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1 模具热处理及其导向平行设计 李雄， 张鸿冰 ， 阮雪榆 ，罗中华， 张艳 摘要 ： 在一系列方式中，传统模具设计方法存在许多缺点。众所周知 ,热处理对模具起着非常重要的作用。为了克服模具热处理工艺存在的缺点，一种新的模具热处理工艺并行设计方法已经被开发出来了。热处理 术是集成了并行环境和有关模型而建立的。这些调查研究可以显著提高效率，降低成本，并保证产品质量达到 R 和 D 级。 关键词 ： 模具设计；热处理；模具 传统模具设计主要是依照自身实践经验或依照部分实践经验，而不是制造工艺。在设计完成之前，模具方案通常要被一 次又一次的改进，于是有些缺点便出现，例如开发时期长，成本高和实际效果不明显。由于对精确性、使用寿命、开发期和费用的严格要求，先进的模具要求设计和制造得十分完善。因此越来越先进的技术和创新方法被应用其中，例如并行工程、敏捷制造业、虚拟制造业、协同合作设计等。 模具的热处理与模具设计，制造和装配同样重要。因为它对模具的制造装配和使用寿命又及其重要的影响。模具设计与制造发展十分迅速，但是热处理发展却严重滞后它们。随着模具工业的发展，热处理必须保证模具有良好的制造装配和磨损耐热性能。不切实际的热处理将导致模具材料过 硬或过软，同时影响模具装配性能。传统的热处理工艺是按照设计师提出的方法和特性制作出来的。这样会使模具设计师和热处理工艺师意见产生分歧，而模具设计师却不能充分地了解热处理工艺和材料的性能，相反热处理工艺师却很少了解模具的使用环境和设计思路。这些分歧将在很大程度上影响模具的发展。因此，如果把热处理工艺设计放在设计阶段之前，则缩短开发周期，减少花费和保证质量等目标将会被考虑，而且从串行到并行的发展模式也将会实现。 并行工程是以计算机集成系统作为载体，在开始以后，每个阶段和因素都被看作如制造、热处理、性能等等，以避 免出现错误。并行模式已经摒除了串行模式的缺陷，由此带来了一场对串行模式的革命。 在当前的工作中，热处理被集成到了模具开发的并行环境中，同时也正在进行这种系统性和深入性的研究。 2 并行模式与串行模式存在根本的不同（见图 1）。对于串行模式，设计者大多考虑的是模具的结构与功能，但很难考虑相关的工艺，以致前者的错误很容易蔓延到后面。与此同时，设计本门很少与装配，预算会计和销售部门沟通。这些问题当然会影响模具的开发进度和市场前景。然而在并行模式中，不但以上部门关系联系密切，所有参加模具开发的部门 都与买家有密切的交流。这有助于协调各部门消除矛盾，提高工作效率，同时降低成本。 并行环境下的热处理工艺不是在方案和工件确定以后，而是在模具设计的时候制定出来的。这样的话，将有利于优化热处理工艺，充分利用材料。 3 体化 从图 2 中可以看出，热处理工艺的设计与模拟是一体化模式的核心。在信息输入产品模块中后，经热处理工艺过程产生的热处理 热处理 块将对于零件图，热处理以后模拟温度场的微观结构分析和可能出 现的缺陷（例如过热，烧伤）自动划分网络，如果优化是根据立体视觉技术的结果重新出现，则这项热处理工艺已经被审核。而且工具与夹具的 集成于这种系统中 以并行工程为基础的集成模式可以与其它类似模式共享信息。这样使热处理工艺得到优化，并确保改工艺准确。 用三维模型和立体视觉技术的热处理 在形成模具的基础上，材料，结构和尺寸的问题能通过热处理三维模型尽快发现出来。在热处理过程中，模具加热条件和相变条件是切合实际的，因为通过计算相变热力、相变动力、相应力、热应力、传 热速度、流体动力等已经取得重要突破。例如，能进行局部复杂表面和不对称模具的三维热传导模型计算，和能进行微观结构转变的 件模型。计算机能够在任何时间提交温度，微观结构和应力的信息，并通过连接温度场微观结构领域和力场来显示三维形式的全部改变过程。如果再加上这种特性，则各部分性能都能通过计算机预见。 4 处理工艺设计 由于对强度和硬度，表面粗糙度和模具热处理变形的特殊要求，淬火介质的种类、淬火温度、回火温度和时间等参数特性必须经过适当的选择，以及是否使用表面淬火或化学热处理，这种特性必须准确的制定下来。自从计算机技术在最近几十年迅速的发展，难以进行大型计算已经成为过去。通过模拟和仔细考虑热处理特性，热处理后的成本和所须时间，这些都并不难优化热处理工艺。 处理数据库 热处理数据库在图 3 中描述。数据库是制定热处理工艺的基础。一般来说，热处理数据库分为材料数据库和工艺数据库。通过材料和工艺来预测特性已成为一种必然的趋 势。尽管很难建立一个特性数据库，但通过一系列的测试来建立数据库是必要的。材料数据库包括材料牌号、化学成分、性能和国内外同级别目录表。工艺数据库包括热处理标准、种类、保温时间和冷却温度。基于数据库，热处理工艺可以通过推理规则创造出来。 处理工具和设备 在热处理工艺确定以后，工具及设备 统传送设计和制造的数值信息来控制装置。通过快速模具成型，可靠的工具和夹具都能被确定。整个程序通过网络传送，不存在任何人为干扰。 度，微观结构，应力和特性的联系 热处理程序是一 个温度，微观结构和应力互相作用的程序。三方面都能影响材料特性（见图 4）。在加热和冷却期间，当微观结构转变时热应力和相变迟 5 早会出现。微观结构温度相变和温度微观结构应力特性相互影响。对相互作用的四个因素的调查已经取得很大的发展，但普通的数学模型还没有建立。许多模型能很好的满足测试结果，但不能投入到实践当中。大部分模型的难点是用分析的方法处理的，同时数值方法也运用了，导致存在不准确的计算 。 图 即使如此，把经验方法与定性分析相比较，通过计算机来进行热处理模拟取得了很大的进 展。 型的建立和融合 在模具的开发过程中，涉及到设计、制造、热处理、装配、维修等。它们应该有自己的数据库和模型。它们通过事物的内在联系建立模型，互相串联起来，尽管建立和运用动态推理机制，但其目的在于完成优化设计。产品模型和其它模型的联系已被建立。如果细小组织模型发生改变，则产品模型也将改变。事实上，它属于数据库与模具之间的联系。当热处理模型集成到系统以后，它已不再是一个孤立的单位，而是一个部分，同时在系统中接近其它模型。在搜查后，热处理数据库的计算和推理能力，热处理程序都被几何模型，模具制造模型和预 算所限制，这是通行的。如果这种限制不服从，系统会发出解释性的警告。 所用设计的细小组织都是通过互连网连接的。 部分之间的管理和协调 复杂的模具需要其中各项目组之间密切合作。因为考虑到模具的开发，各部分都存在缺点，它必须得到管理和协调。首先，各项目组应该确定其本身的控制条件和资源要求，同时了解不同环境下的工作程序，以避免发生冲突。其次，要提出开发计划和建立监控机制。如果开发受到限制则可逐步排除。 敏捷管理和协调有助于交流信息，提高效率和减少材料。同时这有利于激 6 发人的创造力，消除阻碍和制定出最好的方法。 热处理 术已被集成到模具并行设计中去，同时热处理已被制成图表，这有利于提高效率，较易发现问题并解决问题。 模型的开发已在同一个平台运行。在这个平台中，当热处理工艺制定出来后，设计人员可获得相关信息和转让部分信息到其它设计部门。 制定出正确的开发计划并按时调整可以极大缩短开发周期和降低成本。 文献出处 ： 李雄，张鸿冰，阮雪榆，罗中华，张艳 J. 钢铁研究学报英文版 ， 2006， 13（ 1） :4074 ie in to It is is to A of of in to of AE by or is is of is as to be of is as as it a on of As of by as to by of of of to a if of is in of be of to be as a at as so in to of a In of 1 he 1)to of so of in in of is to of in is In it is to of of 2 ie t be 2 of of AD AE of as is if is to by AD AM -D he be as as -D on of it of -D of at in -D by If be be by ue to be or be It is to by in By it is to is 3 is of is It is an to by it is to a it is to by a of on be by is to of be is by in is no 3 of is a of 4) on on of be of in is so of by of he so in by of be in In it to of is it is no an a is to in is by by is If is by he of is of to be of of in to be be be in is to it is of 4 1) is (2) is on is to on (3) it in 1 ie 000( 2 ， 1995， 5： 229 3 T， H ie 1993， 31(11)： 2709 2725 4 J 000， 35(4)： 1391 5 ， ， ,et AE J J 2001， 111：279 285 6 et 2002， 14(4)： 26 29 文献出处： ie . 006,13(1):4074 第 1 页 共 1 页 目 录 1 引言 2 2 设计 步骤 与 实例 3 计步骤 3 3 冲裁模具设计 4 件 4 件工艺性分析 4 件结构要求 4 件精度和表面粗糙度要求 5 接片工艺性分析 5 定工艺方案 6 定冲压方案 6 定连接片工艺性方案 6 定冲压模具结构形式 6 位零件 7 料、压料、出件方式 8 接片模具结构形式的确定 9 关工艺计算 9 样与材料利用率 9 算冲压力、选择压力机 11 力中心 16 算刃口尺寸 17 具结构设计 21 4 模具结构总设计 29 总 结 30 致 谢 31 参考文献 32 第 1 页 共 33 页 目 录 1 引言 2 2 设计 步骤 与 实例 3 3 3 冲裁模具设计 4 件 4 件工艺性分析 4 件结构要求 4 件精度和表面粗糙度要求 5 接 片工艺性分析 5 定工艺方案 6 6 接片 工艺性方案 6 6 7 料、出件方式 8 具结构形式的确定 9 9 9 择压力机 11 16 17 21 4 模具结构总设计 29 总 结 30 致 谢 31 参考文献 32 第 2 页 共 33 页 1 引言 绪论 模具是工业生产中的重要工艺装备，模具工业是国民经济各部门发展的重要基础之一。 随着 机械工业、电子工业、航空工业、仪器仪表工业和日常用品工业的发展，塑料成型制件的需求量越来越多，质量要求也越来越高，这就是要求成型塑件的模具的开发、设计与制造的水平也必须越来越高。因此，模具设计水平的高高低、模具制造能力的强弱以及模具质量的优劣，都直接影响着各种产品的质量、经济效益的真长以及整体工业水平的提高。 模具作为基础工业 ,它的质量、精度、寿命对其他工业的发展起着十分重要的作用 ,在国际上被称为“工业之母”，对国民经济的发展起着无可置疑的重要作用。近十年来，模具工业得到了蓬勃发展。一切产品的更新换代多离不 开模具，只有提高对模具工业重要性认识才能加速我国工业产品更新换代，才能为我国经济的持续发展提供必要的工业装备，才能使我国工业产品在国际市场上占有一席之地。现在模具行业在激烈的市场竞争中正在向高生产档次、高水平的模具方向发展，竞争的焦点是质量和制造周期，价格是次要的。 大学四年的本科学习即将结束，设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。随着我国经济的迅速发展，采用模具的生产技术得到愈来愈广泛的应用。在完成大学四年的课程学习和课程、生产实习，我熟练地掌握了机械制图、机械设计、 机械原理等专业基础课和专业课方面的知识，对机械制造、加工的工艺有了一个系统、全面的理解，达到了学习的目的。 本说明书在编写过程中，得到老师和同学的大力支持和热情帮助，在此谨表谢意。 虽然在设计中得到了指导老师的用心指导，但由于本人水平有限，而且缺乏经验，设计中不妥之处在所难免，肯请各位老师指正。 第 3 页 共 33 页 2 设计 设计步骤与实例 计步骤 ： 一个模具工程师接受任务到完成任务进入模具加工阶段，需要有以下 5个步骤： 1、 分析制件工艺性： 1） 审查制件是否具备冲压工艺性。 2） 审核制件冲压经济性。 2、 制定工艺方案： 1） 确定冲压方案。 2） 确定冲压类型和结构形式。 3、 相关工艺计算 : 1） 排样、确定带料宽度，计算材料利用率。 2） 计算冲压力，选择压力机。 3） 计算压力中心。 4） 确定凸、凹模间隙，计算刃口尺寸。 4、 模具结构设计： 1） 确定主要部件（如垫板、固定板、凹模、凸模）的外形尺寸。 2） 确定弹性元件。 3） 选择模柄、模架等标准件。 5、 绘制装配图和零件图。 第 4 页 共 33 页 3 冲裁模具设计 件 如图 2生产要求如下： 生产批量： 10万件每年 材 料： 材料厚度： 2接 片零件图 件工艺性分析 : 制件工艺性是指该零件采用冲压加工的难度 和经济性。分析时，要根据制件零件图或者实物，分析其几何形状、尺寸、料厚、结构工艺性、精度及表面粗糙度要求、制件材料、生产数量是否符合冲压要求。如果冲压工艺性不良，则需要提出修改意见，并与产品设计人员进行协商，经设计人员同意后才可以进行修改，并进行工艺方案的制订。 件结构要求： 制件结构上要注意以下几点： 第 5 页 共 33 页 1、 冲裁件的形状。 冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于材料的合理利用。 2、 冲裁件内形及外形的拐 角。冲裁件内形及外形的转角处要尽量避免尖角，应以圆弧过渡，以便于模具加工时减少由于热处理产生的开裂，减少冲裁时尖角外的崩刃和过快磨损；一般 R t 为料厚 )。 3、 冲裁件上凸出的悬臂和凹槽要避免过长，其最小宽度 b2t，板料厚度2t,并不要小于 34mm;c 5、 为了防止冲裁时凸模折断或者压弯，冲孔的尺寸不要过小。 件精度和表面粗糙度要求 普通冲裁件的尺寸精度等级一般在 下，较高精度可以达到 普通冲裁件的表面粗糙度数值 .3 m ，一般冲裁件剪断表面粗糙度数值如表 2 表 2通冲裁件的表面粗糙度数值 制件厚件 t/ 1 12 23 34 45 表面粗糙度 m 25 50 接 片的工艺分析 1、零件的尺寸精度分析 零件外形尺寸均未标注公差，按照企业要求，制件公差为 一般精度的模具即可满足制件的精度要求。 2、零件结构工艺性分析 零件形状非对称，但无悬臂、凹槽等结构，外形简单，无尖角结构， t=弧半径 足 R 于落料工序，可以冲裁成形。 3、制件材料分析 制件材料 1剪强度 72拉强度b=392461长第 6 页 共 33 页 率 =20%。适于冲压成形。 综合以上分析，得到最终结论，该制件可以用冲压生产的方式进行生产。 定工艺方案 定冲压方案 确定制件工艺性后，需要根据其特性提出冲压工艺方案。这个步骤是制定该制件冲压工艺过程的核心内容。在此项工作中，要针对该制件的 工序性、工序数、工序顺序及组合方式等进行分析，制定出几种不同的冲压工艺方案，最终确定该套模具的类型，模具的类型根据工序组合区分，包括单工序模、复合模和级进模三大类。 确定工艺方案的原则主要有以下三点： 1、 要保证冲裁件质量 在模具类型中，复合模冲出的制件精度高于连续模，而连续模又高于单工序模。所以精度要求较高的制件，可以采用复合模进行加工。 2、 要遵循经济性原则 在设计模具时，还要考虑成本。应在保证制件质量的前提下，尽量选用简易模具，从而提高经济效益。 3、 要保证安全生产 例如一些多工序小型制件，如果用用单工序模进行生 产，在加工过程中容易造成操作失误，很不安全，所以应采用级进模进行冲压。 在制定时，首先需要确定制件的基本工序性质（如落料、冲孔、弯曲等）、工序数（单工序或多工序），进而确定工序的顺序，即提出可行性方案。 总之，确定出最终最佳方案是要综合考虑制件的精度、表面质量、生产数量、企业的实际条件等方面。 定 连接 片工艺方案 通过制件零件图可以知道，要加工该制件，只需要外形落料一个工序，所以本项目只设计一个单工序落料模。 定冲压模具结构形式 第 7 页 共 33 页 在确定工艺方案后，需要根据所选模具类型（单工序模、复合模 、级进模等）确定模具的各个部分的具体结构，包括进料方式、材料定位、定距方式、模架及卸料、压料、出件方式等；同时还应考虑模具维修、保养和吊装的方便，同时要在各个细小的环节尽可能考虑到操作者的安全等。 位零件 1、定位概念 定位是指保证条料、工序或坯料的正确送进及在模具中的正确位置。条料或工序伯在模具中的正确位置包括两方面内容。 1） 条料的横向定位，即导料，也称为送进导向；作用是保证条料正确的方向送进，和条料的横向搭边值；常见的零件有导料销、导料板和侧压装置等。 2） 在送料方向（纵向）上的限位，称为送料定 距，也称为挡料；作用是控制条料一次送进的距离（步距），即保证纵向搭边值。常见的零件有挡料销、侧刃、定位销等。 2、送进导向零件 1）导料销 一般为两个，并位于条料的同侧，从右向左送料时，导料销装在后侧；从前向后送料时，导料销装在左侧，导料销有固定式和活动式两种，固定式一般设置于凹模模板面上，活动式常设置于弹压卸料板上。 2）导料板 导料板设置于条料两侧，有两种类型：一种是与卸料板制成一体；另一种是与卸料板分开制造。导料板间距应比条料宽度大一个间隙值。 常用的定位零件都有标准件，选择时应首选标准件。在应用时除 了要注意孔与凹模孔口的距离外，还要注意其伸出工作平面的高度尺寸，该尺寸与制件材料的厚度有关，挡料销的高度 数值。 导料板宽度 计算公式为： B+式中 B 条料宽度， 1 条料与导料板之间的间隙 第 8 页 共 33 页 3） 侧压装置 为避免条料在导料板中偏摆，保证最小搭边值，可以在导 料板一侧装侧压装置，使条料在送进过程中始终靠紧另一侧导料板。 如果送料材料过薄（ 下），则不适于用侧压装置 ;而且使用侧压装置后送进阻力增大，所以如果采用辊轴送进的自动送料装置不适合与侧压装置配合使用。 3、送料定距零件 1）挡料销 挡料销有固定挡料销和活动挡料销两种。 固定挡料销有两种类型： A 型固定挡料销和钩形挡料销。 A 型固定挡料销常用于中、小型制件的模具中，缺点是销孔与凹模型孔距离过近，削弱了凹模强度；钩形挡料销，这种铛料销的销孔轴线与凹模型孔距离较远，且配合定向销防止其钩头在使用过程中发生 转动，缺点是制造困难，安装麻烦。 活动挡料销也有两种：弹簧弹顶式和扭簧式，定位螺钉之间的距离为 2535料销伸出台面 242)定位板与定位销 定位销与定位板是单个毛坯或工序件的定位零件。其定位方式有两种：外缘定位和内孔定位。 4、 连接 片定位方式 常见的进料方式有手工送料和自动送料两大类。其中手工送料定位简单，有时甚至不用或少用定位零件，依靠工人自己控制，这种方法常用于小型单工序模、复合模的工作中；自动送料常用于级进模加工中，这种送料需要较好的定位、定距和卸料方式，对模具结构要求较高。 由于该模具 是单工序落料，所以生产时采用导料销配合挡料销定位。 料、压料、出件方式 模具的卸料方式有刚性卸料和弹性卸料两大类，也称为固定卸料装置和弹压卸料装置，其中固定卸料装置一般是将卸料板和导料板做成一体，主要功能是从凸模上卸下条料，常用于板料较厚、较硬、精度要求不高、冲裁力较大的落料模 ;弹性卸料装置是通过卸料板与弹性元件（弹簧或橡皮）的互相配第 9 页 共 33 页 合作用来进行卸料的，功能是从凸模上卸下条料，这种装置在冲压时既可以卸料又可压料，特别适于在薄料或制件要求平整的复合模上使用。 在本套设计中，我们采用弹压卸料方式 。 连接 片模具结构形式的确定 在实际生产中，条料的送进采用手工送料，不用导料板或定位销钉等结构，这样，不仅结构紧凑很多，而且也减少了加工难度。另外，为了提高工作效率和安全性，实际生产时也经常采用外置托料板的形式，装托料板与下模座配合使用，既起到导料作用，又起到托料作用，不用时拆卸下来，使模具结构简单，尺寸减少，工作方便简单。 关工艺计算 样与材料利用率 1、排样的概念与方法 冲裁件在板料、带料或条料上布置排列的方法称为排样。排样设计的内容包括：选择排样方法、确定搭边数值 、计算条料宽度、计算送料步距、计算材料利用率、绘制排样图。 好的排样，可以减少废品率，保证制件的质量，使模具结构简单，使用寿命延长。 排样时，制件与制件间，制件与条（板）料边缘之间的余料称为搭边。搭边过大，浪费材料；搭边太小，可能会被拉入凸模和凹模的间隙，使模具容易磨损，甚至损坏模具刃口。一般来说，材料越厚，越软以及冲裁件尺寸越大，形状越复杂，则搭边值也应越大。搭边值通常是由经验值确定。 根据冲裁件在条料上的布置方法，排样有直排、斜排、对排、混合排等多种形式。在冲压生产中，减少废料的产生是节约成本的有效措施 之一。采用何种方式需要分析哪种排样方式的材料利用率比较高。 2、排样图的画法 一张完整的排样图应标注条料宽度尺寸 B、条料长度 L、板料厚度 t、端距 l、步距 S、工件间搭边和侧搭边 a;并以剖面线表示冲压位置。 其中条料长度 于采购原材料。需要注意的是计算出的数值只是理论数值，在采购时考虑第 10 页 共 33 页 冲压时出现的废品量。 排样图不仅要表示清楚冲裁件轮廓形状和冲压顺序，还要表示出凸模刃口的截面形状、凹模的型孔形状、数量和位置。而且沿送料方向应画出数个制件的外形形状，表示落料后 留在条料上的废料孔的形状。 如果是对排等多排排样图，或者双、多凸模结构，在条料上的工件轮廓至少画出三个，用带阴影的线表示出凹模型孔的位置与形状，粗实线表示已经冲完的孔，用双点划画表示预冲工件。这样才能清楚地表达出制件的冲裁过程，并使凹模上型孔间的尺寸关系非常清楚，计算方便。 3、如何计算材料利用率 冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料的利用率。材料利用率是衡量合理利用材料的经济性指标。要确定材料利用率，首先要确定关料步距S。 条料在模具上每次送进的距离称为送料步距，简称跳距。送料步距的大小应为条料上 两个对应冲裁件的对应点之间的距离。一个步距就等于零件直径与两个两件间搭边值的和。 材料利用率的具体公式为： %100如果是板料冲裁，也可以用如下公式： %100n 1 中 一个工件的实际面积； n 一张板料上能加工工件的总数量； L 板料长度； B 板料宽度； 排样时搭边值的选取直接影响到材料利用率的大小，但是提高材料利用率不能以提高模具制造难度为代价。 4、 连接 片排样与材料利用率 刃型挡片外形类似于矩形，一般可以采用直排或者多排，但是由于该制件尺寸较大，所以采用单排直排的排样方案（如图 2较合适。 第 11 页 共 33 页 图 2样方案 由表 2边搭边最小值 a=送料步距 S=条料宽度 B= 知制件面积 A=一个步距的材料利用率为： %100 = %10 =算冲压力、选择压力机 1、计算冲裁力 平刃冲裁的冲压力计算公式： 或 中 冲裁力 L 冲裁周长， mm t 制件厚度， 材料抗剪强度， 12 页 共 33 页 b 抗拉强度； K 安全系数，一般取值 2、计算相关卸料力、推件力和顶件力 冲裁完毕，从凸模或凸凹模上将制件或废料卸下所需要的力称为卸料力 ；从凹模内顺冲裁方向将制件或废料推出所需要的力称为推料力 ；从凹模内逆冲裁方向将制件从凹模孔内顶出的力称为顶料力 。 计算公式分别为： 卸料力 卸 F推= 系数，具体数据可根据制件材料、厚度取值（见表 2 n 卡在凹模直壁洞口内的制件（或废料）件数； h 刃口高度， 表 2卸料力、推件力和顶件力系数（制件为钢件） 料厚 t/ 、 计算总冲压力 总冲 压力基本公式： 计算总冲压力时，需要根据模具结构来选择 推、 些结构没有 不需要计算该数值。 采用刚 性卸料装置，公式为： 13 页 共 33 页 采用弹性卸料装置，公式为： 置，公式为： 连接 片冲压力的计算 刃型挡片冲压力的计算见表 2 2压力的计算 已知制件外圆（落料）周长 L=b=700t= 别 计 算过程 结论 冲 裁 力 700 具采用弹性卸料， 料 力 卸 料 力 F推= 于该垫片模具采用弹性卸料装置，所以总冲压力的计算公式为： 0.3(5、 压力机的选择 压力机的选择是模具设计的一个主要内容。包括选择压力机的类型和确定压力机规格两项内容。 1） 压力机类型及规格 、 选择类型 对于中小型冲裁件、弯曲、拉深 件，主要选用开式压力机；大中型制件的冲裁多采用闭式压力机。 、 选择规格 冲压力是选择压力机的主要依据；在选择压力机时，要确保压力机的公称压力大于总冲压力。 压力机的冲压力可以从压力机参数里查出，在压力机上使用的模具在完成冲裁过程中各种力之和最好在压力机额定压力的 70%80%以内，还要保证操作方便、安全。 压力机的滑块行程要满足制件在高度上的要求，并能保证冲压结束后能顺利第 14 页 共 33 页 取出制件，尤其是拉深件，更要求滑块行程是制件高度的两倍以上。 另外，还要求模具的闭合高度和压力机的闭合高度要相适应，压力机工作台尺寸要大于模 具下模座平面尺寸 5070板孔和工作台孔都要大于制件或者废料尺寸等。 2）、压力机参数 、公称压力 称额定压力，即滑块所允许承受的最大作用力；滑块必须在到达下止点前某一特定距离之内才允许承受标称压力；（这一特定距离称为标称压力行程，或额定压力行程） 例如： 力机的标称压力为 630称压力行程 8示该压力机的滑块在离下止点前 8许承受的最大压力为 630 、 滑块行程 S 指滑块每分钟往复运动的次数；该参 数与生产效率有关。 、 封闭高度 H 滑块在下止点时，滑块下表面到工作台上表面（拆去垫板）的高度。当滑块调整到最上位置时，闭合高度最大，即为最大装模高度（ 滑块在最下止点时，闭合高度最小，称为最小装模高度（ 。闭合高度的范围，是闭合高度调节量。 、 装模高度 H 指滑块在下止点时，滑块下表面到工作台垫板上表面的距离。装模高度与封闭高度差一个垫板高度。 、 其他主要参数 包括工作台尺寸、滑块底面尺寸、模柄孔尺寸等。 3）、与模具 尺寸要适应 冲裁模总体结构尺寸必须与所选压力机相适应。如模座的平面尺寸要与工作台上垫板尺寸匹配；模具闭合高度 冲模的封闭高度 关系是： 第 15 页 共 33 页 （ 5 ( + 101 为垫板厚度，一般情况下，不能拆掉垫板使用压力机。 4）、压力机参数的作用 压力机确定后，需要查取相关参数，如压力机的类型、规格、闭合高度、工作台尺寸、模柄孔尺寸、滑块行程等。这些参数会影响模具的结构尺寸，如模具的闭合高度、模架尺寸等的确定。 压力机相关参数及与后续部分工艺计算的联系如表 2表 2力机相关参数 压力机相关参数 关联工艺数据 关系 公称压力 压力机的公称压力大于总冲压力： 最大封闭高度（装模高度） 模具闭合高度 模具闭合高度在压力机的最大、最小装模高度之间 5 10块行程 模具高度 滑块行程必须满足冲压制件的成形要求；如拉深工艺时，其行程必须大于拉深件高度的 2工作台垫板尺寸 模具长、宽尺寸；下模座孔尺寸 压力机的工作台面应大于模具尺寸，并有安装位置，一般每边大 5070力机工作台面的孔应能保证冲压件或废料落下 模柄孔尺寸 （直径 深度） 模 柄尺寸 模柄直径尺寸要等于模柄孔尺寸 模柄高度要小于模柄孔深度尺寸 漏料孔尺寸 凹模型孔尺寸、下模座相应尺寸 工作台漏料孔尺寸要大于凹模型孔尺寸、下模座相应尺寸，以免塞料，导致爆模 行程次数 生产效率 6、 连接 片模具选用压力机 根据总的冲压力（ 结合工厂实际生产条件，确定采 用 力机。其主要参数如下： 公称压力： 16020 第 16 页 共 33 页 最大封闭高度： 220大封闭高度调节量： 45作台尺寸： 450300柄尺 寸： 40 60、压力中心 1、压力中心概念 冲裁力合力的作用点即冲模的压力中心。该中心应尽量与模柄轴线及压力机滑块中心线重合，否则冲模在工作时就会产生偏弯矩，使模具发生歪斜，继而加速冲模导向机构的不均匀磨损，冲裁间隙不均匀，刃口迅速变印钝，会直接导致制件的质量和模具的使用寿命下降。所以为了保证模具在冲压时保持平稳，保证其正常工作，设计时确定模具的压力中心是至关重要的。 如果制件本身是对称的，则压力中心即是制件的中心；如果制件是非对称件，或级进模上 多个工位的压力中心，则需要进行计算。计算原则就是力平衡原理，即各分力对某坐标轴之力矩之和等于其力对该坐标轴的力矩。 冲裁模压力中心的确定，除上太空的解析法外，还可以用作图法和悬挂法。在实际生产中，很多时候会将刃口形状简化或圆整成某些规则形状，找到一个近似的中心（该中心与压力中心的距离不能超过模具外形尺寸的 1/6），以减少相应在计算过程。但是对于比较复杂的级进模，还是要进行压力中心计算，以防偏心导致模具损坏和制件质量问题。 2、 连接 片压力中心 如图 2制件是不对称形状，所以需要校核一下该制件的压力中 心，计算过程如图 2 首先选取一个坐标系，选取图 2点 O、 位置为坐标原点，然后确定各线段中点到该原点的坐标值；再根据如下公式进行计算。计算过程如下： ) 第 17 页 共 33 页 由于零件的外形尺寸较小，并且形状简单，且计算出来的压力中心误差不超过模具周界尺寸的六分之一，所以我们取最大外形的中心为压力中心 算刃口尺寸 1、间隙值的确定 在模具工艺计算中，刃口尺寸的确定直接影响到制件的成形尺寸是否合格。要计算刃口尺寸，必须先确定冲裁间隙值的大小。冲裁间隙（图 2冲裁模中凹模刃口横向尺寸 凸模刃口横向尺寸 差值 Z。 图 2裁间隙 该数值是影响冲裁工序的最重要的工艺参数。间隙值的大小，直接影响到冲裁力大小、模具寿命、冲裁件质量；冲裁间隙值大致可分为：小间隙、较小间隙、中等间隙、较大间隙、大间 隙五种；选取间隙值的总原则是在满足冲裁件的尺寸精度要求下，一般取偏大间隙值，这样可以降低冲裁力和提高模具寿命。 在冲压实际生产中，主要根据冲裁件断面质量、尺寸精度和模具寿命这三个因素综合考虑，给冲裁间隙规定一个范围值。只要间隙在这个范围内，就能得到质量合格的冲裁件和较长的模具寿命，这个间隙范围就称为合理间隙。这个范围的最第 18 页 共 33 页 小值称为最小合理间隙（ ，最大值称为最大合理间隙（ 合理间隙值的确定一般可以采用查表确定法，该数值在一般冲裁资料中都可以查到，但是要注意间隙值的大小不仅与制件的材料性质和厚度有关，还和制件的断面质量有关。当工件的断面质量没有严格要求时，为了提高模具寿命和减少冲裁力，可以选择较大间隙值；当工件断面及制造公差要求较高时，应选择较小间隙值。此外，还要考虑刃口的磨损，由于在生产过程中的磨损使间隙变大，故设计与制造新模具时应采用最小合理间隙 另外，还有经验值确定法，在实际生产中，通常在 2%20%单面间隙 Z/2. 2、 凸、凹模刃口尺寸计算 1）、 凸、凹模的加工方法 要计算凸、凹模的刃口尺寸，首先要知道凸、凹模的加工方法。由于是工作零件，其尺寸直接影响制件的尺寸精度，而且模具一般为单件生产，所以传统加工都是以配加工为主。即先按照制件图样的设计尺寸加工一个凸模或者凹模作为基准件，然后根据基准件的实际尺寸按照间隙值由钳工配作另一个工作零件。此各加工方法的特点是工作零件的间隙值靠配作保证，要求钳工技术水平高。 随着现代数控加工工业的兴起，传统的加工方式逐渐被淘汰，取而代之的是分开加工法。即凸模、凹模分加按 照图纸尺寸和公差进行加工。这种方法加工出来的零件具有互换性，对那些要求有工作零件备件的模具尤其适用。 现在，在很多加工企业，尤其是模具加工企业，都大力发展特种加工，很多不规则外形的凸模、凹模都用特种加工法直接进行成形加工，不仅有互换性，而且速度快，精度高，是不可替代的加工手段。 2）、分弄加工法计算原则 计算刃口尺寸需要遵循以下原则： 、 落料件光亮带处于大端尺寸，其光亮带是因凹模刃口挤材料产生的，且落料件的大端（光面）尺寸等于凹模尺寸；所以落料外形尺寸主要决定与凹模孔口尺寸，即落料模需要先计算凹模尺寸。 、 冲孔 件光亮带处于小端尺寸，其光亮带是凸模刃口挤切材料产生的，且冲孔件的小端（光面）尺寸等于凸模尺寸；所以冲孔孔径第 19 页 共 33 页 尺寸主要决定于凸模尺寸，即冲孔模需要先计算凸模尺寸。 、 凸、凹模刃制件应有合理间隙值。不管落料还是冲孔，冲裁间隙一般选用最小合理间隙值（ 。 、 凸、凹模刃口计算公式由于落料与冲孔的基准尺寸不同而不同。落料时，首先确定凹模刃口尺寸，凸模刃口的基本尺寸等于凹模刃口的基本尺寸减去最小间隙值得到；冲孔时，首先确定凸模刃口尺寸，凹模基本刃口尺寸等于凸模刃口的基本尺寸加 上最小间隙值得到。具体公式见表 2 、 凸、凹模的制造公差应与制件尺寸精度相适应，偏差值按照入体原则标注。 综上所述，计算刃口尺寸的基本步骤如表 2 表 2开加工法刃口尺寸计算基本步骤 序号 步骤 公差 依据 1 确定间隙值 Z/双边值 ) Z= 凹模尺寸（ 凸模尺寸（ 查表确定或经验值确定 2 确定凸、凹模基准刃口尺寸 /料时，首先确定凹模刃口尺寸 （ ） (+ 0/ ) 冲孔时，首先确定凸模刃口尺寸 ）（ 0/- ） 磨损系数； 制件公差 区分落料和冲孔工序： 落料尺寸 =凹模尺寸 冲孔尺寸 =凸模尺寸 3 计算凸、凹模刃口 尺寸 /料时，凸模刃口的基本尺寸 冲孔时，凹模基本刃口尺寸 4 刃口偏差 /模刃口偏差 (+ 0/ ) 凸模刃口偏差（ 0/- ） 入体原则 第 20 页 共 33 页 5 刃口精度 /模刃口公差 +凸模刃口公差 与制件尺寸精度相适应 计算设计基准刃口尺寸时，需要查表确定参数 （磨损系数），该值在 之间。 3）、配加工计算 如果是传统的配加工，则是在作为基准的凸模或凹模图纸上标注尺寸和公差，在另一个工作零件图纸上不标注公差，只标注尺 寸，在技术要求中要注明“按基准配作，保证间隙值在 计算刃口尺寸可以按照以下步骤： 、 落料件以凹模作基准，冲孔件以凸模为基准。 、 判断基准件刃口磨损后尺寸变化的情况： 损后尺寸变大；损后尺寸减少； C 类尺寸，磨损后尺寸不变。 、 （ ） (+ 0/ ) 、 ）（ 0/- ） 、 /2） / 式中 该类尺寸的最小值。 4）、特种加工 采用电加工方式加工工作零件时，要先绘制一个基准图作为电加工的基准。落料时凹模尺寸按照基准图加工，凸模尺寸等于凹模尺寸减去一个间隙值；冲孔时凸模尺寸按照基准图加工，凹模尺寸等于凸模尺寸加上一个间隙值。 冲孔时： ）（ 0/- ） 落料时： （ ） (+ 0/ ) 第 21 页 共 33 页 中心距： /8 落料凹模 的各尺寸： +） +） 2=( +） +） 3=( +） +） 4=( +） +） 模的各尺寸： 查表 21- ( +） +） mm ( +） +） mm ( +） +） mm ( +） +） 、 连接片 模具工作零件实际刃口尺寸的计算 图 2了降低工作难度，所以在实际生产中按照 级确定各尺寸公差；零件为不规则形状，属于落料件，所以凹模尺寸按零件图尺寸加工，各尺寸减去一个间隙值即为凸模尺寸。本例中间 隙按表 2 具结构设计 1、确定凹模尺寸 在模具结构设计时，首先确定凹模结构尺寸。凹模设计时的主要内容包括： 、 确定凹模材料； 、 确定凹模型孔侧壁形状； 、 确定外形形状与装配结构； 、 确定凹模周界尺寸； 、 确定凹模板上型孔、螺钉孔、销钉孔的位置及尺寸等； 、 确定凹模板的厚度尺寸。 第 22 页 共 33 页 2、 凹模型孔侧壁形状的确定 、凹模刃孔口结构 凹模刃口结构有直壁式、斜壁式两类。从刃口强度方面，直壁式刃口比斜壁式高；从加工角度，斜壁式刃口更容易加工。一般情况下，全直壁式型孔和斜壁式只适用于逆出式模具 ，顺出式模具常用阶梯形直壁型孔；漏料口可以采用钻孔或铣削制成。但是无论采取哪种结构，都要注意凹模刃口高度 、废料堆积 在选择刃口形式时，还要考虑防止废料堆积的问题。以下是常见的容易产生废料堆积的因素： 、 凹模刃口有效高度（直线部位）过长； 、 骨表面让位形状不适合； 、 凹模内部的表面较粗糙； 、 凹模、模具垫板、模座的孔中心偏移造成台阶； 、 冲裁废料相互连接，呈棍状下落时，堆积住让位孔； 、 废料带磁性； 、 薄板或小孔冲裁，因冲裁废料重量轻，即使一个小障碍也会导致废料堆积。 例如，凹模刃口有效高度 h 过大， 在冲裁过程中积存在凹模型孔内的落料件或冲孔废料的片数将增加，结果一方面是凸模受到的反顶力增大，会使凸模，尤其是细长凸模在冲压时容易损坏。另一方面孔口内堆积材料过多，会直接导致凹模刃口崩裂，导致模具报废等严重后果。所以在设计时要综合考虑刃口形状。 又如在冲裁 下的薄板时，台阶式直壁凹模孔口容易塞料，材料从孔口被推出后，材料会在凹模内翻转，所以，凹模底部扩孔尺寸不宜过大（一般比型孔尺寸大 否则容易因为材料的翻转导致堵塞孔口，导致废料堆积；而斜壁式则可防止废料转落，减少由于废料堆积带来的 故障，但是孔口是倾斜的，刃口强度不如直壁式高。 、废料回跳 冲裁时，废料回跳会引起制件质量缺陷、模具损伤等，特别是薄板小径冲第 23 页 共 33 页 裁，凹模之间的约束力较少的切边容易引起废料回跳。废料产生回跳的主要原因有真空产生的吸附、吸附到凸模刃口处、油液产生的吸附、凸模的磁力和凹模压缩空气引起的负压等。一般的冲裁间隙中，排出废料的尺寸小于凹模孔径尺寸，也容易发生回跳。 解决废料回跳的方法有以下几种： 、 选用特种凸模 斜刃口凸模、顶料凸模、带气孔凸模等。 、 凹模结构改变 以真空产生吸引，增加刃口内面的粗糙度，切刃采用微小侧角等 。 、 其他措施 改变轮廓形状，减小冲裁间隙，加大凸模进入凹模的深度。 、 专用防废料回跳型凹模 一些提供模具标准件的厂家，有一种防废料回跳型凹模。在这种凹模内表面加工了两条以上的斜槽，这样在冲裁时，冲裁废料被压入凹模型孔，废料对应于凹模斜槽的小突起部位，再经过凸模往下压，突起部位会被凹模侧面压缩，因而达到防止废料回跳的作用。但是由于是通过在废料上形成小突起部位而防止回跳的，所以这种结构不适合精密孔冲裁、下料等情况。 3、 凹模外形与装配结构 确定凹模尺寸前，要先考虑凹模的外形及装配结构。 凹模的外形有圆 形和矩形，装配结构有整体式和镶拼式，刃口也有平刃和斜刃。实际生产中，在凹模上开设所需要的凹模型孔，用螺钉、销钉将凹模板直接固定在下模座上。 由于该制件外形近似于矩形，且尺寸不大，所以该套模具凹模外形为矩形，并采用整体式凹模结构。 4、 凹模外形的确定 1）、确定原则 凹模外形尺寸指的是凹模板的整体尺寸。凹模的外形有矩形和圆形两种，需要根据模具结构确定。下面以矩形凹模为例说明如何确定凹模板的尺寸。 凹模板的尺寸包括长（ L） 宽（ B） 高（ H），从凹模刃口（ b l）至凹第 24 页 共 33 页 模板外边缘的最短距离称为凹模壁厚 C。 凹模壁厚 长度 的值。其最小值可以参考 凹模外形尺寸并不能简单地从凹模型孔向四周扩大一个壁厚 为凹模板上还会有定位零件，如导料板等结构、还要考虑凹模板的安装尺寸等。在确定凹模外形尺寸时，还需要注意如下身体上内容： 、 相关螺纹孔、销钉孔与刃口边的最小距离； 、 螺纹孔与销钉孔与刃口之间的最小距离； 、 弹性元件的外形尺寸； 、 进料方式； 、 定位、定距 方式。 在实际生产计算中，螺孔中心到刃口边缘或者销钉孔边缘的距离，一般可以按照 冲模中的定位销常选用圆柱销，选用直径与螺钉直径相等或小一个规格，一组定位采用两个销钉，在模具内部的长度一般是其直径的 2 固定常采用内六角螺钉，这类螺钉坚固可靠，螺钉头不外露，整个模具外形齐整。拧入铸铁件的螺钉深度一般是螺钉的 2；拧入一般钢件的深度是螺钉直径的 倍。螺钉直径的选用与模板厚度有关，如表 2出了凹模固定用螺钉直径与凹模厚度的关系。 表 2定螺钉直径与凹模厚度的关系 凹模厚度 / 13 1319 1925 2535 35 螺钉规格 5、 6、 8、 10、 ）、 连接 片模具的凹模周界尺寸 确定凹模周界时，首先将凹模刃口 1： 1 绘制出来，然后以此为界画一个外框，由于本例中选择 钉和 6 的销钉，所以以该线框为界向外扩展 2 倍直径，即是螺钉、销钉中心线位置；再由此位置往外扩展 2倍直径尺寸，即是 凹模周界尺寸。则推出凹模周界尺寸为 46。 5、 连接 片模具凹模结构 该套模具凹模材料为 度 6164要求非刃口锐角倒钝。查国家标第 25 页 共 33 页 准凹模结构图如下： 图 2模结构图 6、 确定凸模尺寸 凸模设计时的主要内容包括：确定凸模材料、确定装配结构、确定凸模长度尺寸。 1）、凸模安装方法 凸模安装时要保证其精确定位，要防止凸模在工作中拨出，如果截面形状是非圆形，还要防止转动。 一般凸模需要固定在凸模 固定板上，并在上面配置垫板，避免在工作中冲击模座。凸模的固定方法，决定了凸模的结构样式。凸模的固定方式一般有台阶式、胶粘式、铆接式等。在本套模具中，凸模采用台阶式固定方式，即在凸模侧边加工一个矩形凸起，起到固定作用。 凸模端部台阶尺寸， H=38要求 H台阶尺寸（ 与固定板按第 26 页 共 33 页 H7/7/合。常用于普通圆形凸模，能保证可靠的固定。 2）、凸模的长度计算 凸模的长度根据模具的具体结构来确定，一般要求在满足冲压条件下，凸模尺寸越短越好。 计算时有首先考虑凸模工作部分的长度 l(不引起屈服时的最大长度，单位再考虑凸模总长度的尺寸 L。 冲 式中 a 模具无导向 a=1; 有导向时 a=2; E 凸模材料的纵弹性模量，模具钢为 105 J 凸模最小断面的惯性矩；圆形凸模 J=（ 4D ） /64； 矩形凸模 J=（ b /12。 此外，还要考虑凸模全长与凸模固定板、卸料板和导料板的关系。凸模的计算公式为： L= )15.0( 1h 凸模固定板厚度（一般为总
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