毕业设计（论文）-基于CATIA的接触环级进模设计（全套图纸三维） .pdf

北华大学学士学位论文 i 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究的目的及意义 1 1.2 国内外研究状况 1 1.3 模具市场发展趋势 3 1.4 课题研究的主要内容 4 第二章 设计任务 . 6 第三章 工艺分析和工艺方案的确定 . 7 3.1 工艺分析 7 3.2 工艺方案的确定 7 3.3 模具结构方案的确定 7 第四章 工艺与设计计算 . 9 4.1 排样设计与计算 9 4.2 冲裁力计算 10 4.3 工作零件刃口尺寸计算 11 4.3.1 刃口尺寸计算的一般原则 . 11 4.3.2 刃口尺寸计算方法 11 4.3.3 冲孔模凸、凹模刃口尺寸的计算 11 4.4 本章小结 . 13 第五章 模具零件的 catia 三维设计 . 14 5.1 软件简介 14 5.2 软件在设计中的应用 15 5.3 模具零件的结构设计 . 15 5.3.1.工作零件的结构设计 . 15 5.3.1.1 凹模结构设计 15 5.3.1.2 凸模结构设计 17 5.3.2 卸料装置的设计 18 5.3.3 模架及其零件 20 5.3.4 其他支承与固定零件 21 5.3.5 固定板的选择 22 北华大学学士学位论文 ii 5.3.6 紧固件的设计与选用 23 5.4 模具总体结构设计 23 5.4.1 模具类型的选择 . 23 5.4.2 定位方式的选择 . 23 5.4.3 卸料与出件方式的选择 . 24 5.4.4 模架类型的选择及精度 . 25 5.5 本章小结 25 第六章 模具的 catia 三维装配及其导出二维图 . 26 6.1 模具的三维装配 26 6.2 三维装配导出的二维装配图 31 6.3 三维零件图及其二维零件图 31 6.4 本章小结 35 第七章 冲压设备的选择 . 36 7.1 模具的压力中心 36 7.2 冲压设备的选择原则 36 7.3 冲压设备规格的选择 36 7.4 冲压设备类型的选择 37 7.5 模具闭合高度的确定 38 7.6 模具制造装配要点 . 38 7.7 本章小结 39 致谢 . 40 参考文献 . 41 北华大学学士学位论文 1 第一章 绪论 冲压是机械制造中先进的加工方法之一，它利用压力机通过模具对板料加 压，使其产生塑性变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件。冲压主 要用于加工板料零件，所以也叫板料冲压。冲压加工的范围十分广泛，在电子工 业产品的生产中， 已成为不可缺少的加工方法之一， 据概率统计， 在电子产品中， 冲压件的数量约占 85%以上。冲压加工的汽车、电机、电器、仪器仪表等机械工 业和国防工业以及日常生活用品方面，也占据着十分重要的地位。 全套图纸。三维加全套图纸。三维加 153893706 1.1 课题研究的目的及意义 冲压工艺及模具设计在制造行业中占有十分重要的地位，在机械、电子、汽 车、航空以及轻工业等领域有广泛的应用。由于冲压加工具有生产率高、生产成 本低、操作简单、适合大批量生产等优点，在制造业中有着广阔的发展前景，因 而需要大量的工程技术人员去从事和研究冲压工艺和模具设计方面的内容。 国外 发达国家对冲压加工技术的应用、研究和开发都比较重视，我国也非常重视冲压 技术人才的培养。 通过对所给零件的冲压模具设计， 可以促进我们专业知识的巩固， 增长见识， 拓宽知识面，巩固和加强机械制图、机械设计、冲压模具设计与制造等专业理论 知识在实际生产中的应用，培养我们综合运用所学过的知识分析、解决实际工程 问题的能力，为今后的学习和工作积累经验，奠定良好的基础1。 1.2 国内外研究状况 一、现状 北华大学学士学位论文 2 改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。 近年来，模具工业一直以 15%左右的增长速度快速发展，模具工业企业的所有制 成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营也得 到了快速发展。浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”;广东一些大集团公司和迅 速崛起的乡镇企业，科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心; 中外合资和外商独资的模具企业现已有几千家。 近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度， 将技术进步视为企业发 展的重要动力。一些国内模具企业已普及了二维 cad，并陆续开始使用 ug pro/engineer、i- deas、euclid- is 等国际通用软件，个别厂家还引进 moldflow、 c- flow、dynaform、optris 和 magmasoft 等 cae 软件，并成功应用于冲 压模的设计中。 二、未来冲压模具制造技术发展趋势 模具技术的发展应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量 好”、“价格低”的要求服务。达到这一要求急需发展如下几项： (1)全面推广 cad/cam/cae 技术 模具 cad/cam/cae 技术是模具设计制造的发展方向。随着微机软件的发 展和进步，普及 cad/cam/cae 技术的条件已基本成熟，各企业将加大 cad/cam 技术培训和技术服务的力度;进一步扩大 cae 技术的应用范围。 计算 机和网络的发展正使 cad/cam/cae 技术跨地区、跨企业、跨院所地在整个行 业中推广成为可能，实现技术资源的重新整合，使虚拟制造成为可能。 (2)高速铣削加工 国外近年来发展的高速铣削加工，大幅度提高了加工效率，并可获得极高的 表面光洁度。另外，还可加工高硬度模块，还具有温升低、热变形小等优点。高 速铣削加工技术的发展， 对汽车、 家电行业中大型型腔模具制造注入了新的活力。 目前它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展。 (3)模具扫描及数字化系统 高速扫描机和模具扫描系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型 所需的诸多功能，大大缩短了模具的在研制制造周期。有些快速扫描系统，可快 速安装在已有的数控铣床及加工中心上，实现快速数据采集、自动生成各种不同 数控系统的加工程序、 不同格式的 cad 数据， 用于模具制造业的“逆向工程”。 模具扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用，相信在“十五”期 间将发挥更大的作用。 北华大学学士学位论文 3 (4)电火花铣削加工 电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术， 这是一种替代传统的用成 型电极加工型腔的新技术， 它是有高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓 加工(像数控铣一样)，因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形 加工领域的重大发展。国外已有使用这种技术的机床在模具加工中应用。预计这 一技术将得到发展。 (5)提高模具标准化程度 我国模具标准化程度正在不断提高， 估计目前我国模具标准件使用覆盖率已 达到 30%左右。国外发达国家一般为 80%左右。 (6)优质材料及先进表面处理技术 选用优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必 要。 模具热处理和表面处理是否能充分发挥模具钢材料性能的关键环节。模具热 处理的发展方向是采用真空热处理。 模具表面处理除完善应发展工艺先进的气相 沉积(tin、tic 等)、等离子喷涂等技术。 (7)模具研磨抛光将自动化、智能化 模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，研 究自动化、智能化的研磨与抛光方法替代现有手工操作，以提高模具表面质量是 重要的发展趋势。 (8)模具自动加工系统的发展 这是我国长远发展的目标。模具自动加工系统应有多台机床合理组合;配有 随行定位夹具或定位盘;有完整的机具、 刀具数控库;有完整的数控柔性同步系统; 有质量监测控制系统。 1.3 模具市场发展趋势 “十五”期间，我国模具行业重点发展的产品是：汽车覆盖件模具，精密冲压 模，大型、精密塑料模，大型薄壁精密复杂压铸模，大型、精密锻模，塑料型材、 波纹管挤出模及管接头模具， 子午线橡胶轮胎活络模， 长寿命玻璃陶瓷todayhot 多工位冷锻模及冷挤模，壳体连续拉伸模，新型快速经济模，主要模具标准件、 拉丝模等新产品。 伴随着世界经济的一体化浪潮， 全球制造业加速向中国大陆地区转移已是大 势所趋，中国也将逐步发展成为世界级的制造业基地。广东珠江三角地区将在十 年之内发展成为世界模具生产中心。 模具市场十大发展趋势中国经济的高速发展 对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。近 10 年来， 北华大学学士学位论文 4 中国模具工业一直以每年 15%左右的增长速度快速发展。有数据显示，我国目前 模具总产值已跃居世界第三，仅次于日本和美国，其中，汽车、摩托车、家电行 业是模具最大的市场，占整个模具市场份额的 80%以上。当今世界正进行着新一 轮的产业调整 一些模具制造逐渐向发展中国家转移， 中国正成为世界模具大国。 近年来，外资对我国模具行业投入量增大，工业发达国家将模具向我国转移的趋 势进一步明朗化，这代表着我国模具行业迎来新一轮的发展机遇，也代表着面临 国外先进技术和高品质制品的挑战1。 模具制造技术是现代化模具工业发展的基础。计算机技术、信息技术、自动 化技术等先进技术正在向传统制造技术渗透、交叉、融合形成了现代化模具制造 技术。其中高速铣削加工、精密磨削及抛光技术、数控测量代表了现代冲模制造 的技术水平12。高速铣削加工不但具有加工速度高及良好的加工精度和表面质 量（主轴转速一般为 15000- 40000r/min，加工精度一般可达到 10m，最好的表 面粗糙度 ra1m） ，而且与传统切削加工相比较具有温度低、切削力小，因而 可加工热敏材料和钢性差的零件， 合理选择刀具和切削用量还可以实现硬材料加 工； 电火花铣削加工是以高速旋转的简单管状电极作三维或二维轮廓加工，因此 不用制造昂贵的成形电极，精密磨削及抛光已开始使用数控成形磨床、数控光学 曲线磨床、数控连续轨迹坐标磨床及自动抛光机等先进设备技术；模具加工中的 检测技术也取得了很大发展， 现代三坐标测量机除了能高精度地测量复杂曲面的 数据外，其良好的温度补偿装置、可靠的抗震能力、严密的除尘措施和简单的操 作步骤，使得现场自动化检测成为可能13。此外，利用 rpm 技术快速成形三维 原型后， 通过陶瓷精铸、 电弧涂喷、 消失模、 熔模等技术可快速制造各种成形模。 一汽模具制造公司在以 cad/cam 加工的主模型为基础，采用瑞士汽车的高强 度树脂浇注成型的树脂冲模用在国产轿车调试中，具有制造精度较高、周期短、 费用低等特点，达到 90 年代国际水平，为我国轿车试用和小批量生产开辟了新 的途径14。 模具 cad/cae/cam 技术是改造传统模具生产方式的关键技术，它以计算 机软件的形式为用户提供一种有效的辅助工具， 使工程技术人员能借助计算机对 产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化，从而显著缩短 模具设计与制造的周期，降低生产成本，提高产品质量。 1.4 课题研究的主要内容 为了提高 cad、cae、cam 技术的应用水平，建立完整的模具资料库及开 发专家系统和提高软件的实用性十分重要。从加工技术来说，发展重点在于高速 北华大学学士学位论文 5 加工和高精度加工。高速加工目前主要是发展高速铣削、高速研抛和高速电加工 及快速制模技术。高精度加工目前主要是发展模具零件精度 1m 以下和表面粗 糙度 ra0.1m 的各种精密加工。提高模具标准化程度，搞好模具标准件生产 供应也是冲压模具技术发展重点之一 3 。 catia 是法国 dassault system 公司的 cad/cae/cam 一体化软件，居世界 cad/cae/cam 领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机 械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制 造领域， 其特有的 dmu 电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争 力和生产力的提高。catia 是英文 computer aided tri- dimensional interface application 的缩写。 是世界上一种主流的 cad/cae/cam 一体化软件。 catia 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大 型的波音 747 飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产 品。在世界上有超过 13,000 的用户选择了 catia。catia 源于航空航天业，但 其强大的功能以得到各行业的认可， 在欧洲汽车业， 已成为事实上的标准。 catia 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在 世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用 catia 完成了整个波音 777 的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了 catia 在 cad/cae/cam 行业内的领先地位。 2 北华大学学士学位论文 6 第二章 设计任务 零件简图：如图 2.1 所示 生产批量：大批量 材料：qsn6.5- 0.1（m） 材料厚度：0.3mm 制件的尺寸精度：it12 级 北华大学学士学位论文 7 图 2.1 产品零件图 第三章 工艺分析和工艺方案的确定 3.1 工艺分析 冲裁如图 1- 1 所示的接触环零件，材料为锡青铜带 qsn6.5- 0.1（m） ，厚度为 t=0.3mm。已知年产量 15 万件，试确定冲裁工艺方案，设计冲裁模，并编辑主 要零件的加工工艺。 1 结构与尺寸： 该零件的结构较简单， 形状对称， 尺寸较小。 悬臂宽度 （1.5、 1.025） 大于 1+0.5t， 臂长 （3.25、 1.3） 小于 5 倍臂宽； 凹模宽度 1.65 （+0.12、 0） 1.5t， 深度也较小； 最小孔径 1.85 （+0.12、 0） 0.9t； 孔至边缘边最小距离 （0.925） 1.5t。 均适于冲裁加工。 2 精度： 零件尺寸公差除 9.4 0 1 . 0 接近于 it11 级以外， 其余尺寸都低于 it12 级，亦无其他特殊要求。从表可查，利用普通的冲裁方式就可以达到零件图的要 求。 3 材料：锡青铜带 qsn6.5- 0.1（m） ，软态，带料，抗剪强度 =255mpa，断 后伸长率 10=38%。此材料具有较高的弹性和良好的塑性，其冲裁加工性较好。 3.2 工艺方案的确定 该零件包括落料和冲孔两个基本工序，可采用的冲裁工艺方案有单工序冲 裁、复合冲裁和级进冲裁三种。由于零件属于大批量生产，尺寸又较小，因此采 用单工序冲裁效率太低，且不便于操作。若采用符合冲裁模，虽然冲出的零件精 度和平直度较好，生产效率高，但因零件孔边距太小，模具强度不能保证。采用 级进模时，生产效率高，操作方便，通过设计合理的模具结构和拍样方案可以达 到较好的零件质量和避免模具强度不够的问题。 根据以上分析，该零件采用级进冲裁工艺方案。 3.3 模具结构方案的确定 1 模具类型 根据零件的冲裁工艺方案，采用紧急冲裁模。 2 操作与定位方式 虽然零件的生产批量较大，但合理安排生产可用手工送 料方式能够达到批量要求，且能降低模具成本，因此采用手工送料方式。考虑零 北华大学学士学位论文 8 件尺寸较小，材料厚度较薄，为了便于操作和保证零件的精度，宜采用导料板导 向、 侧刃定距的定位方式。为减小料头和料尾的 材料消耗和提高定距的可靠性， 采用双侧刃前后对角布置。 3 卸料与出件方式 考虑零件厚度较薄，采用弹性卸料方式。为了便于操作、 提高生产率，冲件和废料采用凸模直接从凹模洞口推下的下出件方式。 4 模架类型及精度 由于零件厚度薄，冲裁间隙很小，又是级进模，因此采 用导向平稳的对角导柱模架。考虑零件精度要求不是很高，但冲裁间隙较小，因 此采用 i 级模架精度。 北华大学学士学位论文 9 第四章 工艺与设计计算 4.1 排样设计与计算 根据对所给零件的分析， 采用直排有废料排样方式， 这样可以保证冲件质量， 提高模具寿命。可以补偿送料误差，以保证冲出合格工件；保持条料刚度利于送 料， 避免废料丝进入模具间隙损坏模具。如果单纯为了提高原材料的利用率而采 用一模多件的冲裁方案，虽然确实有助于提高原材料的利用率，但模具制造成本 却随之大幅提高。 该零件材料厚度较薄，尺寸小，近似 t 形，因此可采用 45 的斜对排样。考 虑模具强度的影响，在冲孔和落料工位之间增设了一个空位。 根据排样图的几何关系，可以近似算出两排中心距为 18mm。 查表 3- 18、 表 3- 19、 表 3- 20、 表 3- 215， 取 a=1.5mm， a1=1.2mm， =0.10mm， z=0.5mm，b1=1.3mm，y=0.1mm。另因采用的 ic 类型侧刃，故料宽每边需增加 燕尾型切入深度 a=0.5mm。因此，条料宽为 b 0 =（dmax+2a+2a+nb1） 0 =(18+9.4+21.5+20.5+21.3) 0 10. 0 =34 0 10. 0 (mm) 冲裁后废料宽度为 b1=dmax +2a+2a=18+9.4+21.5+20.5=31.4(mm) 进距为 s=9.4+1.2=10.6（mm） 导料板间距为 b=b+z=34+0.5=34.5(mm) b1=b1+y=34.5+0.1=31.5(mm) 由零件图近似算得一个零件的面积为 54mm，一个进距内冲两件，故 a=542=108mm。一个进距内的坯料面积 bs=3410.6=360.4mm。因此材料 利用率为 = bs a 100%= 4 . 360 108 100%30% 排样图 排样图是排样设计的最终表达形式，是编制冲压工艺与设计的主要依据。 北华大学学士学位论文 10 如图 4.1 所示 图 4.1 零件的排样图 4.2 冲裁力计算 计算冲压力，初选压力机 冲裁力：根据零件图可算得一个零件内外周边之和 l1=77mm，侧刃冲切长 度 l2=13.8mm，根据排样图一模冲两件和双侧刃布置，故总冲裁长度 l= （77+13.8）2=181.6mm。又 b=255mpa，t=0.3mm，取 k=1.3，则 f=kltb=1.3181.60.3255=18060（n） 卸料力：查表 3- 22，取 kx=0.06，则 fx=kxf=0.0618060=1084（n） 推件力：根据材料厚度取凹模刃口直壁高度 h=5mm，故 n=h/t=5/0.3=16。查 表 3- 22，取 kt=0.07，则 ft=nktf=160.0718060=20227（n） 总冲压力 f=f+f x+ft=18060+1084+20227=39371 (n)40(kn) 应选取的压力机公称压力 p0（1.11.3）f=（1.11.3）40=4452kn， 因此可选压力机型号为 j23- 6.3. 北华大学学士学位论文 11 4.3 工作零件刃口尺寸计算 4.3.1 刃口尺寸计算的一般原则 （一） 刃口8尺寸应保证冲出合格零件 由于落料件的实际尺寸基本与凹模刃口尺寸一致， 所以落料时应先计算凹模 刃口尺寸，以获得合理的冲裁间隙值。而冲孔时孔的实际尺寸基本与凸模刃口尺 寸一致，因此应先计算凸模刃口尺寸，合理冲裁间隙值依靠改变凹模刃口尺寸获 得。 （二） 刃口磨损一些仍能冲出合格工件 随着冲裁件数量的增加，凸模与凹模的刃口在不断磨损，并不断改变刃口尺 寸。只要磨损量不超过一定范围，模具应仍能冲出合格工件。 （三） 设计时应取最小合理冲裁间隙 随着凸模与凹模刃口磨损量的不断增大，冲裁间隙也将不断增大。所以设计 模具时，冲裁间隙应取其允许的最小值 zmin。应注意到，凸模与凹模刃口尺寸的 制造公差影响冲裁间隙的大小。 所以刃口尺寸的计算与处理既要保证冲出合格的 工件，又要保证合理的冲裁间隙值。 4.3.2 刃口尺寸计算方法 常用的计算刃口尺寸方法有两种： 一是凸模与凹模分别注出各自的基本尺寸 及其公差，简称公差法制模；二是只有基准件（落料时为凹模，冲孔时为凸模） 注出基本尺寸及其制造公差，而配作件（落料时为凸模，冲孔时为凹模）则只注 与基准件相同的基本尺寸，不注公差，在技术要求中注明配作时应达到的合理冲 裁间隙值 zmin，简称为配作法制模。 4.3.3 冲孔模凸、凹模刃口尺寸的计算 计算凸凹模刃口尺寸及公差 由于材料薄，模具间隙小，故凸、凹模采用配 作加工为宜。又根据排样图可知，凹模的加工较凸模困难，且级进模所有凹模型 孔均在同一凹模板上，因此，选用凹模为制造基准件。故不论冲孔、落料，只计 算凹模刃口尺寸及公差，并将计算值标注在凹模图样上。各凸模仅按凹模对应尺 寸标注其基本尺寸， 并注明按凸模实际刃口尺寸配双面间隙 0.03mm （查表 3- 11、 表 3- 12 按 类间隙）5。侧刃按侧刃孔配单面间隙 0.015mm。 （一）落料凹模刃口尺寸。按磨损情况分类计算。 a凹模磨损后增大的尺寸，按公式 ad=（amax -x） 4/ 0 + 计算 北华大学学士学位论文 12 9.4 0 1 . 0 a 1d =（9.4- 0.750.1） 4/ 0 + =9.33 025 . 0 0 + （mm） 1.5 0 12. 0 a 2d =（1.5- 0.750.12） 4/12 . 0 0 + =1.41 03 . 0 0 + （mm） 3.7 0 16. 0 a 3d =（3.7- 0.75x0.16） 4/16 . 0 0 + =3.58 04 . 0 0 + （mm） 13.30.1 a 4d =（13.3+0.1-0.750.2） 4/2 . 0 0 + =13.25 05 . 0 0 + （mm） 2.20.12 a 5d =（2.2+0.12-0.50.24） 4/24 . 0 0 + =2.2 06 . 0 0 + （mm） b凹模磨损后减小的尺寸，按公式 bd=（bmin+x） 0 4/ 计算 1.65 12 . 0 0 + bd=（1.65+0.750.12） 0 4/12 . 0 =1.74 0 03. 0 （mm） c凹模磨损后不变的尺寸，按公式 cd=（cmin+0.5）/8 计算 9.80.1 cd=（9.7+0.50.2）0.2/8=9.80.025（mm） 冲孔凹模刃口尺寸。 冲孔凹模均为圆形， 故按公式 dd= （dmin+x+zmin） 4/ 0 + 计算 6.5 1 . 0 0 + d 1d =（6.5+0.750.12+0.03） 4/1 . 0 0 + =6.61 025 . 0 0 + 1.85 12 . 0 0 + d 2d =（1.85+0.750.12+0.03） 4/12 . 0 0 + =1.97 03 . 0 0 + 侧刃孔尺寸按公式 ad=（a+0.5zmin） d+ 0 计算取 d=0.02，则 ad=（a+0.5zmin） d+ 0 =（10.6+0.50.03） 02 . 0 0 + =10.61 02 . 0 0 + 当采用线切割机床加工凹模时， 各型孔尺寸和孔距尺寸的制造公差均可标注 为0.01（为一般机床可达到的加工误差） ，本设计即采用此种加工的标注方法。 （二） 凸模设计 落料凸模刃口部分为非圆形， 为便于凸模和固定板的加工， 可设计成阶梯结构，并将安装部分设计成便于加工的长圆形，通过铆接的方式与 固定板固定 。凸模的尺寸根据刃口的尺寸、卸料装置和安装固定要求确定。凸 模的材料也选用 crwmn，工作部分热处理淬硬 5862hrc。 冲孔凸模的设计与落料凸模基本相同，因刃口部分为圆形，其结构更简单。 考虑冲孔凸模直径很小，故对最小凸模进行强度和刚度校核。 凸模最小直径的校核（强度校核） 。因孔径虽小，但远大于材料厚度，估计 凹模的强度和刚度是够的。为使弹压卸料板加工方便，取凹模与卸料板的双面间 隙为 0.2mm（不起导向作用） 。 根据表 3- 26，凹模最小直径 d 应满足 d5.2tb/ 压=5.20.3255/1200=0.33mm(取 压=1200mpa) 而 d 2p =d 2d -zmin=1.97-0.03=1.94mm,因 d 2p 0.33mm，所以凸模强度足够。 5.2.2 凹模最大自由长度的校核（刚度校核） 根 据 表3- 26 ， 凸 模 最 大 自 由 长 度l应 满 足l 90d/f =901.94/2553 . 094 . 1 14 . 3 3 . 1=13.8(mm) 由此可知，小冲孔凸模的工作部分长度不能超过 13.8mm。本设计取小冲孔 凸模工作部分长度为 12mm，大冲孔和落料凸模为 15mm。 北华大学学士学位论文 13 4.4 本章小结 本章介绍了冲压件（固定角板）的主要特征，通过对其分析确定合适的冲压 方案：为落料、冲孔复合模。根据零件尺寸确定毛坯尺寸和形状，从而确定其搭 边植，绘制出排样图。通过毛坯尺寸计算各工序的冲压力，为冲压设备的选择打 好基础。论述了落料、冲孔复合模刃口尺寸的计算。主要是冲孔凸模、落料凹模 和凸凹模的刃口尺寸。通过科学计算进行强度校核，以保证冲压件的精度。 北华大学学士学位论文 14 第五章 模具零件的 catia 三维设计 5.1 软件简介 本次设计是利用用 catia 软件完成的， 在这一章节中来展示三维图。 catia 是英文 computeraidedtri- dimensionalinterfaceapplication 的缩写。 是世界上一种 主流的 cad/cae/cam 一体化软件。在 70 年代 dassaultaviation 成为了第一个 用户，catia 也应运而生。从 1982 年到 1988 年，catia 相继发布了 1 版本、2 版本、3 版本，并于 1993 年发布了功能强大的 4 版本，现在的 catia 软件分为 v4 版本和 v5 版本两个系列。v4 版本应用于 unix 平台，v5 版本应用于 unix 和 windows 两种平台。v5 版本的开发开始于 1994 年。为了使软件能够易学易用， dassaultsystem 于 94 年开始重新开发全新的 catiav5 版本，新的 v5 版本界面更 加友好，功能也日趋强大，并且开创了 cad/cae/cam 软件的一种全新风格。 在工业制造领域，catia 工作站版是航空航天工业上市场占有率最高的 cad/cam 软件。随着新的 catia 个人计算机版本（v5）的推出，许多世界级 的企业都已开始采用新的 catia （v5） ，除了传统汽车，航空航天，造船工业外， sony，sanyo 等生产 3c 电子产品的企业也开始广泛采用。除了 catia 本身 所提供的强大设计功能之外，还可以和产品生命周期管理相关软件进行集成。 catia 功能强大，其自由曲面与装配设计的强大功能可以让使用者尽情发挥。 在汽车模具设计中，catia 的造型模块功能可以完成造型的整个过程。 这个模块的主要功能可提供面线的合并，线,面，剪切，面连接，面偏移旋 转，放大比例，交面，投影，平行曲线，圆，曲线，线倒角，面倒角，绘制草图， 标注，建立曲面，曲面延伸，旋转曲面建立，球面建立，空隙填补，面的偏置和 面的外推等。这些功能主要用来建立面编辑面。在汽车覆盖件的设计上，本模块 起了主要作用。 本模块主要用来处理点云，利用点云来进行建型。在由测量得到的点云上进 行建型，从而使建型过程更加简单。这个模块主要包括点云激活，可以激活整个 点云的某一部分，使点云在操作起来更方便；点云稀化工具可将操作数据减少， 使计算机运算方便； 在点云上直接建造平面或曲面； 把点云轮廓勾画出来的工具； 在点云上打剖面线，分析点云面的形状和曲率的变化； 在逆向工程中，本模块是主要的工具，处理点云同时并得到希望得到的面。 再利用点云进行造型，快速表面改造模块是不可缺少的模块，它可以很方便的处 理点云，能够更加快速的进行造型，提高建型速度，从而减少汽车的研制生产周 期，使产品能够更加快速的投入到市场。 北华大学学士学位论文 15 5.2 软件在设计中的应用 利用原有的零件二维图纸进行三维模型设计， 由于原图纸不是由三维模型转 换形成，有一些结构和尺寸不合理，在进行三维模型设计时不能实现，我们就根 据实际情况采取了最接近原要求的方法来实现。同时，还可以优化模具的结构和 性能。 由于设计时主要采用 catia 的实体设计功能，那么设计过程中的倒角处理 就显得相当灵活。一般情况下我们按照“由大到小，内外相换”的规律，“由大到 小”即由大倒角到小倒角的次序，这样在数学模型的计算上比较好处理。 在零件的三维模型基础上，结合生产实际情况进行模具的设计。由于详细设 计和模具设计是两个工作性质不同的阶段，我们在模具设计时利用 catia 的 solide- publish/import 功能将模型 import 到模具模型中，这样模具模型 的数据量就相当小，结构树也相当简洁。如果模型改动时，我们也非常容易通过 change- link 的功能修改模具模型。 而且， 由于 catia 所具有的这种功能， 结合模具的整个设计加工实际流程， 应用现在流行的并行过程的概念，不同阶段的工作同时进行，在保证模具质量的 前提下，大大缩短了模具设计加工的工期，为公司的新产品生产试制争取了宝贵 的时间。 由于模具设计加工的工作比较多，在本次任务的一开始，我们对一些常用的 结构做了规范设计，在此基础上，采用 catia 软件的 detail design、 paramtric variational modeler、feature design 的不同方式进行设计。 5.3 模具零件的结构设计 5.3.1.工作零件的结构设计 5.3.1.1 凹模结构设计 凹模采用矩形板状结构和直接通过螺钉、销钉与下模座固定的固定方法。因 冲件的批量较大， 考虑凹模的磨损和保证冲件的质量， 凹模刃口采用直刃壁结构， 刃壁高度取 5mm，漏料部分沿刃口轮廓单边扩大 0.8mm（为便于加工，落料凹 模漏料孔可设计成近似于刃口轮廓的简化形状） 。凹模尺寸计算如下： 沿送料方向的凹模型孔壁间最大的距离为 l=31.81+21.2+10.6163.6（mm） 垂直与送料方向的凹模型孔壁间最大距离为 b=31.420.5+26=42.4mm（mm，取侧刃厚度为 6mm） 北华大学学士学位论文 16 沿送料方向的凹模长度为 l=l+2c=63.6+220=103.6（mm，查表 3- 20，取 c=20mm） 垂直送料方向的凹模宽度为 b=b+2c=42.4+2x20=82.4(mm) 凹模厚度为 h=k1k 2 3 1 . 0 f =11.25180601 . 0=15.2(mm,查表 3- 21，取 k1=1,k2=1.25) 根据算得的凹模轮廓尺寸，选取与计算值相近似的标准凹模板轮廓尺寸为 lbh=100mm80mm16mm。 凹模的材料选用 crwmn，工作部分热处理淬硬 6064hrc（材料及热处理 选用参考表 8- 3） 。 凹模结构设计包括：确定凹模的外形尺寸和凹模板的厚度，选择凹模形孔侧 壁的形状，布置凹模板上形孔、螺孔和销孔的位置以及标注尺寸等等。 凹模板常用螺钉与上模座连接，并用销钉定位。采用螺钉和销钉固定时，要 保证螺孔间、螺孔与销孔间及螺孔或销孔与凹模刃口间的距离不能太近，否则会 影响模具寿命，从保证凹模强度考虑，对这些孔到凹模板边缘与刃口边缘以及这 些孔之间的最小距离，应当加以限制。 螺孔中心到凹模板外缘尺寸 如凹模需要淬火时，当螺孔中心到凹模外缘等距时，孔中心到外缘距离为 15mm 销孔中心到凹模板外缘尺寸 圆柱销孔中心到凹模板外缘尺寸的距离应保证打入圆柱销时孔壁最薄处不 产生变形。否则，轻者造成圆柱销松动，使定位不精确，严重时可能胀裂销孔。 因此销孔中心到阿凹模板外缘允许的最小距离应加以控制。查表 2- 197得到，销 孔中心到凹模板外缘的最小距离 l 为 25mm。三维立体造型如图 5.1 所示。 北华大学学士学位论文 17 图 5.1 凹模 5.3.1.2 凸模结构设计 (1)凸模结构设计的三原则 为了保证凸模能够正常工作， 设计任何结构形式的凸模都必须满足如下三原 则。 精确定位 凸模安装到固定板上以后， 在工作过程中其轴线或母线不允许发生任何方向 的移位，否则将造成冲裁间隙不均匀，降低模具寿命，严重时可造成啃模。 防止拔出 回程时，卸料力对凸模产生拉伸作用。凸模的结构应能防止凸模从固定板中 拔出来。 防止转动 对于工作段截面为圆形的凸模，当然不存在防转问题。可是对于一些截面比 较简单的凸模，例如长方形、半圆形、矩形等，为了使凸模固定板上安装凸模的 型孔加工容易，常常将凸模固定段角化为圆形，这就要必须保证凸模在工作过程 中不发生转动，否则将啃模。 以上三条原则主要是从凸模安装固定方法考虑的。 (2)冲孔凸模的结构类型 通过对零件的分析， 由于由零件上有 5 个孔， 要保证所冲 5 个孔的位置精度， 北华大学学士学位论文 18 零件尺寸又不大，因此为了保证凸模的强度、刚度及便于加工和装配，把凸模做 成圆滑过渡的阶梯型，并采用铆接的方式固定在凸模固定板上。 凸模的三维立体造型如图所示。 图 5.2 凸模 5.3.2 卸料装置的设计 1 弹压式导板。导板由独立的小导柱导向，用于薄料冲压。导板不仅有卸料 功能，更重要的是对凸模导向保护，因而提高了模具的精度和寿命，当冲件材料 厚度0.83mm 时，导板孔与凸模配合为 h7/h6(如图 5.6 所示)。弹性卸料装置 由弹性卸料板，卸料螺钉与弹性元件组成。采用橡胶块作为弹性元件，工作原理 是冲程时，橡胶块受压缩而积蓄能量，并使弹性卸料板产生压力而起压料作用； 回程时，橡胶块释放能量，使弹性卸料板产生反向推力而起卸料作用。因此，弹 性卸料装置很适合于冲薄料和要求工件平整的模具采用。在顺 装模具中，安装在上模，而在倒装模具中，它又可安装在下模。 (1)弹性卸料板的设计 弹性卸料板的平面外形尺寸等于凹模板尺寸，厚度取凹模厚度的 0.60.8 倍，卸料板厚度为 18mm。卸料板与凹模的双边间隙根据冲件料厚确定，一般取 为 0.10.3mm（料厚时取大值，料薄时取小值） 。 查表 5- 22，选用卸料板：1008018(jb/t 7643.1- 1994)。如图 5.3 所示。 北华大学学士学位论文 19 图 5.3 卸料板 (2)弹性元件的选用和计算 由于模具比较小，所以本次设计采用弹簧作为弹性元件。安全与安装调整方 便等优点。 考虑到模具结构，选用四个弹簧，则每个弹簧所承受的预压力为： fy=f卸料力/4=1084/4=271n 查表 11- 3611，选择弹簧：2.512 40 (gb 2089- 1980)。 (3)卸料螺钉及其设置 卸料螺钉是固定在弹压卸料板上的螺钉，用于限制弹压卸料板的静止位置。 1)卸料螺钉的特点 螺纹长度虽短但与光杆段有台阶，可保证旋入弹性压力板后不易松动 螺钉长度使指光杆段长度且有公差要求， 便于保证弹性卸料板工作平面与 模面平行。 螺钉材料为 45 号钢且要求热处理硬度为 3540hrc，以便保证螺钉有足 够的强度，能够承受卸料过程中反复作用的拉应力。 2)卸料螺钉的设置 卸料螺钉的长度的确定: l=16mm+24mm=40mm 模座沉孔深度的计算: h=11mm+4mm+10mm=25mm 3)卸料螺钉的选择 北华大学学士学位论文 20 在本次设计中，卸料螺钉采用圆柱头内六角卸料螺钉，查阅模具设计大典 （第 619 页）选取的卸料螺钉为 m6，如图 6.4 所示，材料为 45 钢，热处理硬度 为 3540hrc。 5.3.3 模架及其零件 上下模板用于安装固定模具的全部主要零件，起着支撑和传递冲压力的作 用。模板可带导柱和不带导柱两种，带导柱的模板已标准化，设计时，选取标准 模架。 模架分为很多种，有对角式模架、四导柱模架、后侧导柱模架等等。 1) 模架 通过对零件进行分析， 根据决定采用导柱模模架中的滑动导向模架的导向结 构形式。 主要由于在滑动导向模架中， 导柱与导套通过小间隙或无间隙滑动配合， 而且导柱、导套结构简单，加工与装配方便。根据导柱、导套在模架中的安装位 置不同，采用后侧导柱模架。由于它的导向装置在后侧，纵向送料比较方便。 根据凹模周界长度，所选用的模架规格如下: 模架：100mm80mm(120- 145)（gb/t2851.3- 1990） 2) 导向零件 由于零件生产批量较大，为保证模具有较高的精度和寿命，采用导向零件对 上、下模进行导向，以保证上模相对于下模的正确运动。导向零件采用导柱、导 套。根据需要，采用 a 型可卸导柱和 b 型导套，导柱与导套按 h7/h6 或 h7/h5 配合。 当模具处于闭合位置时， 导柱上端面与上模座的上平面应留 1015mm 的距 离， 导柱小端面与下模座下平面应留 25mm 的距离。 导套与上模座的上平面应 留不小于 3mm 的距离。材料均为 20 钢，热处理条件为：渗碳深度 0.81.2mm， 硬度为 hrc5862，技术条件按 gb/t2861- 1990 的规定， 图 5.4 圆柱头内六角卸料螺钉 北华大学学士学位论文 21 查表 5- 82得到导柱与导套的规格： 导柱：20100（gb/t2861.1- 1990） 20 钢（如图 5.5） 导套：203265（gb/t2861.6- 1990） 20 钢（如图 5.6） 3)上、下模座 上、 下模座的作用是直接或间接地安装冲模的所有零件，并分别与压力机的 滑块和工作台连接，以传递压力。 设计时应注意以下几点： 模座的外形尺寸根据凹模周界尺寸和安装要求确定 所设计的模座必须与所选压力机工作台和滑块的有关尺寸相适应， 并进行 必要的校核。如下模座尺寸应比压力机工作台或垫板孔尺寸每边大 4050mm 等。 上、下模座的导柱与导套安装孔的位置尺寸必须一致，其孔距公差要求在 0.01mm 以下。 模座材料视工艺力大小和模座的重要性选用，一般的模座选用 ht200 或 ht250，也可选用 q235 或 q255，大型重要模座可选用 zg35 或 zg45。 根据模架类型和凹模的周界尺寸，查表 5- 82得到模座的标准尺寸如下： 上模座：1008025（gb/t2855.5- 1990） ht200 下模座：1008030（gb/t2855.6- 1990） ht200 5.3.4 其他支承与固定零件 1) 模柄的类型及选择 模柄的作用时把上模固定在压力机滑块上， 同时使模具中心通过滑块的压力 中心，中小型模具一般都是通过模柄与压力机滑块相连接的。在这里根据需要， 选用压入式模柄。 查表 5- 512得到模柄的标准尺寸如下： 图 5.5 导柱 图 5.6 导套 北华大学学士学位论文 22 a3078（jb/t 7646.1- 1994）材料 q235(如图 6.6) 图 5.7 压入式模柄 5.3.5 固定板的选择 凸模固定板的作用是将凸模固定在上模座的正确位置上。 凸凹模固定板的作 用是将凸凹模固定在下模座的正确位置上。通常情况下，凸、凹模固定板的外形 与尺寸与凸、凹模的相同，厚度为板厚的 6080，但是考虑到本工件形状 较复杂，因此将固定板设计成长方形。 固定板与凸凹模为 h7/n6 或 h7/m6 配合，压装后将凸凹模端面与固定板一 起磨平。由于本模具为多凸模固定板，所以凸模安装孔之间的位置尺寸要与凹模 型孔相应的位置保持一致。 查表 5- 22得到固定板的尺寸为： 凸模固定板：1008018 (jb/t7643.2- 1994) 材料 q235 图 5.8 凸模固定板 北华大学学士学位论文 23 5.3.6 紧固件的设计与选用 模具设计时，螺钉和销钉的选用应注意以下几点： (1) 同一组合中，螺钉的数量一般不小于 3 个，被联接作为圆形时用 36 个， 为矩形时用 48 个,并尽量沿被联接件的外缘均分布置。 销钉的数量一般都用两 个，且尽量远距离错开布置，以保证定位可靠。 (2) 螺钉和销钉的规格应根据冲压工艺力大小的凹模厚度等条件确定， 螺钉规格 可参考表 4- 368选用，销钉的公称直径可取与螺钉大径相同或小一规格。螺钉的 旋入深度和销钉的配合深度都不能太浅， 也不能太深， 一般可取公称直径的 1.5 2 倍。 (3) 螺钉之间、螺钉与销钉之间的距离，螺钉。销钉距凹模刃口及外边缘的距离 均不应过小，以防降低模板强度。 (4) 各被联接件的销孔应配合加工，以保证位置精度。销孔与销孔之间采用 h7/n6 或 h7/m6 配合。 综上所述，在本模具的设计中，选用的紧固件如表 5.1 所示： 名称 标准 尺寸 个数 上模座螺钉 gb/t 70.1- 2000 m840 4 上模座销钉 gb/t 119- 2000 840 2 下模座螺钉 gb/t 70.1- 2000 m840 4 卸料螺钉 jb/t 7650- 1994 m640 4 导料板螺钉 gb/t 70.2- 2000 m840 模柄紧固销钉 gb/t 70.1- 2000 m611 1 5.4 模具总体结构设计 5.4.1 模具类型的选择 考虑到我所设计的零件形状比较复杂，尺寸比较小，内外形也有相对位置要 求，批量较大，因此决定采用冲孔落料级进模。选择级进模的优点生产效率比较 高，容易实现产生机械化和自动化。适应大批量的生产。 5.4.2 定位方式的选择 冲模的定位零件是用来保证条料的正确送进及在模具中的正确位置。 条料在 表 5.1 紧固零件的选择 北华大学学士学位论文 24 模具送料平面中必须有两个方向的限位：一是在与条料方向垂直的方向上的限 位，保证条料沿正确的方向送进，称为送进导向；二是在送料方向上的限位，控 制条料一次送进的距离（步距）称为送料定距。对于块料或工序件的定位，基本 也是在两个方向上的限位，只是定位零件的结构形式与条料的有所不同而已。 挡料装置在单工序落料或复合模中， 主要作用是保持冲件轮廓的完整和适量 的搭边。 根据模具的结构形式，本次设计的冲孔、落料模由于是级进模、零件的尺寸 比较小所以采用侧刃来确定毛坯定位和送料的距离。 5.4.3 卸料与出件方式的选择 卸料和出件装置的作用是当冲模完成一次冲压之后， 把冲件或肥料从模具工 作零件上卸下来，以便冲压工作继续进行。通常，把冲件或废料从凸模上卸下来 称为卸料，把冲件从凹模上卸下成为出件 卸料装置分为刚性和弹性两类。刚性卸料板一般安装在凹模上面。这种结构 的卸料板，结构简单、卸料力大，故卸料可靠，卸料板之卸料孔与凸模之间的单 边间隙可取板料厚度的 0.10.5 倍。冲模采用弹性卸料装置时，所得制件平整， 故适用于薄料及精度和平整度要求较高制件的冲模选用。 卸料力多有弹簧或者橡 皮产生。由于弹簧或橡皮使用一段时间后，其弹力就会因疲劳而衰减，往往使卸 料不可靠，有时