件来配作凸模，间隙取阻碍凸

模上，冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来获得。在使用过程中凹模刃口尺寸有变大、变小和不变这三种。

a.变大的有：58、38、30、16、R8

按IT14查公差表确定其公差，用基轴制标注各尺寸为58-0.74、38-0.26、30-0.52、16-0.44、8-0.12. 计算公式为：

Ad=(Amax－X△)+ó （4.7）

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式中：Ad—落料凹模刃口尺寸；

Amax—工件最大极限尺寸； X△—备磨量 ó—偏差

查表得到：X=0.5，ó=△/4 将已知数据打入公式得：

A1=（58-0.5×0.74）＋0.74/4=57.63+0.19 A2=（38－0.5×0.62)＋0.62/4=37.69+0.16 A5=（30－0.5×0.52）＋0.52/4=29.74+0.13 A4=（16－0.5×0.44）＋0.44/4=15.78+0.11 A5=（8－0.5×0.24）＋0.24/4=7.88+0.06 b.凹模磨损后所有的尺寸都没有变小。 c.尺寸不变的有：14和17。

按IT14查公差表确定其公差，各尺寸为：14+0.22、14+0.22. 计算公式为：

CD=（Cmax+0.5△）+0.5ó （4.8） 式中：CD—落料凹模刃口尺寸；

Cmax—工件最大极限尺寸； X△—备磨量 ó—偏差 查表得：ó=4

将已知数据代入公式得：

C1=（13.78＋0.5×0.44）+0.50.44/4=14+0.055 C2=（16.78＋0.5×0.44）+0.50.44/4=17+0.055

4.6.2 冲孔刃口尺寸及公差的计算

冲孔时，冲孔件尺寸决定于凸模尺寸，以凸模为基准件来配作凸模，间隙取阻碍凹

模上，冲裁间隙通过减小凹模刃口尺寸来获得。

按IT14查公差表确定其公差，用基孔制表示Ф3.5+0.3.计算公式为：

Dp=(dmin＋x△)－óp （4.9）

Dd =(dp＋Zmin)＋ód （4.10）

式中：Dp—冲孔凸模基本尺寸

Dd—冲孔凹模基本尺寸

dmin—冲孔件孔的最小极限尺寸 △—制件公差 x—磨损系数

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Zmin —凹凸模最小初始双向间隙 óp—凸模下偏差 ód—凹模上偏差

查表得：óp=0.02ód=0.03 Zmin=0.25 Zmax=0.36x=0.5 将已知数据代入公式得：

Dp=(3.5＋0.5×0.3)－0.02=3.65－0.02 Dd=(3.65＋0.25)＋0.03=3.9＋0.25 校核条件：ⅠópⅠ+ⅠódⅠ=0.02+0.03=0.05

( Zmin －Zmax)=0.36－0.25=0.11 满足条件：ⅠópⅠ+ⅠódⅠ≤( Zmin －Zmax)

4.6.3 孔心距

孔心距属于磨损后基本不变的尺寸。在同一个工步中，在工件上冲出孔距为L??两个孔时，其凹模型孔中心距可按下式确定

1 Ld?L?? （4.11）

8式中：Ld—同一工步中凹模孔距基本尺寸 L—制件孔距最小极限尺寸 △—制件公差mm 查表得：△=0.44 将已知数据代入公式得：

Ld1=14±1/8×0.44=14±0.055 Ld2=17±1/8×0.44=17±0.055

4.7 本章小结

本章主要是对落料冲孔模具设计的工艺计算，包括压力机的选择，压力中心的确定和模具刃口尺寸的计算。

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5 冲裁模的结构设计

5.1 模具总体结构

（1）模具类型的选择

本模具确定为冲孔落料级进冲裁模，采用采用导正销进行定位、刚性卸料装置、自然漏料的结构形式。导正销装在上模，冲裁时导正销先插入已冲好的定位孔内，以确定前后工位的相对位置，消除送料和导向中产生的误差。挡料销的作用是保证条料送进时有准确的送进距。

模具的总体装配图如装配图5.1所示

图5.1 冲孔落料级进模装配图 （2）卸料及推件方式的选择

根据模具冲裁的运动特点，该模具采用刚性推件装置比较方便。设计卸料零件的目的是将冲裁后卡在凸模上或凹凸模上的制件或废料卸掉，保证下次冲压正常进行。 （3）导柱、导套位置的确定

为了提高模具的寿命和质量，方便安装、调整和维修模具，该复合模采用对角导柱模架。

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5.2 工作零件的设计

5.2.1 凹模的结构设计

落料凹模采用整体凹模，轮廓全部采用数控线切割机床即可一次性成形，安排凹模在模架上的位置时，要依据压力中心的数据，尽量保证压力中心与模柄中心重合[20]。其轮廓尺寸按公式计算如下： 凹模厚度 H=34mm

凹模壁厚 C??1.5?2?H=51—68mm （5.1） 凹模C值不应小于30～40mm，以满足螺钉孔、圆柱销孔的安排。 取凹模厚度 H=31mm，壁厚C=58mm 凹模宽度 B=140mm 凹模长度 A=120mm

根据工件图样，在分析受力情况及保证壁厚强度前提下，在标准手册中选取标准值A=120mm，B=110mm。

所以凹模轮廓尺寸为120mm?110mm?31mm，正好和120mm?110mm的对角导柱模架一致，因此，模架就选取120mm?110mm的对角导柱模架。

凹模的结构尺寸如图5.2所示。

图5.2 落料凹模

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5.2.2 冲孔凸模的结构设计

根据工件图样，工件有四个孔，采用常见的台肩式凸模。因为模具刃口要求有较高的的耐磨性，并且能够承受冲裁时候的冲击力，所以材料为T10A，硬度为56~60HRC，尾部回火40~50HRC。凸模的尺寸结构如图5.3所示。

图5.3 凸模

凸模的长度尺寸应根据模具的具体结构，并考虑修模、固定板与卸料板间的安全距离、装配等需要来确定。本模具采用的是刚性推件装置卸料，固定卸料板和导料板结构。凸模长度一致按下式计算：

L=h1+h2+h3+Y （5.2） 式中：h1—凸模固定板厚度 h2—卸料板厚度 h3—导料板厚度 Y—凸模修模量 则：L=18+12+8+18=56mm

5.2.3 模具主要零件的强度校核

落料凹模：因形不是很大，冲裁过程中基本不承受弯曲载荷，又凹模厚度为31mm，有足够的强度和刚度，无须进行强度校核[21]。

冲孔凸模：因冲孔凸模直径为Ф3.5，凸模长度为56mm，不属于特别细长且断面尺寸又很小的凸模，冲裁件厚度只有2mm，凸模强度时足够的，故也无须进行凹模强度校核。

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5.3 定位零件的设计

为保证条料的正确送进和毛坯再模具中的正确位置，冲裁出完整的合格零件，模具设计时必须考虑条料或毛坯的定位。正确位置是依靠定位零件来保证的。本模具采用挡料销和导正销配合使用进行定位。

5.3.1 挡料销

挡料销你的作用是挡住条料搭边或冲压件轮廓以限制条料的送进距离。常见的有三种形式：固定挡料销、活动挡料销和始用挡料销。始用挡料销常用于级进模中开始定位。工作时，始用挡料销限制条料的初始位置，进行冲孔。始用挡料销在弹簧的作用下复位后，条料再送进一个步距，以固定挡料销粗定位，落料时以装在落料凹模端面上的导正销进行精定位，保证零件上的孔的相对位置精度。始用挡料销结构尺寸如图5.4。

图5.4 始用挡料销

5.3.2 导正销

导正销通常与挡料销配合使用在级进模中，以减小定位误差，保证孔与外形的相对位置尺寸要求。当零件上有适宜于导正销导正用的孔时，导正销安装在落料凸模上。导正销结构尺寸如图5.5.

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图5.5 导正销

导正销和挡料销轴心线的位置距离尺寸可按下式进行计算：

S1=S+DT/2-D/2－0.1 （5.3） 式中：S—步距

DT—落料凸模直径 D—挡料销头部直径

S1—挡料销轴心与落料凸模轴心距 已知：S=32mm、DT =3.5mm、D=6mm 将已知数据代入公式得：

S1=32＋3.5/2－6/2－0.1=30.65mm

5.4 卸料装置设计

本模具采用刚性卸料装置。刚性卸料装置采用固定卸料板结构，卸料与导料为一体的整体卸料板。它由卸料板、卸料螺钉等零件组成。

5.4.1 卸料板的设计

卸料板的外形尺寸与凹模外形尺寸一致，卸料板与凸模间的单边间隙值为0.3mm。卸料板长100mm、宽97mm、厚度为12mm，材料为45钢，淬火硬度为40～45HRC。它的结构尺寸如图5.6所示。

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图5.6 卸料板

5.4.2 卸料螺钉的选用

如图5.6所示，卸料螺钉的公称尺寸用d?L表示。L的计算如下： L=凸凹模厚度-卸料板厚度+10mm=67.5-12+10=65.5mm

根据L查表选用?3.5?70的卸料螺钉，它的具体尺寸规格如下: d=15mm,L=70mm,l=14mm,d1为M12，D=24mm，H=9mm

图5.7 卸料螺钉

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5.5 模架的选用

模架是上模座、下模座、导柱、导套的组合体，是整副模具的支架，模具的全部零件都固定在它的上面，并且承受冲压过程的全部载荷。模具的上模座和下模座分别与冲压设备的滑块和工作台固定。上、下模间的精确位置由导柱、导套的导向来实现。模架及其组成零件已经标准化，可查取选用。

本模具采用对角导柱模架，它的特点是:导向装置都是安装在模具的对称线上，滑动平稳，导向准确可靠，常用于横向送料的级进模。对角导柱模架上、下模座，其工作平面横向尺寸L一般大于纵向尺寸B,适合纵向送料的复合模。

5.5.1 模座

模座一般分为上、下模座，其形状基本相似，上、下模座的作用是直接或间接地安装冲模的所有零件，传递压力。上下模座的尺寸结构如图5.8，5.9所示。

按标准选择模座时，应根据凹模（或凸模）、卸料和定位装置的平面布置来选取模座的尺寸。一般应取模座的尺寸L大于凹模尺寸40～70mm模座厚度应是凹模厚度的1～1.5倍。下模座的外形尺寸每边应超出冲床台面孔边40～50mm。故上模座厚度取25mm，下模座厚度取45mm，该模具的闭合高度为：

H闭=H上＋H下＋H固＋H凹H凹凸＋h （5.4） 式中：H固—凸模固定板厚度

H凹—凹模厚度 H凸凹—凸凹模厚度 h—凸凹模进入凹模深度 将数据代入公式得：

H闭=25＋45＋18＋31＋67.5－1.5=185mm

可见该模具的闭合高度小于所选压力机的最小装模高度270mm，因此，安装时需要在下模座与压力机的床身间加一块厚度为90mm的经过磨平的垫板。

5.5.2 导向零件

导向零件是用来保证上、下模正确的相对运动。此处用的是导柱和导套。 (1) 导柱

导柱标准结构有四类，即普通导柱、小导柱、可卸导柱和压圈固定导柱。本模具采用的是最常用的B型普通导柱，导柱的尺寸结构如图5.7所示，它的特点是在长度方向上，用以固定和导向部分直径的基本尺寸相同，只是极限偏差不同，这样，既便于装配又便于加工。

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图5.8 导柱的尺寸结构

(2) 导套

导套标准结构形式有三类，即普通导套，小导套和压圈固定导套。本模具采用A型导套，尺寸结构如图5.9所示。

图5.9 导套的尺寸结构

导柱和导套配套用于滑动或滚动导向，导柱、导套之间采用H7/h6或H7/h5的间隙配合，但必须小于冲裁间隙。导柱和导套一般采用过盈配合H7/r6分别压入下模座和上模座的安装孔中。

导柱和导套一般选用20钢制造。为了增加表面硬度和耐磨性，应进行表面渗碳处

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9mw.html