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南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题背景与研究意义课题背景与研究意义 模具是对金属、塑料、橡胶、玻璃等多种原材料进行成形加工的重要工艺设备， 随着经济的飞速发展，模具越来越多的用于国民经济的各生产部门，许多新产品的开 发与生产在很大程度上依赖模具制造技术。模具工业已经成为国民经济的基础工业， 在国际上称为“工业之母”，国民经济的高速发展对模具工业提出越来越高的要求， 也为其发展提供了巨大的动力。这些年来，中国模具工业一直以 15%左右的增长速度 快速发展。 在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%。冲压是利用冲模在压床上对金属(或 非金属)板料施加压力使其分离或变形，从而得到一定形状，并且满足一定使用要求 的零件的加工方法。目前冲压技术在汽车、摩托车等行业中应用非常广泛，采用冲压 技术可以提高生产率、质量稳定、节约生产成本、增强企业的市场竞争力。 冲压加工具有很高的生产率。 一般在一台冲压设备上每分钟可以生产中小工件几 件到几十件，高速冲床可达几百件，这是其他任何加工方法都无法实现的。此外，冲 压加工所用坯料是板材或卷料， 通常又是在常温下加工， 故易于实现机械化与自动化， 可大幅度地提高生产率。 冲压加工成本低，在大量生产中采用冲压工艺加工板料工件是最经济的工艺方 法。以冲裁为例，一般冲裁模的寿命可达几百万次，硬质合金冲裁模的寿命可达几千 万次至亿次；其次，冲压生产的材料利用率较高，一般可达 70%-85%，故可极大地降 低冲压件的生产成本。 1.21.2 模具行业模具行业现状与发展趋势现状与发展趋势 在国民经济快速发展的拉动和国家产业政策的正确引导下， 我国模具行业发展很 快，2003 年全国模具总产值已达 450 亿元以上。近年来，模具行业结构调整和体制 改革步伐加快，主要表现为：大型、精密、复杂、长寿命等中高档模具及模具标准件 发展速度快于一般模具产品；我国模具年生产总量虽然已位居世界第三位，但设计制 造水平在总体上要比工业发达国家落后，其差距主要表现在以下几方面。 （1）模具自配率较低，其中中低档模具供过于求，中高档模具自配率不足 60%。 （2）企业组织结构、产品结构、技术结构和进口结构都不够合理。 （3）模具产品和生产工艺水平低，模具制造周期长。 （4）模具标准化水平和模具标准件使用覆盖率低，开发能力弱。 （5）与国际先进水平相比，模具企业的管理落后。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 我国国民经济长期持续高速发展， 机械行业在信息社会和经济全球化进程中也在 不断发展，模具行业发展趋势是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速 方向发展；向着信息化、数字化、无图化、精细化、自动化方向发展；向着技术集成 化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展。模具技术的发展 趋势主要是： （1）CAD/CAM/CAE 的广泛应用及其软件的不断改进，CAD/CAM/CAE 技术的进一步 集成化 、一体化、智能化。 （2）PDM（产品数据管理） 、CAPP（计算机辅助工艺设计管理） 、KBE（基于知识工 程） 、ERP（企业资源管理） 、MIS（模具制造管理信息系统）及 Internal 平台等信息 网络技术的不断发展和应用。 （3）高速、高精加工技术、超精加工、复合加工、先进表面加工和处理技术的发 展与应用。 （4）快速成形与快速制模（RP/RT）技术的发展与应用。 （5） 热流道技术、 精密测量及高速扫描技术、 逆向工程及并行工程的发展与应用； 模具标准化及模具标准件的发展及进一步推广应用。 （6）优质模具材料的研制及正确选用；模具自动加工系统的研制与应用。 （7）虚拟技术和纳米技术等的逐步应用。 1.31.3 课题研究的主要内容和目标课题研究的主要内容和目标 1.3.11.3.1 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 某摩托车零件为前铰扣， 其材料为 Q235、 厚度为1.0 ,其年生产纲领为 80000 件。本课题研究的主要内容如下： （1）根据所提供的零件图对其进行工艺性分析，从而最终确定工艺方案。 （2）计算冲压力并且选择压力机，确定模具工作部分的尺寸和公差，选取模具结 构。 （3）设计冲压模具和弯曲模具装配图，并且拆绘主要零件图。 基于上述任务设计一套可降低生产成本的模具。 1.3.21.3.2 课题研究的主要目标课题研究的主要目标 模具间隙是模具设计的一个重要因素，所以要对模具间隙进行合理性分析。由于 前铰扣和铰扣的形状相同， 本课题通过设计一套模具使其同时满足前铰扣和铰扣的加 工，从而达到提高生产率，降低生产成本的目的。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 2 2 工艺方案设计工艺方案设计 2.12.1 零件的工艺性分析零件的工艺性分析 冲压工艺规划了一个冲压件（产品）用几道工序（模具）来冲压完成及每道工序 的基本内容，对冲裁设计、制造、调试影响很大，在缩短模具制造周期、降低模具价 格、保证冲压件质量这三大目标中起着重要的作用。 本设计是关于前铰扣零件的冲压工艺分析与模具设计，前铰扣零件简图：如图 2-1 所示。 图 2-1 前铰扣零件图 冲压工艺设计的基本要求为： （1）材料利用率要高，即原始材料消耗要尽可能少； （2）考虑工厂的具体生产条件，制定出的工艺方案要技术上方便可行，经济上合 理； （3） 工序组合方式和工序排列顺序要符合冲压变形规律， 能保证冲制合格的工件； （4）工序数量尽可能少，生产效率尽可能高； 南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 （5）制定的工艺规程，要方便工厂、车间的生产组织与管理。 良好的冲压工艺能保证材料消耗少、工序次数少、模具结构简单、操作方便、寿 命长、产品质量稳定等等。从某种意义上讲，冲压工艺的质量就决定了模具的质量， 因此，制定合理的冲压工艺方案是至关重要的。由零件图可知，零件的形状简单，便 于实现少废料排样；在各直线或曲线的连接处，都采用了圆角过渡；零件的精度和断 面粗糙度等都符合冲裁工艺的要求。 2.22.2 加工工艺方案的确定加工工艺方案的确定 冲裁工艺方案的主要内容包括冲压性质、 冲压工序数、 冲压顺序和工序组合方式、 模具结构型式、冲模压力中心和冲裁闭合高度等。 根据以上对零件的工艺分析，并且考虑到现有设备的情况。加工本零件需要三道 工序；根据冲裁件的结构形状、尺寸大小和精度要求可知冲裁顺序为先落料再弯曲， 最后成形；送料方式采用手工操作。 冲裁模的结构形式多种多样，如果按工序的组合分类，可分为单工序模、级进模 （连续模或跳步模） 、复合模等。各种冲裁模的构成大体相同，主要由工作零件、定 位零件、卸料与推料零件、导向零件、联接与固定零件等组成。 根据前铰扣的尺寸精度要求及生产批量，综合考虑经济效益，本工序组合方式为 单工序模，由于单工序模的制造和调整都比较容易，有时几副单工序模的制造成本可 能会比复合模（或连续模）还要低。在多工位压力机上使用多个单工序模，不但可以 获得与连续模相同的生产率，而且冲压过程中还可以随意改变毛坯的冲压方向，单工 序模的主要特点：冲压精度一般较低；对原材料的要求不高；比较容易实现操作机械 化自动化；结构简单，制造周期短，价格低；生产通用性好，而且适合于中批量生产。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 3 3 冲裁模设计冲裁模设计 3.13.1 毛坯尺寸计算毛坯尺寸计算与冲裁工艺分析与冲裁工艺分析 3.1.13.1.1 毛坯尺寸计算毛坯尺寸计算 板料弯曲时，中性层长度是不变的，因此根据变形前后中性层长度不变的原则来 确定弯曲件毛坯展开的长度和尺寸。弯曲件分为直边和弯曲两部分，以其中性层长度 之和可求得弯曲件展开长度，但弯曲部分的中性层要考虑位移。 弯曲件展开长度： iw LLL 当180时 180 w Lrxt 当 180360时2 360 w Ldxt 式中： i L弯曲件直边部分长度； w L弯曲部分中性层长度； x中性层位移系数（见表 3-1） 根据王芳主编冷冲压模具设计设计指导表 3-6。如图 3-1 所示 前铰扣弯曲展开长度： 269 42.1540.0262 0.4 1 360 7344 20.38 1 180 L =103 表 3-1 中性层的位移系数x值 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 弯曲件的展开图如图 3-1 所示 图 3-1 弯曲件展开图 3.1.23.1.2 冲裁工艺分析冲裁工艺分析 冲裁件的工艺性，是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。一般情况下，对一冲裁件工 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等。良好的结构 工艺性应保证材料消耗少，工序数目少，模具结构简单而寿命高，产品质量稳定，操 作简单等。通常对冲裁件的工艺性影响最大的是几何形状尺寸和精度要求。 由弯曲件展开图 3-1 可知：冲裁件的形状简单、对称没有复杂的曲线，冲裁件的 内、外转角处要用圆角过渡。而且本冲裁件没有凸出悬臂、凹槽和孔等。一般冲裁件 的经济精度不高于 IT11 级，最高可达 IT8IT10 级，冲孔比落料的精度约高 1 级。 本冲裁件的经济精度为 IT14。 因此采用单工序、后侧导柱导向式冲裁模进行加工，以方便工人操作，并且保证 制件尺寸精度。 3.23.2 工件排样与搭边工件排样与搭边 3.2.13.2.1 排样排样 冲裁件在板料、条料或带料上的布置方式，称为排样。排样是冲裁模设计中的一 项极其重要的工作。其目的在于减少材料的耗损，降低零件成本，提高生产率，延长 模具寿命。 1. 材料的利用率 材料利用率主要取决于排样，是衡量排样方案合理性的技术经济指标。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。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 根据牟林、胡建华主编冲压工艺与模具设计中（3.2）式和（3.3）式 一个进距的材料利用率的计算如下： = nA bh 100% 式中：A 冲裁件面积（包括内形结构废料） ， （mm 2） ； n 一个进距内冲裁件数目； b 条料宽度， （mm） ； h 进距,（mm） 。 一张板料上总的材料利用率总的计算如下： 总=（ A LB n总 ）100% 式中 n总 一张板料上冲裁件总数目； L 板料长， （mm） ； B 板料宽， （mm） 。 2.排样的方式 根据材料的利用情况，排样可分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种。 有废料排样为沿工件的全部 外形冲裁，工件与工件之间，工件与条料侧边之间都有 工艺余料（搭边）存在，冲裁后搭边成为废料；少废料排样为沿部分外形轮廓切断或 冲裁，只在工件之间或工件与条料侧边之间有搭边存在；无废料排样为工件与工件之 间、工件与条料侧边之间均无搭边存在，条料沿直线或曲线切断而得工件。 本课题排样方式为有废料、直排。排样图如图 3-2 所示 图 3-2 排样图 3.2.23.2.2 搭边搭边 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 在条料上冲裁时，工件之间以及工件和条料侧边之间的余料称为搭边。搭边的作 用是：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。搭边值要合理确定，从节省材料出发搭边值越小越好，但搭边 值小于一定数值后，对模具寿命和剪切表面质量不利。为了使作用在毛坯侧表面上的 应力沿被冲压件周长军均匀分布，必须使搭边的最小宽度大于塑变区的宽度，而塑变 区宽度与材料性质和厚度有关，一般约等于 0.5t，搭边的最小宽度的最大值约等于 毛坯的厚度。若搭边值小于材料厚度，在冲裁中还可能被拉入模具间隙中，使零件产 生毛刺，甚至损坏模具刃口，降低模具寿命。搭边值大小与下列因素有关。 （1） 材料的力学性能：硬材料的搭边值可小一些，软材料、脆材料的搭边值要大一 些； （2） 零件的形状与尺寸：零件尺寸大或有尖角和突出等复杂形状时，搭边值应大一 些； （3） 材料厚度：厚度大的材料搭边值取大一些； （4） 送料及挡料方式：手工送料时，有侧压板导向的搭边值可以小一些。 根据牟林、胡建华主编冲压工艺与模具设计表 3-12 可知搭边 a 和 a1数值： a = 2.5 mm , a1 = 2 mm 冲裁件面积：通过 CAD 软件测绘可知 A=1724.24mm 2 条料宽度：b =103+2a=103+22.5=108mm 进距：h=25+ 1 a=25+2=27mm 一个进距的材料利用率： 1724.24 1 100%100%59.2% 108 27 nA bh 3.33.3 冲裁间隙冲裁间隙 冲裁间隙是指冲裁凸模和凹模刃口之间的尺寸之差。单边用间隙用 C 表示，双边 用 Z 表示。 圆形冲裁模双边间隙为 Z=D凹-D凸 式中 D凹冲裁模凹模直径尺寸（mm） D凸 冲裁模凸模直径尺寸（mm） 冲裁间隙是冲裁过程中一个重要的工艺参数， 间隙的选取是否合理直接影响到冲 裁件质量、冲裁力、冲模的使用寿命和卸料力等。因此设计模具时一定要选择一个合 理的间隙，考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损，生产中通常是选择一个合适的 范围作为合理的间隙，这个范围的最小值称为最小合理间隙 Zmin ，最大值称为最大 南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 合理间隙 Zmax ，由于模具在使用过程中会逐步磨损，设计和制造新模具时应采用最 小合理间隙。 1、冲裁间隙的选取 冲裁间隙的大小主要与材料的性质及厚度有关，材料越硬，厚度越大，则间隙值 应越大。选取间隙值时应结合冲裁件的具体要求和实际的生产条件来考虑。其总的原 则应该是在保证满足冲裁件剪断面质量和尺寸精度的前提下，使模具寿命最长。确定 凸、凹模合理间隙有理论去顶法和查表确定法，在设计时一般采取查表法确定，在冲 模制造时，也可按材料厚度的百分比估算。查表 3-2（根据牟林、胡建华主编冲压 工艺与模具设计表 3-2）选得间隙值为 Zmin=0.10、Zmax=0.14（mm） 。 表 3-2 冲裁模刃口始用间隙 材料 名称 08F、 10、 35、 09Mn、 Q235、B2 Q234 40、50 厚度 t 初始间隙 Z Zmin Zmax Zmin Zmax Zmin Zmax 1.0 0.10 0.14 0.10 0.14 0.10 0.14 1.2 0.12 0.18 0.13 0.18 0.13 0.18 1.5 0.15 0.19 0.17 0.24 0.17 0.24 为了使模具能在较长时间内冲制出合格的零件，提高模具的利用率，一般设计模 具时取 Zmin 作为初始间隙。 3.43.4 冲裁力计算冲裁力计算 冲裁力是设计模具、选择压力机的重要参数。计算冲裁力的目的是为了合理地选 择冲压设备和设计模具。选用冲压设备的标准压力必须大于所计算的冲裁力，所设计 的模具必须能传递和承受所计算的冲裁力，以适应冲裁的要求。冲裁力计算包括冲裁 力、卸料力、推件力、顶件力的计算。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 1、冲裁力计算 冲裁力是凸模与凹模相对运动使工件与板料分离所需要的力，它与材料性质、厚 度、冲裁件周长、模具间隙大小及刃口锋利程度有关。 根据牟林、胡建华主编冲压工艺与模具设计第 49 页 一般平刃口模具冲裁时，其冲裁力 F 可按下式计算： F=KLtb 式中：F 冲裁力, N； L 冲裁件的周长, mm； t 板料厚度，mm； b 材料的抗剪强度, Mpa； K 系数。考虑到凸模、凹模间隙波动，材料力学性能变化及材料厚度偏 差等因素而增加的安全系数，常取 K=1.3。 有时也可用材料的抗拉强度进行计算： F=Lt b 式中： b 为材料的抗拉强度，Mpa 在冲裁高强度材料或厚度大，周边长的工件时，需要很大的冲裁力。当工厂设备 的吨位不能适应时，为不影响生产，可采取一定的措施降低冲裁力，常用的方法有阶 梯冲裁、斜刃冲裁和加热冲裁等。 冲裁力： 冲裁件周长（用 CAD 测绘）L=258.6mm 板料厚度 t =1mm 材料抗剪强度=345MPa 系数 K=1.3 F=K Lt= 1.3258.61345=115982N 2、卸料力、推件力和顶件力计算 由于冲裁时材料的弹性变形及摩擦，在一般冲裁条件下，冲裁后材料将发生弹性 恢复，使落料或废料梗塞在凹模内，而板料则紧箍在凸模上，为了使冲裁工作继续进 行， 必须将箍在凸模上的板料卸下， 将卡在凹模内的工件或废料向下推出或向上顶出。 将紧箍在凸模上料卸下所需的力称为卸料力， 将卡在凹模中的料推出所需的力叫推件 力；将卡在凹模中的料逆着冲裁力方向顶出所需的力叫顶件力。 根据牟林、胡建华主编冲压工艺与模具设计第 50 页 南昌航空大学科技学院学士学位论文 11 卸料力、推件力和顶出力通常采用经验公式进行计算， 卸料力：F卸=K卸F 落 推件力：F推=nK推F孔 顶件力：F顶=K顶 F 落 式中： K卸、K推、K顶 分别为卸料力、推件力系数,其值见表 3-3； n 同时卡在凹模内的零件数； h凹模直壁洞口的高度。 表 3- 3 推件力、顶件力、卸料力系数 料厚/（mm） K推 K顶 K 卸 钢 0.1 0.10.5 0.52.5 2.56.5 0.0650.075 0.0450.055 0.040.05 0.030.04 0.1 0.063 0.055 0.045 0.14 0.08 0.06 0.05 卸料力：F卸=K卸F 落=0.04115982 =4.64KN 推件力：F推=nK推F孔=50.055115982 =31.9KN （n=ht=5mm1mm = 5 个） F总 = FF卸F 推 =115.984.6431.9=152.5KN 3.53.5 模具压力中心计算模具压力中心计算 冲模对工件施加的冲压力合力的中心称为模具的冲压压力中心。 要使冲压模具正 常工作，模具的压力中心必须通过模柄曲线和压力机的滑块中心线重合。否则，冲裁 过程中压力机滑块和冲模将会承受偏心载荷， 使滑块导轨和冲模导向部分产生不正常 磨损，合理间隙得不到保证，刃口迅速变钝，从而降低冲件质量和模具寿命甚至损坏 模具发生冲压事故。因此，设计冲模时，应正确计算出冲裁时的压力中心，并使压力 中心与模柄轴心线重合， 对于制件外形尺寸大、 形状复杂， 多凸模的冲裁模和连续模， 正确确定其压力中心就显得更为重要。若因冲件的形状特殊，从模具结构方面考虑不 宜使压力中心与模柄轴心线相重合， 也应注意尽量使压力中心的偏离不超出所选压力 机模柄孔投影面积的范围。压力中心的确定有解析法、图解法和实验法。 由于本零件形状简单，且对称，其压力中心即位于冲件轮廓图形的几何中心。画 出所示制件， 选定坐标系 xoy,如图 3-3 所示。 冲裁件以 X 轴对称， 所以 Y0 = 0， X0 =51.5 南昌航空大学科技学院学士学位论文 12 图 3-3 压力中心图 3.63.6 凸、凹模刃口尺寸计算凸、凹模刃口尺寸计算 冲裁模凸、凹模刃口尺寸精度是影响冲裁件尺寸精度的重要因素。凸、凹模的合 理间隙值也要靠刃口尺寸及其公差保证。因此，正确确定冲裁凸模和凹模刃口的尺寸 及公差，是冲模设计的重要环节。 1、凸、凹模刃口尺寸计算的原则 由冲裁过程和生产实践可知：落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的，而孔 的光面是凸模刃口挤切材料产生的，落料件的大端尺寸等于或接近于凹模刃口尺寸， 冲孔件的小端尺寸等于或接近于凸模刃口尺寸。 计算凸模和凹模尺寸时应遵循下述原 则： （1）落料时，应先确定凹模刃口尺寸。凹模刃口的基本尺寸取接近或等于零件的 最小极限尺寸，以保证凹模磨损在一定范围内也能冲出合格的零件。凸模刃口的基本 尺寸则按凹模刃口基本尺寸减小一个最小间隙值。 （2）冲孔时，先确定凸模刃口尺寸。凸模刃口的基本尺寸取接近或等于孔的最大 极限尺寸，以保证凸模磨损在一定范围内也可使用。而凹模的基本尺寸则按凸模刃口 的基本尺寸加上一个最小间隙值。 （3）凸模和凹模刃口的制造公差，主要取决于冲裁件的精度和形状。一般模具的 制造精度比冲裁件的精度至少高 12 级。若制件没有标注公差，则对于非圆形件按 国家标准非配合尺寸的 IT14 级精度来处理，圆形件一般可按 IT10 级精度来处理。 2、凸、凹模刃口尺寸计算的方法 凸、凹模刃口尺寸的计算与加工方法有关，基本上可分为两类。 （1） 凸模与凹模分开加工 这种方法适用于圆形或简单形状的工件。采用凸模与凹模分开加工这种方法，要 南昌航空大学科技学院学士学位论文 13 分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差。同时，为了保证一定的间隙，模具的制造 公差必须满足下列条件： p +d Zmax-Zmin 或 p=0.4（Zmax-Zmin） d=0.6（Zmax-Zmin） 式中:p 凸模的制造公差； d 凹模的制造公差； Zmax 最大合理间隙； Zmin 最小合理间隙。 根据牟林、胡建华主编冲压工艺与模具设计表 3-14 知凸模与凹模分开加工 工作部分尺寸和公差计算公式如表 3-4 表 3-4 凸模与凹模分开加工工作部分尺寸和公差计算公式 根据牟林、胡建华主编冲压工艺与模具设计表 3-15 知因数如表 3-5 表 3-5 因数 工序 性质 制件 尺寸 凸模尺寸 凹模尺寸 落料 D 0 后求出 Dp=(d-Zmin) 0 p 先求出 Dd=(D -) d 0 冲孔 d 0 先求出 dp=(d+) 0 p 后求出 dd=(d-+Zmin) d 0 材料 厚度 t/mm 非圆形值 圆形值 1 0.75 0.5 0.75 0.5 工件公差/ mm 1 0.16 0.170.35 0.36 0.16 0.16 12 0.20 0.210.41 0.42 0.20 0.20 24 0.24 0.250.49 0.50 0.24 0.24 4 0.30 0.210.59 0.60 0.30 0.30 南昌航空大学科技学院学士学位论文 14 （2） 凸模与凹模配作加工 凸、 凹模配作加工是指先按图样设计尺寸加工好凸模或凹模中的一件作为标准件 （一般落料时以凹模为基准件，冲孔时以凸模为基准件） ，然后根据基准件的实际尺 寸按间隙要求配作另一件。这种加工方法的特点是模具的间隙由配作保证，工艺比较 简单， 不需要公式p+dZmax-Zmin 来进行校核， 并且还可以放大基准件的制造公 差 （一般可去冲裁件公差的 4 1 ） ， 使制造容易， 因此是目前一般工厂常常采用的方法。 用配合加工法制造模具常用于复杂形状及薄料的冲裁件， 图样上只需标注基准件的尺 寸及其公差，配作件仅注基本尺寸，并注明与基准件配作及应保证的间隙值。 配作加工凸模和凹模的尺寸计算，落料件按凹模磨损后尺寸变大、变小、不变的 规律分为三种，如图 3-4 所示；冲孔件按凸模磨损后尺寸变大、变小、不变的规律也 分为三种如图 3-5 所示。具体计算公式见表 3-6。 图 3-4 落料件与凹模尺寸 a)落料件 b)凹模 图 3-5 冲孔件和凸模尺寸 a)冲孔件 b)凸模 表 3-6 凸模与凹模配作加工工作部分尺寸和公差计算公式 南昌航空大学科技学院学士学位论文 15 工序 性质 制件 尺寸 凸模尺寸 凹模尺寸 落料 A 0 按凹模尺寸配制，其双面间 隙为 ZminZmax Ad=(A-) d 0 B 0 Bd=(B+) 0 p C C 0 Cd=(C+0.5) 2 d C 0 Cd=(C-0.5) 2 d C Cd=C 2 d 冲孔 A 0 Ap=(A+) 0 p 按凸模尺寸配制。其双面 间隙为 ZminZmax B 0 Bp=(B-) p 0 C C 0 Cp=(C+0.5) 2 p C 0 Cp=(C-0.5) 2 p C Cp=C 2 p 注：Ad 、Bd 、Cd凹模刃口尺寸，mm；Ap 、Bp 、Cp凸模刃口尺寸，mm；A、B、 C制件基本尺寸，mm；d 、p凹模、凸模制造公差，取值为 4 ；制 件公差，制件偏差， 对称偏差是= 2 1 ， mm；因数； Zmin、 Zmax 落料、冲孔模刃口最小、最大合理间隙。 由于前铰扣落料形状较复杂，故采用配合加工方法，其凸、凹模刃口部分尺寸计 算具体见表 3-7：以凹模为基准件，因凹模磨损后，刃口部分尺寸都增大，因此属于 A 类尺寸。 表 3-7 凸、凹模加工部分尺寸和公差 原尺寸 处理后的尺寸 L 及公差 凸、凹的制造 公差 凹模轮廓尺寸 及公差 凸模轮廓尺 寸l及公差 15 15. 0 05. 0 15.15 0 10. 0 0.025 15.05 025. 0 0 14.95 0 025. 0 25 21. 0 0 25.21 0 21. 0 0.052 25 052. 0 0 24.9 0 052. 0 103 30. 0 0 103.3 0 30. 0 0.072 103.3 072. 0 0 103.2 0 072. 0 62.91 25. 0 0 63.16 0 25. 0 0.062 63.16 062. 0 0 63.06 0 062. 0 3.73.7 凸、凹模结构设计凸、凹模结构设计 3.7.13.7.1 凸模结构设计凸模结构设计 凸模又称冲头， 是冲模的关键零件之一， 凸模本身按其作用又可分为工作部分 （即 刃口）和固定部分。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 16 1、凸模的结构形式及固定 凸模的结构形式主要取决于冲件的形状和尺寸、冲模结构、加工以及装配工 艺等实际条件，所以实际生产中使用的凸模种类很多。按照凸模的截面形状可分为圆 形凸模和非圆形凸模；按照凸模刃口形状可分为平刃口凸模和斜刃凸模；根据凸模结 构形式可分为整体式、镶拼式、阶梯式、直通式和带护套式凸模等。 凸模的固定有台套固定、铆接、螺钉和销钉固定、黏结剂浇注法固定等形式。 2、凸模长度计算 凸模长度的确定主要根据模具结构、修磨、操作安全、装配等因素的需要。 凸模长度过短则凸模不能插入凹模刃口内对板料进行冲切， 但若凸模过长又降低其工 作时的稳定性， 如果选用冲裁标准典型组合， 可取标准长度， 其他情况应该进行计算。 根据徐政坤主编冲压模具设计与制造式（3-34） ，凸模长度： L=h1+h2+h4+h 式中：h1凸模固定板厚度，mm； h2固定卸料板厚度,mm； h4卸料弹性元件被预压后的厚度，mm； h附加长度，它包括凸模的修磨量、凸模进入凹模的深度 0.51mm、凸模固 定板与卸料板之间的安全距离等一般取 1020mm。 凸模长度：h1=16mm，h2=16mm h4=24mm, h=10mm L=16+16+24+10=66mm 3、凸模材料及其其他要求 模具刃口要有较高的耐磨性，并且能承受冲裁时的冲击力，所以应有较高的 硬度与适当的韧性。形状简单的凸模常选用 T8A、710A 等制造。形状复杂，淬火 变形大，特别是用线切割方法时，应选用合金工具钢（如 Cr12、9Mn2V、CrWMn、 Cr6WV 等）制造。其热处理硬度为 5862HRC。本设计的凸模材料 CrWMn。 凸模工作部分的表面粗糙度 Ra=0.80.4um,固定部分 Ra=1.60.8um。 4、凸模固定板与垫板 凸模固定板将凸模固定在模座上，其平面轮廓尺寸除应保证凸模安装孔外， 还要考虑螺钉与销钉孔的设置。其型式有圆形和矩形两种。厚度一般取凹模厚度 的 0.60.8 倍。 故固定板厚度：H1=0.7H=0.719=13.3mm，取 16mm 根据郝海滨编著冲压模具简明设计手册表 15.57：固定板 16010016， 南昌航空大学科技学院学士学位论文 17 Q235 JB/T7643.2 垫板的作用是直接承受和扩散凸模传递的压力，以降低模座所受的单位压 力，保护模座以免凸模端面压陷。冲裁凸模是否加垫板，应根据模座承压的大小 进行判断 根据王芳主编冷冲压模具设计指导式 2-23，凸模支承端面对模座的单 位压力（MPa）为 p= A F 式中：F冲裁力（N） ； A凸模支承端面积（mm 2） 。 如果凸模支承端面的单位压力 p 大于模座材料的许用应力p，则需加经 淬磨平的垫板；反之则不加。垫板厚度一般取 412mm。 根据郝海滨编著冲压模具简明设计手册表 15.60：垫板 1601008， T8A JB/T7643.3 3.7.23.7.2 凹模结构设计凹模结构设计 1、凹模的结构形式与固定 凹模的结构形式比较多，按外形可分为标准圆凹模和板状凹模，按结构分为 整体式和镶拼式，按刃口形式也有平口和斜口。 凹模多采用机械法固定，有螺钉将其紧固在下模座上，并且用两个圆柱销定 位，或用凹模的长宽尺寸与下模座呈过渡配合的止口代替两圆柱定位。 2、模刃口的结构形式 本设计的凹模刃口的结构形式，如图 3-6 所示。其主要特点是：刃口强度较 好，刃口尺寸不随修磨刃口而增大；易积冲裁件或废料，孔壁磨损和压力较大， 修磨时刃口磨去的尺寸较多。应用范围：向上（下）顶出零件或废料的模具；形状复 杂或精度较高的零件；直径 d5mm 的冲裁等。 图 3-6 3、凹模外形尺寸的确定 南昌航空大学科技学院学士学位论文 18 凹模外形应保证有足够的强度与刚度，冲裁时，凹模要承受一定的冲裁力和 侧向挤压力。随着凹模结构形式、固定方法的不同，受力情况比较复杂，凹模外形还 不能仅用理论计算的方法来确定。在设计模具时，凹模外形尺寸一般是根据被冲材料 的厚度和冲裁件的最大外形尺寸，按经验公式来确定。 根据根据王芳主编冷冲压模具设计指导式 2-19 和 2-20 凹模厚度：H=Kb(15mm) 凹模壁厚：C=(1.52)H(30mm) 式中：b冲裁件的最大外形尺寸； K系数，考虑板料厚度的影响。可查表 3-8 表 3-8 系数 K 值 查表 3-8 得 K=0.18,而 b=103mm 凹模厚度：H=Kb=0.18103=18.5419mm 凹模壁厚：C=（1.52）H=30mm 3.83.8 冲模的闭合冲模的闭合高度高度 冲模的闭合高度是指滑块在下死点即模具在最低工作位置时， 上模座上平面与下 模座下平面之间的距离 H 。冲模的闭合高度必须与压力机的装模高度相适应。压力 机的装模高度是指滑块在下死点位置时，滑块下端面至垫板上平面的距离。当连杆调 至最短时为压力机的最大装模高度 Hmax；连杆调至最长上时为最小装模高度 Hmin。 冲模的闭合高度 H 应介于压力机的最大装模高度 Hmax 和最小装模高度 Hmin 之 间，其关系为：Hmax5mmHHmin10mm 如果冲模的闭合高度大于压力机最大装模高度时，冲模不能在该压力机上使用。 反之，小于压力机最小装模高度时，可加经过磨平的垫板。冲模的其他外形结构尺寸 也必须和压力机相适应，如模具外形轮廓平面尺寸与压力机垫板、滑块底面尺寸，模 南昌航空大学科技学院学士学位论文 19 柄与模柄孔尺寸，下模缓冲器平面尺寸与压力机垫板孔尺寸等都必须相适应，以便模 具能正确安装和正常使用。 3.93.9 结构件与标准件选用结构件与标准件选用 3.93.9.1.1 模架模架 模架包括上模座、下模座、导柱和导套。冲压模具的全部零件都安装在模架上。 为了缩短模具制造周期，降低成本，我国已制定出模架标准，并且有商品出售。根据 模架导向用的导柱和导套的配合性质分为滑动导向模架和滚动导向模架两大类。 每类 模架中，由于导柱安装位置和数量不同，又各具有多种模架类型。 选择模架结构时要根据工件的受力变形特点，坯件定位、出件方式，材料送进方 向，导柱受力状态，操作是否方便等方面进行综合考虑。选择模架尺寸时要根据凹模 的轮廓尺寸考虑，一般在长度上及宽度上都应比凹模大 3040mm。模板厚度一般等 于凹模厚度的 11.5 倍。选择模架时还要注意到模架与压力机的安装关系。 本设计采用后侧导柱式模架，如图 3-7 所示。其主要特点：后侧导柱送料方便， 可以纵向和横向送料。但是冲压时如果有偏心载荷，则导柱、导套会单边磨损。它不 能用于模柄与上模座浮动连接的模具。 图 3-7 后侧导柱式模架 1上模座；2下模座；3导柱；4导套 3.9.23.9.2 模座模座 模座分为上模座和下模座，它们是冲模全部零件安装的基体，有承受和传递冲裁 力，因此它要具有足够的强度、刚度和足够大的外形尺寸。上模座通过模柄安装在冲 床滑块上，下模座用压板和螺栓固定在工作台上。模座的前侧面须进行机械加工，以 便在此面打上模具的标记。上模板导套孔的外侧面要加工一条浅窄槽，便于冲模工作 南昌航空大学科技学院学士学位论文 20 时对导套润滑。 后侧导柱上模座：材料 HT200，上模座 16010040 GB/T2855.5 后侧导柱下模座：材料 HT200，下模座 16010050 GB/T2855.6 3.9.33.9.3 模柄模柄 中小型模具一般均通过模柄将模具固定在压力机滑块上的。 对于大型模具则可用 螺钉、压板直接将上模座固定在滑块上。常用模柄有：旋入式模柄、压入式模柄、凸 缘模柄、槽型模柄、通用模柄、浮动模柄、推入式活动模柄。在设计冲模时，除按模 具结构特点选用不同模柄外，必须要根据选定的压力机确定模柄的安装直径和高度。 模柄安装直径 d 和长度 L 应与滑块模柄孔尺寸相适应。模柄直径可取与模柄孔相等， 采用间隙配合 H11/d11，模柄长度应小于模柄孔深度 5mm10mm。模柄支撑面应垂直 于轴线。压入式模柄配合面的表面粗糙度 Ra 应达到 1.6um0.8um，模柄压入上模座 后，应将底面磨平。 本设计采用压入式模柄（如图 3-9 所示） ，它与模座孔采用过渡配合 H7/m6，并 且加销钉防转。这种模柄可较好保证轴线与上模座的垂直度。试用于各种中、小型冲 模，生产中最常用。 A 型压入式模柄：材料 Q235，模柄 A3295 JB/T7646.1 3.9.43.9.4 导向装置导向装置 导向装置可提高模具精度、 寿命以及工件的质量， 而且还能节省调试模具的时间。 大批量生产的冲压模具中广泛采用了导向装置。 导柱、导套都是圆柱形，加工方便，容易装配，是木匠行业应用最广泛的导向装 置。可在上、下模座上分别设置两对或四对导柱、导套对凸、凹模进行导向。后置导 柱的两导柱直径相同，中间配置和对角配置的导柱，两导柱的导向直径不相等，可避 免合模时上模误装方向而磨损凸、凹模刃口。 在选用时应注意在冲裁过程中导柱最好不要脱离导套的导向孔， 导柱的长度应保 证模具闭合后，导柱上端面与上模座顶面的距离不小于 10mm15mm，而下模座与导 柱底面的距离应为 0.5mm1mm。导柱与导套之间的配合根据冲裁模的间隙大小选用。 当冲裁板厚在 0.8mm 以下的间隙模具时，选用 H6/h5 配合的级精度模架。当冲裁板 厚为 0.8mm4mm 时，选用 H7/h6 配合的级精度模架。 导套压入上模板中的长度 H 值要比上模板厚度 H上模板小 2mm5mm，以此保证润 滑油注入导套之导向孔内。导套上端直径为 d1,长度为 H2，这样就可避免导套外 径入上模板时引起内孔微缩而影响导柱在此部位自如地滑动。 一般导柱安装在下模座, 南昌航空大学科技学院学士学位论文 21 导套安装在上模座,分别采用过盈配合。高速冲裁、精密冲裁或硬质合金冲裁模具， 要求采用滚珠导向装置。 A 型导套：材料 20#，导套 A25H69038 GB/T2861.6 A 型导柱：材料 20#，导柱 A25h5120 GB/T2861.1 3.9.53.9.5 卸料装置卸料装置 1、卸料板 卸料板的主要作用是把材料从凸模上卸下，有时也可作压料板用以防止材料变 形，并且能帮助送料导向和保护凸模等。设计时应注意以下几方面。 （1）卸料力一般取 5%20%冲裁力。 （2）卸料板应有足够的刚度、其厚度 H 可按下式计算，即 H=（0.81.0）Hd 式中：H卸料板厚度，mm； Hd凹板厚度，mm。 卸料板厚度：H=（0.81.0）1916mm （3）卸料板要求耐磨，材料一般选 45 钢，淬火，磨削，粗糙度 Ra0.40.8um。 （4）卸料板安装尺寸，计算中要求考虑凸模有 46mm 的刃磨量。 （5） 卸料板可根据工件形状制作成圆形或矩形， 型孔与凸模的配合为 H7/h6 或H8/f7。 2、卸料板的结构 卸料结构是用于将条料、废料从凸模上卸下的装置，分固定卸料板、弹性卸料板 两种。 固定卸料板，又称刚性卸料板，用于厚料或硬材。特点是卸料力大，使用安全， 但送料操作受约束，常用于料厚大于 0.5mm，平面度要求不高的工件，特别适用于卸 料力较大的简单冲模。使用条料时固定卸料板可兼作送料导向，在连续模中也可用作 凸模导向。 弹性卸料板具有卸料和压料的双重作用， 多用于冲制薄料， 使工件的平面度提高。 借助弹簧、橡胶或气垫等弹性装置卸料，常兼作压边、压料装置或凸模导向。 3、弹性组件的选用与计算 在冲裁模卸料与出件装置中，常用的弹性组件是弹簧和橡胶。弹簧压力随行 程增加而增加，呈一定线性增长。橡胶的压力和行程呈曲线式增长。弹簧相比，橡胶 的刚度要大一些，因此对要求卸料力较大、行程较小的模具，应选择橡胶为好，反之 则选择弹簧。 当所选橡胶的高度 H 与直径 D 之比值大于 1.5 时， 应将橡胶分为若干块， 南昌航空大学科技学院学士学位论文 22 其间垫以钢垫片。 本设计的弹性元件选用橡胶：橡胶是冲模中常用的弹性元件，其许用负荷比弹簧 大，安装调整也很方便。卸料、顶件常选用硬橡胶，拉压边多选用软橡胶。 根据王芳主编冷冲压模具设计指导第 244 页 为保证橡胶垫不过早失去弹性面损坏， 其允许的最大压缩量不得超过自由高度的 45%，一般取 h总=（0.350.45）h自由。橡胶垫的预压缩量一般取自由高度的 10% 15%，即 h预=（0.100.15）h自由 h工作=h总-h预 故工作行程：h工作=h总-（0.100.15）h自由 由工作行程可计算出橡胶垫高度： h自由=h工件/（0.250.30） 式中：h自由橡胶垫自由状态下高度（mm） ； h工作所需工作行程（mm） 。 工件的材料厚度是 1mm；冲裁时凸模进入凹模深度取 1mm；模具维修时刃磨留量 取 4mm；开启时卸料板高出凸模 1mm。 则总的工作行程： h工作=7mm 橡胶的自由高度： h自由=h工件/（0.250.30）=23.328mm，取 h自由=28mm。 模具在组装时橡胶的预压量： h预=（0.100.15）h自由=2.44.2mm，取 h预=4mm。 由此可算出模具中安装橡胶的空间高度尺寸为 24mm。 本设计采用的橡胶是聚胺酯弹性体，如表 3-9 所示 4、卸料螺钉的选用 对于卸料螺钉为使螺纹根部不直接承受侧压力， 应不螺钉圆柱部分埋入卸料卸料 板中，其埋入的深度为 s=35mm。凸模刃磨后也需在卸料螺钉头下加垫圈调节。 圆柱头内六角卸料螺钉 M1080 JB/T7650.6 材料：45 钢 热处理硬度 3540HRC 技术条件：JB/T7650.694 的规定 根据郝海滨编著冲压模具简明设计手册表 15.40 得表 3-10 南昌航空大学科技学院学士学位论文 23 表 3-9 聚酯氨弹性体 表 3-10 圆柱头内六角卸料螺钉 3.9.63.9.6 定位装置定位装置 为限定被冲材料的进给步距和正确地将工件安放在冲模上完成下一步的冲压工 序， 必须采用各种形式的定位装置。 用于冲模的定位零件有导料销、 导料板、 挡料销、 定位板、导向销、定距侧刃和侧压装置等。定位装置应可靠并具有一定的强度，以保 证工作精度、质量的稳定；定位装置应可以调整并设置在操作者容易观察和便于操作 的地方；定位装置应避开油污、碎屑的干扰并且不与运动机构干涉。定位精度要求较 高时，它们的定位基准应该一致；设计定位装置还应考虑避免坯件正、反误放置的措 南昌航空大学科技学院学士学位论文 24 施。 1、挡料销 挡料销（又称定位销）主要用于定位，保证条料有准确的送料距。其结构形式主 要有固定挡料销、活动挡料销、自动挡料销、始用挡料销和定距侧刃等。 活动挡料销借助弹簧可在定位面上自由伸缩以避免运动件的干涉， 常与弹性卸料 板、压料板配合使用，始用挡料销主要用于连续模的初始定位，或当挡料位置与凹模 刃口太近会影响凹模强度时使用。 本设计的挡料销是圆头形式固定挡料销，一般装在凹模上，适用于带固定卸料板 和弹性卸料板的冲模中。结构简单，制造容易，但销孔离凹模刃口较近，会削弱凹模 强度。当挡料销离凹模刃口太近时，可采用钩形挡料销，但此种挡料销由于形状不对 称，需要另加定向装置，适用于冲制较大较厚材料的工件。设计固定挡料销要注意凹 模壁的强度，并要求更换方便，且压料板向下运动时和挡料销不能产生干涉。挡料销 一般用 45 钢制造；热处理硬度 4448HRC。当料厚 3mm 以下时，挡料销的高度可高 于料厚 1mm 左右，而当料厚 5mm 以上时，挡料销的高度可低于料厚 12mm。 根据冷冲模标准，如表 3-11，选用适当尺寸的固定挡料销： 表 3-11 固定挡料销 A 型固定挡料销：材料 45 钢，固定挡料销 A6 JB/T7649.10 2、定位销 定位销用于冲裁、修边和成形时工件或毛坯轮廓的定位。 定位销：材料 35 钢，B 型圆柱销 B858 GB119-86 材料 35 钢，B 型圆柱销 B615 GB119-86 南昌航空大学科技学院学士学位论文 25 3.103.10 冲裁设备冲裁设备选择选择 3.10.13.10.1 冲裁设备类型的选择冲裁设备类型的选择 设备类型的选择要依据冲裁件的生产批量、工艺方法与性质及冲裁件的尺寸、形 状与精度等要求来进行。 （1）根据冲裁件的大小进行选择 对于中小型的冲裁件，弯曲件或浅拉深件的生产，主要应采用开式机械压力机。 虽然开式冲床的刚度差，在冲裁力的作用下床身的变形能够破坏冲裁模的间隙分部， 降低模具的寿命或冲裁件的表面质量。 但操作方便， 价格低廉。 对于大中型的冲裁件， 深度大的成形件及复合工序件的生产， 可选择闭式机械压力机， 结构紧凑、 工件平稳。 在大型拉深件的生产中，应尽量选用双动拉伸压力机，其所用模具结构简单，调整方 便。 （2）根据冲裁件的生产批量选择 在小批量生产薄板件中， 可选择通用压力机， 速度快、 生产效率高、 质量较稳定。 在大型厚板的拉深、