圆垫片落料冲孔复合模设计

沈阳航空学院课程设计说明书 4 工艺计算

模具CAD/CAM课程设计说明书

垫片34复合模CAD设计

院系 专业 班号 学号 姓名 指导教师

沈阳航空航天大学 2010年11月

沈阳航空航天大学

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摘 要

本次课程设计的内容为垫片34 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CATIA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

CATIA 沈阳航空学院课程设计说明书 4 工艺计算

目 录

第1章 CAD/CAM概述……………………………………………………………1

1.1 CAD/CAM的意义 ……………………………………………………………1 1.2模具CAD/CAM常用软件及其特点 …………………………………………1 1.3 CAD/CAM技术在现代模具技术中的应用…………………………………1

第2章 工艺分析及模具结构设计……………………………………………2

2.1 制件的工艺性分析及工艺计算……………………………………………2 2.1.1 工艺分析………………………………………………………………2 2.1.2 排样及工艺计算 ………………………………………………………3 2.2 冲压力及压力中心的计算…………………………………………………4 2.3 凸模 凹模 凸凹模刃口及结构尺寸计算…………………………………5 2.3.1 计算模具刃口尺寸………………………………………………………5 2.3.2 落料凹模结构尺寸计算 ………………………………………………9 2.3.3冲孔凸模与凸凹模结构尺寸确定 ……………………………………10 2.4 模具总体结构设计…………………………………………………………13 2.4.1送料定位机构设计 ……………………………………………………13 2.4.2卸料机构设计 …………………………………………………………13 2.4.3 出件机构设计 ………………………………………………………13 2.5 其他零件尺寸的确定 ……………………………………………………13 2.6 压力机的确定 ……………………………………………………………16

第3章 零件建模 装配体及工程图…………………………………………17

3.1 设计构思 …………………………………………………………………17 3.2零件建模……………………………………………………………………17 3.3 装配设计…………………………………………………………………18 3.3.1 销钉 螺钉的安装……………………………………………………18 3.3.2干涉检验………………………………………………………………18 3.4 工程图……………………………………………………………………19 3.5辅助设计……………………………………………………………22

3.5.1 模拟视图及爆炸视图………………………………………………22

结束语……………………………………………………………………………24

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参考文献…………………………………………………………………………25

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第1章 CAD/CAM概述

1.1 CAD/CAM的意义

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意义。

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模具CAD/CAM常用软件及其特点

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 CAD/CAM技术在现代模具技术中的应用

在当今模具设计与制造领域中如何借助CAD/CAM软件在电脑上完成,提高加工模具的精度和生产效率一直是我们急需寻找的途径。AutoCAD、PRO/E、MasterCAM软件都是目前世界最为优秀和应用最为广泛CAD/CAM的软件代表。采用CAD/CAE/CAM技术可提高模具产品的设计质量、缩短模具设计与制造周期、降低产品成本。

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第2章 工艺分析及模具结构设计

2.1 制件的工艺性分析及工艺计算

2.1.1 工艺分析

由图可知，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。 （c?80?402?2.5?17.5

1.5t=1.5）

（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以下的金属板料时，其断面粗糙度Ra可达12.5～3.2?m，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08钢，属优质碳素结构钢，其力学性能

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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。

2.1.2 排样及工艺计算

2.1.2.1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。如图所示。

图2.1 排样图

2.1.2.2 搭边

查参考文献[1] ，确定搭边值a，b。 当t=1时，a=2，b=1.5 2.1.2.3条料宽度

B=D+2a=80+2*2=84mm 2.1.2.4材料利用率η

??nASB?????

式中 n—一个歩距内冲裁件数目； A——冲裁件面积（包括内形结构废料）； S——歩距长度； B——板料宽度； 取：n=1; A=π*402=5026.55；S=81.5；B=84 η=5026.55／81.5*84=73.4

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2.2 冲压力及压力中心的计算

2.2.1 计算冲压力

2.2.1.1 冲裁力

冲裁力公式为 P?P孔?P落 式中 P—冲裁力； P孔—冲孔冲裁力； P落—落料冲裁力。 2.2.1.2 冲孔冲裁力P孔

P孔?nKL孔t?

式中 K—系数（取K=1.3）； n—孔的个数，n=3。

L孔—冲孔周长，L孔1??d???40?125.66mm L孔2??d???5?15.7mm t—材料厚度，t?1mm

?—材料抗剪强度，查参考文献[2]知LY12，??280～320MPa，取

??300MPa。

P孔?P1?P2?1.3?125.66?1?300?2?1.3?15.7?1?300=61253.4=61.25KN 2.2.1.3 落料冲裁力P落。

P落?KL落t? L落??D???80?251.33mm

所以 P落?1.3?251.33?1?300?98018.7N?98.02KN 2.2.1.4卸料力P卸。

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P卸?K卸P卸

式中 K卸—卸料系数，查参考文献[1]知K卸?0.01～0.05，取K卸?0.03。 所以 P卸?0.03?98.02?2.94KN 2.2.1.5 推料力P推

P推?nK推P推

式中 K推—推料系数，查参考文献[1]取K卸?0.055。 n—同时卡在凹模洞孔内的件数，n?3。 所以 P推?3?0.055?61.25?10.1KN 2.2.1.6 顶件力P顶

P顶?K顶（P孔?P落）

式中 K顶—顶件系数，查参考文献[1]取K顶?0.06。 所以 P顶?0.06??61.25?98.02??9.56KN 2.2.1.7 总冲压力P总

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

P总?P?P卸?P推?P孔?P落?P卸?P推?61.25?98.02?2.94?10.1?9.56=181.87K

N

初选压力机：Jc23-35。

2.2.2 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狭槽点上。

2.3 凸模 凹模 凸凹模刃口及结构尺寸计算

2.3.1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。 零件上包含三个尺寸：落料尺寸A??800?0.74；

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?0.62?0.3冲孔尺寸B1??400,B2??50；

位置尺寸H?30?0.105。

查得冲裁模刃口双间隙

Zmin?0.24mm， Zmax?0.36mm。

1）落料刃口尺寸计算：

0?80?0.74的凸凹模的制造公差由表查得 ?凹?0.030mm ，

?凸?0.020mm。

由于?凹??凸?0.05?Zmax?Zmin ， 故采用凸模与凹模 分开加工方法， 由表查得X=0.5，则：

D凹?（D?X?）0??凹?（80?0.5?0.74）0?0.03?79.630?0.03mm

000D凸?(D凹?Zmin)??凸?(79.63?0.5?0.24)?0.02?79.51?0.02mm

其工作部分结构尺寸如图所示：

2）冲40mm孔刃口尺寸计算：

?0.62?400的凸凹模的制造公差由表查得

?凹?0.030mm，

?凸?0.020mm.

由于?凹??凸?0.050?Zmax?Zmin , 故采用凸模与凹模分别加工方法， 由表查得X=0.5 ，则：

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000d凸?（d?X?）?（40?0.5?0.62）?40.31?0.02mm ??凸?0.02???0.03?0.03?(40.31?0.24)0?40.550mm , d凹?(d凸?Zmin)0凹

其工作部分结构尺寸如图所示：

3）冲5mm孔刃口尺寸计算：

?0.3?50的凸凹模的制造公差由表查得

?凹?0.020mm， ?凸?0.020mm.

由于?凹??凸?0.040?Zmax?Zmin , 故采用凸模与凹模分别加工方法， 由表查得X=0.5 ，则：

d凸?（d?X?）?（5?0.5?0.3）?5.15?0.02mm ??凸?0.02000???0.02?0.02 d凹?(d凸?Zmin)0?(5.15?0.24)0?5.390mm

其工作部分结构尺寸如图所示：

凹8

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2.3.2落料凹模结构尺寸计算

落料凹模尺寸如图5.1所示。

图5.1 落料凹模尺寸

2.3.2.1厚度Hd

Hd?H理?h 式中 H理—凹模的理论厚度。

H理?0.256L落P落2?0.25?6251.33?98018.72?28.96mm

进一位取整数取 H理?29mm 查参考文献[4]知刃磨余量为 h?6。 所以凹模厚度为 29+6 = 35mm。

因为落料冲裁力P落?98.02KN?150KN，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

H凹?23mm，夹板厚度为12mm。

2.3.2.2 凹模板直径Dd

零件外形为圆形，而且完全对称，所以将凹模板做成圆形。

Dd?D?2W1

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式中 W1—切断轮廓线到凹模边缘的尺寸，轮廓为平滑曲线时，W1?1.2H理。 所以 Dd?80?2?1.2?29?149.6mm 查参考文献[2]按推荐值取 Dd?150mm 所以凹模板外形尺寸?150?35

2.3.3冲孔凸模与凸凹模结构尺寸确定

图5.2 凸模尺寸

2.3.3.1冲孔凸模长度L 如图所示

L?H1?l自 H1?（0.6～0.8）Hp Hp?0.256L孔P孔2

l自?Hd?h

式中 H1—凸模固定板厚度；

Hp—冲孔凸模厚度，Hp1?21mm；Hp2?10mm l自—凸模自由长度。

所以 H1?（0.6～0.8）Hp=（0.6～0.8）?21?12.6～16.8mm，取H1?14mm。

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H1?'（0.6～0.8）Hp=（0.6～0.8）×10=6～8mm, 取H1?8mm。

mm（考虑到在落料前冲孔凸模先接触板料，所以取

l自?Hd?h?23?12?35。 l自?35.5mm）

所以 取H1?14mm

L1?H1?l自=14+35.5=49.5mm L2?H1?l自=14+35=49mm 2.3.3.2 凸模强度（压应力）校核 校核公式为

P孔Fmin22?[?]压

式中 Fmin—凸模最小断面积，Fmin?d??5.13?2??????????20.67mm； ?2??2? [?]压—凸模材料的许用压应力，凸模材料选用Cr12MoV，查参考文献[2]知，[?]压?（1000～1600）MPa，取[?]压?1200 MPa。 因为

P孔Fmin?612320.67?296 MPa<[?]压

所以凸模强度校核符合要求。

2.3.3.3凸模刚度（细长杆失稳）校核。 校核公式 lmax???EJmaxnP孔

式中 lmax—凸模最大自由高度；

E —凸模材料弹性模量，一般取E?2.1?105MPa； Jmax—凸模最小断面惯性矩，圆形断面Jmax? ?—支承系数，无导板导向??2；

n—安全系数，钢取n?2～3。

?d644；

代入公式得 lmax???EJmaxnP孔??2210000???5.1364?3?61234?80.96mm

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实际 l自?35.5mm<40.96mm 所以凸模刚度符合要求 2.3.3.4 凸凹模工作尺寸计算

图5.3凸凹模各部分尺寸

1）凸凹模长度H Hpdpd确定

?h自由?h预?H卸?H2?14?2?10?24?46mm

式中 H卸—卸料板厚度，取H卸?10mm；

H1—凸凹模固定板厚度，H1?（0.6～0.8）?H凹?h?=（0.6～0.8）

?35?21～28mm，取H1?24mm。

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nmin?2.7（料厚t?1mm）； 本设计中n??79.49?60?5.39?/2?7.05?nmin

所以凸凹模壁厚校核合格，按图设计的凸凹模符合要求。 3）其他

漏料孔直径取?1?44mm?2?7mm，刃口直边设计存三片料，高为5mm，凸凹模和凸凹模固定板之间在装配时安装止转销防转。

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2.4 模具总体结构设计

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，此工件有三个孔，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。

2.4.1送料定位机构设计

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.

2.4.2卸料机构设计

2.4.2.1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。

2.4.2.2 工件的卸除

采用打料装置将工件从落料凹模中推下，罗在模具工作表面上。 2.4.2.3 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。

2.4.3 出件机构设计

因为是复合模结构，所以采用上出件机构

2.5 其他零件尺寸的确定

2.5.1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

F?Ap

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式中 F—压力；

A—橡胶垫横截面积；

p—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） 10 15 20 取 A??4?150橡胶压缩量(%) 单位压力(MPa) 0.26 0.50 0.70 25 30 35 1.03 1.52 2.10 ?2?802??12644?.9mm2，则

p?P卸A294012644.9?0.23MPa

取压缩量为25%，预压缩量为10%，工作行程s?t?1?2mm。 所以橡胶垫的自由高度为 h自由?s0.25?0.10?13.3mm，取

14mm

预压缩量取为 h预?2m。

2.5.2 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24mm。

2.5.3凸模固定板

凸模固定板将凸模固定在模座上，其平面轮廓尺寸与凹模板外形尺寸相同，但还应考虑紧固螺钉及销钉的位置。固定板的凸模安装孔与凸模采用过渡配合H7/m6、H7/n6，压装后将凸模端面与固定板一起磨平。凸模固定板为圆形，厚度一般取凹模厚度的0.6~0.8倍，材料为Q235 H凸固定?14mm

2.5.4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

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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。

?y?[?y]

式中 ?y—凸模端面的压应力，其数值为

PF；

[?y]—模座材料下雨压应力，其数值：铸铁约为100MPa，钢约为200 MPa； P—冲裁力；

F—凸模上端面面积。

垫板的下载与凸模固定板一致，厚度一般取4～12mm。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8mm。

下面校核一下凸凹模与下模座之间是否下雨加垫板。 已知凸凹模下端面直径Dpd?90mm，所以 F??4D2??4?902?6361.73mm2

P?P孔?P落?61253.4?98018.7?159272.1N 所以 ?y?PF?159272.16361.7?25MPa

模座采用铸铁，[?y]?100MPa??y，所以不用加垫板。

2.5.5 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.

卸料板上设置4个卸料螺钉，公称直径为10mm，螺纹部分为M10×10mm。卸料钉尾部应留有足够的行程空间。卸料螺钉拧紧后，应使卸料板超出凸模端面lmm，有误差时通过在螺钉与卸料板之间安装垫片来调整。

2.5.6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。

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标记为：上模座160?40 GB2855.11—81；

下模座160?45 GB2855.12—81。

2.6 压力机的确定

模具的闭合高度为

H闭=H上模＋ H垫＋L＋ H ＋ H下模－h2 =（40+8+14+35+46+45-2）mm=186mm

式中 L——凸模长度，L=49mm；

H——凹模厚度，H=35mm；

h2——凸模冲裁后进入凹模的深度，h2=2mm。 选择压力机JC23-35 公称压力350KN

最大闭合高度280mm 最小闭合高度220mm

所以Hmax?5?H模?Hmin?10

压力机工作台尺寸380?610，一般工作台面尺寸每边应大于模具下模座尺寸50～70mm， 所以压力机合格，可用

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第3章 零件建模 装配体及工程图

3.1 设计构思

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CATIA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。

3.2零件建模

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CATIA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

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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。

3.3 装配设计

装配的概念在工程中非常重要，CATIA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。

（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

3.3.1 销钉 螺钉的安装

上下模座各安装四个紧固螺钉以及两个定位销，下模座上另有四个卸料螺钉，

卸料板上配合两个导料销以及一个挡料销

3.3.2干涉检验

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。

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3.4 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CATIA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

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3.5辅助设计

3.5.1 模拟视图及爆炸视图

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模拟试图

爆炸图

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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

结束语

本次的模具CAD/CAM课程设计，完成了对垫片34 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CATIA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CATIA的操作方法。总的来说，达到了课程设计的目的和要求。

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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

参考文献

1. 冲压模具课程设计指导与范例，北京：化学工业出版社，2003 2. 许发樾，模具标准应用手册，北京：机械工业出版社，1980。 3. 王孝培，冲压手册，北京：机械工业出版社，1986。 4. 田嘉生，冷冲模设计基础，北京：航空工业出版社，1994。 5. 李明尧，模具CAD/CAM，北京：机械工业出版社，2004。

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