毕业设计（论文）-圆形带孔垫片的冲压模具设计.doc

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）圆形带孔垫片的冲压模具设计2013年5月29日34华中科技大学文华学院毕业设计（论文）目 录摘 要III关键词IIIAbstactIVKey wordsIV前 言11. 冲压加工概述21.1 冲压加工的工艺特点21.2 冲压加工工序的分类21.3 冲压加工的发展动向22. 塑性成形自动化技术42.1板料冲压生产线自动化43. 冲裁工艺及冲裁模设计63.1冲裁变形分析63.2冲裁模具的间隙73.3排样设计93.4冲裁工艺设计. 113.5冲裁力和压力中心计算123.6凸模与凹模刃口尺寸的计算134. 圆形带孔垫片的工艺分析及相关计算144.1垫片的工艺性分析144.2冲压工艺方案的确定154.3垫片的排样图164.4冲裁力及冲压压力中心的计算174.5凸模 凹模 凸凹模刃口及结构尺寸的计算184.6模具总体结构尺寸设计244.7其他零件尺寸的确定264.8压力机的确定285. 模具工作原理和总装配图285.1模具工作原理295.2模具的装配图及爆炸图29结束语32参考文献33致谢34圆形带孔垫片的冲压模具设计摘 要本文主要介绍了圆形带孔垫片的冲孔、落料复合模的设计，复合模压力机的一次行程中，在模具的同一位置上同时完成冲孔、落料两道工序。根据制件的结构和尺寸分析其冲压工艺性，选取适当的冲压工艺方案，从而使设计的模具具有经济性、高效性、长寿命性，最终为企业带来更大的经济效应。为了达到上述目的，合理的布置凸、凹模，设计复合模的结构及进行工艺设计是要解决的重要问题。该论文主要内容包括：冲压加工概述、金属塑性成形自动化技术、凸凹模工作部分尺寸计算、压力中心确定、冲裁工艺方案确定、绘制装配图和零件图。关键词：复合模；结构设计；计算；绘图The stamping die design of gasketAbstact This paper mainly introduces punching, blanking compound die design of the gasket, compound diein a stroke of the press, in the same position of the mold, the tow processes of punching and blanking are completed at the same time. According to the structure and dimension of the parts, we can analyze the stamping process of the product, select the appropriate stamping plan to make the die we design economic,effcient,long time, the ultimate goal is to bring greater economic effcet to the enterprise.In order to achieve the purpose above, it is important to solve the problem that reasonable arrangement of convex and concave mold, the structure design of the compound die and process design. In this paper ,the main contents include: an overview of the punching processing, metal plastic forming automation technology, the calculation of the size of the convex and concave mold, determining the pressure center and stamping process project, drawing assembly picture and parts diagram.Key words: compound die; structure design; calculation; drawing 前 言在现在工业生产中，模具是重要的工艺装配之一，它在铸造，锻造，冲压，塑料，粉末冶金，陶瓷制品等生活生产行业中得到广泛应用。由于采用模具能提高生产效率，节约材料，降低成本，并且可以保证一定的加工质量要求，所以汽车，飞机，拖拉机电器，仪表，玩具和日常用品等产品的零部件很多都采用模具加工。冲压是在室温下利用安装在压力机上的模具对材料施加压力使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。冷冲压在工业生产中应用十分广泛，其加工效率高，且操作简便，易于实现自动化；冲压时模具件保证了冲压件的尺寸与形状精度，一般不破坏冷冲压件的表面质量，而且寿命比较长，所以冲压件质量稳定，互换性如具有“一模一样”的特征；可以加工出尺寸范围较大,形状复杂的零件；冲压没有切削废料的生成，材料的消耗小，且不需要其他的热设备，也是一种省料的加工方法；冲压件成本低；但是冲压一般使用的模具有专有型了根本的变革。模具作为冲压生产的基本要素，其设计制造技术受到普遍的，有时一个复杂的零件需要数套模具才能加工成型，且模具精度较高，技术要求高，是技术密集型产业。冲压模具是模具中应用最为广泛的模具之一。特别是随着我国汽车、电子信息等工业的迅速发展，促使冲压工艺理论、冲压生产技术、冲压模具设计与模具制造方法发生，所以只有重视，因此学习模具设计课程，进行模具设计也是适应现代化工业的要求，设计一套完整的模具，要求设计者应具有扎实的动手能力和广阔的理论知识体系，如金属学和热处理知识、机械设计基础知识、工程制图、机械制造技术基础、材料成型工艺基础、公差与配合等一系列的知识体系。由于知识水平有限，工作和设计经验不足，在设计中难免有不足处，请老师加以批评和指正。1 冲压加工概述1.1 冲压加工的工艺特点冲压加工是借助安装在压力机上的模具，对放置在模具里的板料施加变形力，使板料在模具里产生变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的产品零件的生产技术。由于冲压加工常在室温下进行，因此也称为冷冲压。冲压工艺是指冲压加工的具体方法和技术经验；冲压模具是指将板料加工成冲压零件的特殊专用工具。板料、模具和压力机是构成冲压加工的三个必备因素。冲压加工的工艺特点如下：（1）冲压加工可以获得极高的生产效率，其操作简单，易于实现机械化和自动化。（2）用冲压加工的方法可以得到形状比较复杂和用其他加工方法不太容易加工的制件，如薄壳制件等。（3）冲压制件的尺寸精度和模具的尺寸精度相关。因此制件尺寸比较稳定、互换性较好。（4）冲压制件的材料利用率较高，制件质量轻，刚度/质量比和强度/质量比高，冲压耗能少。因此制件的成本可以相对较低。（5）冲压加工所用的模具一般比较复杂、生产周期长、成本较高。（6）冲压工艺最适合于批量较大的生产。近年来发展的简易冲压模具、组合冲压模具、锌基合金冲压模具以及数控冲压技术等为单件、小批量生产采用冲压工艺创造了条件。（7）冲压模具设计尤其对于复杂的冲压模具来说，需要很强的想象力和创造力，无论是在理论方面、经验方面还是在创造力方面，对于模具的设计者和制造者都有很高的要求。1.2 冲压加工工序的分类由于冲压加工制件的形状、尺寸、精度、批量、原材料等各不相同，冲压方法也就多种多样。但总起来说，可分为分离工序和变形工序两大类。分离工序是将来为一体的材料相互分开；而变形工序则使材料产生形状和尺寸的变化，成为所需要的制件。冷冲压可以分为四个基本工序：（1）冲裁：使板料分离来获得制件的工序。（2）弯曲：使板料由平变弯来获得制件的工序。（3）拉伸：使平板料变成开口壳体制件的工序。（4）成形：使板料或其他形状的半成品的局部产生凸凹变形的工序。1.3 冲压加工的发展动向1.冲压工艺方面提高劳动生产率及产品质量，降低成本和扩大冲压工艺应用范围的各种冲压新工艺，是研究和推广的大方向。（1）冷挤压是一种生产率高、产品质量好的先进加工工艺。用冷挤压的方法生产的零件一般不需要或只需要进行少量切削加工。目前，冷挤压不但用于生产有色金属零件，而且还用于生产黑色金属零件。随着模具设计和制造技术及模具材料的发展，冷挤压的应用范围将越来越广泛。（2）精密冲裁是提高冲裁零件质量的有效方法，它可以扩大冲压加工范围。目前精密冲裁已用于大型、厚、硬材料的加工，精密冲裁加工零件的厚度已达25mm。一部分过去用切削加工方法生产的零件现在已改为用精密冲裁方法制造。不仅如此，三维冲裁件已经在生产中开发和应用。（3）超塑性成形方法具有突出的特点，即能在很低的变形抗力下得到非常大的变形，这对于制造形状复杂和大型板料零件具有突出的优越性，可以用一次成形代替多道普通的冲压成形工序。目前，这种新工艺虽然还处于开发和推广的应用阶段，但在实际生产中已显示出其优越性，可用超塑性加工的金属材料的品种也正在不断增加。2.冲模方面冲模是实现冲压生产的基本条件。在冲模的设计和制造上，目前正朝着以下两方面发展。一方面，为了适应高速、自动、精密、安全等大批量现代化生产的需要，冲模正向高效率、高精度、高寿命、自动化的方向发展。在我国，工位数达37位甚至更多的级进模、寿命达千万次以上甚至亿次的硬质合金模、精度和自动化程度相当高的冲模都已经应用在生产中。同时，由于这样的冲模对加工、装配、调整、维修的要求很高，因此各种高效、精密、数控、自动化的模具加工机床和检测设备也正在迅速发展，如我国的数控铣床、数控加工中心和坐标磨床等先进模具加工设备已达到一定的水平。另一方面，为了产品的更新换代和试制或小批量生产的需要，锌基合金、聚氨酸橡胶模、薄板冲模、钢带冲模、组合冲模等各种简易冲模及其制造工艺也得到了迅速发展。为了适应汽车工业的发展，大型覆盖件冲模设计与制造水平也得到了很到的提高，也能生产成套轿车覆盖件模具。在模具材料及热处理、模具表面处理等方面，国内外都进行了不少研制工作，并取得了很好的实际效果，如65Nb、LD1、012A1、CG2等就是我国研制的性能优良的冲模材料。模具的标准化和专业化生产，已得到模具行业的广泛重视，这是由于模具标准化是组织模具专业化生产的前提，而模具的专业化生产是提高模具质量、缩短模具制造周期、降低成本的关键。我国已经颁布了冷冲压术语、冷冲模零部件的国家标准。冲模的专业化生产正处于积极组织和实施之中，但总的来说，我国冲模的标准化和专业化水平还是比较低的。模具的计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）也已经引起国内外模具行业的极大重视。可以说，计算机辅助设计与制造是冲压工艺编制及冲模设计与制造走向全盘自动化的重要措施。由于采用了CAD/CAM技术，不仅使冲模设计和制造周期大为缩短，而且提高了模具的质量。因而它的开发和应用已成为当前冲模乃至其他模具技术发展中引人注目的课题。3.冲压设备和冲压生产自动化方面性能良好的冲压设备是提高冲压生产技术水平的基本条件。高精度、高寿命、高效率的冲模需要高精度、高自动化的压力机与之匹配。目前主要是从两个方面予以研究和发展：一是对目前我国大量使用的普通冲压设备加以改进，即在普通压力机的基础上加上送料装置和检测装置，以实现半自动化或全自动化生产，改进冲压设备结构，保证必要的刚度和精度，提高其工艺性能，以提高冲压件精度，延长冲模的寿命；二是积极发展高速压力机和多工位自动压力机，开发数控压力机、冲压柔性制造系统（FMS）及各种专用压力机，以满足大批量生产的需要。2.塑性成形自动化技术2.1板料冲压生产线自动化目前，在大批量生产冲压件的企业中，自动化生产已经得到了广泛的应用。冲压生产自动化的基本方式如图2-1所示。冲压自动化单机自动自动生产线板料柔性加工系统通用压力机上采用自动送料装置自动压力机单机联线多工位自动机柔性自动化生产线刚性自动化生产线图2-1 板料冲压生产自动化基本方式在冲压生产自动化中，要提高整个生产效率，必然要采用自动送料装置。这种装置通常可分为两大类型：卷料、条料和板料的自动送料装置以及半成品送料装置，送料的形式有钩式、辊式、夹持式、闸门式、转盘式、摆杆式、钳式等。自动控制系统一般可分为控制压力机和控制送料装置两部分。计算机技术的迅速发展促进了自动化生产水平的不断提高，人们已不再单纯地采用机械方式来控制生产，而是更多地采用计算机来控制冲压生产中的某些环节。目前，我国冲压生产一般都是采用可编程控制器或计算机来控制冲压生产过程中的某些环节。以冲裁为例，一般由四个部分组成自动化系统：普通曲柄压力机；冲压模具；自动上下料机构；自动控制系统。对冲孔类型的零件，控制系统可以采用开环控制，由可编程序控制器作为中心控制部件，将曲柄压力机电气控制系统、送料装置的驱动控制部分联系在一起。整个系统具有手动运行，自动运行，任意方向的单次进给和连续进给、暂停，循环和部分循环执行加工程序，自动回零，显示加工程序执行过程，间隙补偿，停电记忆和错误自动诊断等功能。冲压生产过程自动化，是保持生产稳定、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、提高劳动生产率的一个重要手段，也是工业现代化的标记之一。同其他生产过程自动化一样，冲压生产过程的自动化经历了一下阶段：（1）初期阶段 凭生产实践经验利用一般的控制元件及机电式的控制仪进行控制，设备与设备之间、不同控制系统之间联系很少或根本没联系。（2）仪表化阶段 由于出现了气动与电动单元组合仪表和巡回检测装置，实现了集中监控与集中操纵的的控制系统，适应了工业生产设备日益大型化和连续化发展的需要，使控制的品质有了较大的提高。（3）综合自动化阶段 由于集成电路及计算机技术飞速发展，实现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制系统。采用计算机作自动检测与数据处理，对整个冲压车间进行全面最优的控制，实现冲压生产自动化，从而使过程控制发展到了崭新的阶段。冲压生产过程控制主要是分析反馈控制的特性。按设定值的形式不同，一般将控制系统分为三大类型：（1）定值控制系统 在生产中要求被控量保持在规定的小范围附近，此规定值就是控制器的设定值。设定值是固定不变的，引起系统变化的只是扰动信号。可以认为，以扰动量为输入的系统是定值系统。（2）随动控制系统 如果控制系统所设定的值是无规律变化的，控制的目的就是要使被控量相当准确而又及时地跟随设定值变化，自动达到平衡的位置。这种系统就是随动控制系统。（3）程序控制系统 控制系统的设定值按生产工艺要求有规律地变化，被控制量需要按规定的程序自动进行，保证冲压生产过程顺利完成，达到程序控制的目的。3. 冲裁工艺及冲裁模设计3.1冲裁变形分析3.1.1冲裁变形原理冲裁是分离变形的冲压工序。当凸、凹模之间的设计间隙合理时，工件受力后必然从弹性变形开始，进入塑性变形，最后以断裂分离告终。1.弹性变形阶段由于凸模加压于板料，使板料产生弹性压缩、弯曲和拉伸等变形，板料低面相应部分材料略挤入凹模洞口内。此时，凸模下的板料略有拱弯，凹模上的板料略有上翘。间隙越大，拱弯和上翘越严重。在这一阶段，若板料内部的应力没有超过弹性极限时，当凸模卸料后，板料立即回复原状。2.塑性变形阶段当凸模继续压入，板料内的应力达到屈服点时，板料开始产生塑性剪切变形。凸模切入板料并将下部板料挤入凹模孔内，形成光亮的剪切断面。同时，因凸、凹模间存在间隙，故伴随着弯曲与拉伸变形（间隙越大，变形亦越大）。随着凸模的不断压入，材料的变形程度便不断增加，同时硬化加剧，变形抗力也不断上升，最后在凸模和凹模的刃口附近，达到极限应变与应力值时，材料就产生微小裂纹，这就意味着破坏开始，塑性变形结束。3.裂纹分离阶段裂纹产生后，此时凸模仍然不断的压入材料，已形成的微裂纹沿最大切应变速度方向向材料内延伸，像楔形那样发展，若间隙合理，上下裂纹则相遇重合，板料就被拉断分离。由于拉断的结果，断面上形成一个粗糙的区域。当凸模再下行，凸模将冲落部分全部挤入凹模洞口，冲裁过程到此结束。3.1.2冲裁件断面质量及其影响因素1.断面特征冲裁件正常的断面特征是由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区组成。（1）圆角带 该区域的形成主要是当凸模刃口刚压入板料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被带进模具间隙的结果。（2）光亮带 该区域产生在塑性变形阶段，当刃口切入金属板料后，板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的断面。通常占全断面的1/31/2。（3）断裂带 该区域在断裂阶段形成，是由于刃口处产生的微裂纹在拉应力的作用下不断扩展而形成的撕裂带。其断面粗糙，具有金属本色，且带有斜度。（4）毛刺 毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，刃尖部分处于高静水压应力状态，使微裂纹的起点不在刃尖出发生，而是在模具侧面刃尖不远的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。在普通冲裁中毛刺是不可避免的，在四个特征区中，光亮带剪切面的质量最佳。各个部分在整个断面上所占的比例，随材料的性能、厚度、模具冲裁间隙、刃口状态及摩擦等条件的不同而变化。2.模具冲裁间隙大小对断面质量的影响冲裁单面间隙是指凸模和凹模刃口横向尺寸差值的一半，常称冲裁间隙，用C表示。间隙值的大小，影响冲裁时上、下形成裂纹的会合，影响变形应力的性质和大小。当间隙过小时，上、下裂纹互不重合。两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带。小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压力作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生因受到抑制而推迟。所以，光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度翘曲、拱弯等弊端都有所减小，工件质量较好，但断面的质量也有缺陷，像中部的夹层等。当间隙过大时，上、下裂纹仍然不重合。因变形材料应力状态中的拉应力成分增大，材料的弯曲和拉伸也增大，材料容易产生微裂纹，使塑性变形较早的结束。所以，光亮带变窄，剪裂带、圆角带增宽，毛刺和斜度较大，拱弯翘曲现象显著，冲裁件质量下降，并且拉裂产生的斜度增大，断面出现两个斜度，断面质量也不理想。当间隙适中时，上、下裂纹会合成一条线。尽管断面有斜度，但断面较平直，圆角和毛刺均不大，有较好的综合断面质量。这种间隙是设计选用的合理间隙。当模具间隙不均匀时，冲裁件会出现部分间隙过大、部分间隙过小的断面的情况。这对冲裁件断面的质量也是有影响的，要求模具制造和安装时必须保持间隙均匀。3.材料性能对断面质量的影响对于塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料剪切的深度较大，所以得到光亮带所占比例较大，圆角和弯曲较大，断裂带较窄。而塑性差的材料，当剪切开始不久材料便被拉裂，光亮带所占的比例小，圆角小，弯曲小，而大部分是带有斜度的粗糙断裂带。4.模具刃口状态对断面质量的影响刃口状态对冲裁件断面质量有较大影响。当模具刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁上也产生较大毛刺。凸模钝时，落料件产生毛刺；凹模钝时，冲孔件产生毛刺。3.2冲裁模具的间隙3.2.1冲裁间隙冲裁间隙是指冲裁模的凸模和凹模刃口之间的尺寸之差。双边间隙用Z表示。圆形冲裁模双边间隙为Z= (3-1)式中：冲裁模凹模直径尺寸，mm；冲裁模凸模直径尺寸，mm。冲裁间隙值的大小对冲裁件质量、模具寿命、冲裁力和卸料力的影响很大，是模具设计中的一个重要因素。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适当的范围作为合理间隙，这个范围的最小值称为最小合理间隙，最大值称为最大合理间隙，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。3.2.2间隙对冲裁件尺寸精度的影响冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，则精度越高。这个差值包括两个方面的偏差：一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，二是模具本身的制造偏差。冲裁件相对于凸模、凹模尺寸的偏差，主要是制件从凹模推出（落料件）或从凸模上卸下（冲孔件）时，因材料所受的挤压变形、纤维伸长、穹弯等产生弹性回复而造成的。偏差值可能是正的，也可能是负的。影响这个偏差值的因素有：凸模与凹模间隙，材料性质，工件形状与尺寸。其中主要因素是凸、凹模间间隙值。当凸、凹模间隙较大时，材料所受的拉伸作用增大，冲裁结束后，因材料的弹性回复使冲裁件尺寸向实体方向收缩，落料件尺寸小于凹模尺寸，冲孔孔径大于凸模直径。当间隙较小时，由于材料收凸、凹模挤压力大，故冲裁完后材料的弹性回复使落料件的尺寸增大，冲孔孔径变小。尺寸变化量的大小与材料的性质、厚度、轧制方向等因素有关。材料性质直接决定了材料在冲裁过程中的弹性变形量。软钢的弹性变形量较小，冲裁后的弹性回复也就小；硬钢的弹性回复量较大。上述因素的影响是在一定的模具制造精度这个前提下讨论的。若模具刃口制造精度低，则冲裁件的制造精度也就无法保证。所以，凸、凹模刃口的制造公差一定要按工件的尺寸要求来决定。此外，模具的结构形式及定位方式对孔的定位尺寸精度也有较大的影响。3.2.3间隙对模具寿命的影响模具间隙是影响模具寿命中最主要的因素之一。冲裁过程中，凸、凹模刃口受到材料对它的作用力，在这些力的作用下模具的失效形式一般有磨损、崩刃、变形、胀裂、断裂等。间隙主要对模具的磨损和胀裂有影响。冲裁过程中，模具与被冲制件之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，磨损越严重。过小的间隙会引起冲裁力、侧压力、摩擦力、卸料力、推件力增大，甚至会使材料粘连刃口，这就加剧了刃口的磨损；如果出现二次剪切，产生的碎削也会使磨损加大，间隙小，落料件或废料往往梗塞在凹模洞口，导致凹模胀裂。所以过小的间隙对模具寿命极为不利。间隙增大，可使冲裁力、卸料力等减小，使模具侧面与材料间的摩擦减小，从而刃口磨损减小。适当大的间隙还可以补偿因模具制造精度不够及动态间隙不均所造成的不足，不至于啃伤刃口，起到延长模具寿命的作用。3.2.4间隙对冲裁工艺力的影响随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此冲裁力减小。通常冲裁力的降低并不显著，当单边间隙在材料厚度的5%20%时，冲裁力的降低不超过5%10%。间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。间隙增大后，从凸模上卸料和从凹模里推出零件都省力，当单边间隙达到材料厚度的15%25%时卸料力几乎为零。但间隙继续增大，因为毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力迅速增大。3.3排样设计3.3.1材料的经济利用排样是指冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。合理的排样和选择适当的搭边值，是降低成本和保证制件质量及模具寿命的有效措施。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、合理性的指标是材料的利用率。一个进距的材料利用率的计算见式（3-3）： (3-2)式中：A冲裁件面积（包括内形结构废料）；n一个进距内冲裁件数目；b条料宽度；h进距。一张板料上总的材料利用率的计算见式（3-4）： （3-3）式中：一张板料上冲裁件总数目；L板料长；B板料宽。提高材料利用率主要应从减少工艺废料着手，通过合理的排样方法，使工艺废料减到最少。同样一个工件，可以有几种不同的排样方法，从而得到不同的材料的利用率。排样合理与否不但影响材料的经济利用，还影响到制件的质量、模具的结构与寿命、制件的生产率和模具的成本等技术、经济指标。因此，设计排样时应考虑如下原则：(1）提高材料利用率（在不影响制件使用性能前提下，还可适当改变制件形状）。(2）排样方法应使冲压操作方便，劳动强度小且安全。(3）模具结构简单、寿命高。(4）保证制件质量和制件对板料纤维方向的要求。3.3.2排样方法根据材料经济利用程度，排样方法可分为有废料、少废料和无废料排样三种；根据制件在条料上的布置形式，排样又可分为直排、斜排、对排、混合排、多排等多种形式。有废料排样为沿工件的全部外形轮廓，在工件与工件之间，工件与条料侧边之间都有工艺余料（称搭边）存在，冲裁后搭边成为废料。因留有搭边，所以制件质量和模具寿命较高，但材料的利用率降低。少废料排样为沿制件的部分外形轮廓切断或冲裁，只在制件之间或制件与条料侧边之间留有搭边，材料利用率有所提高。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到工件。采用少、无废料排样方法，材料利用率较高，有利于一次冲程获得多个制件，且可以简化模具结构、降低冲裁力。但是，因条料本身的公差及条料导向与定位所产生的误差将直接影响冲压件，所以冲裁件的尺寸精度较低。同时，因模具单面受力（单边切断时）不但会加剧模具的磨损，降低模具的寿命，而且直接影响到冲裁件的断面质量。为此，设计排样时必须统筹兼顾、全面考虑。3.3.3搭边和条料宽度的确定1.搭边排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的工艺余料，称为搭边。搭边的作用是补偿定位误差，保持条料有一定的刚度，以保证零件质量和送料方便。搭边过大，浪费材料；搭边太小，冲裁时容易翘曲或被折断，不仅会增大冲压件毛刺，有时还会拉入凸、凹模间隙中损坏模具刃口，降低模具寿命，或影响送料工作。搭边值通常由经验确定。2.送料步距与条料宽度的确定排样方式和搭边值确定后，条料的宽度和进距也就可设计出来，这样就可以画出排样图。（1）送料步距步距是每次将条料送入模具进行冲裁的距离。步距与排样方式有关，是决定挡料销位置的依据。每个步距可以冲出一个零件，也可以冲出几个零件。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，每次只冲出一个零件的步距（A）的计算公式为： A=D+ （3-4）式中：D平行于送料方向的冲裁件宽度；冲裁件之间的搭边值。（2）条料宽度条料宽度的确定与模具的结构有关。确定的原则是，最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值；最大条料宽度能在冲裁时顺利地在导料板之间送料条料，并有一定的间隙。条料是由板料剪裁下料得到的，为保证送料顺利，剪裁时的公差带分布规定上偏差为零、下偏差为负值。条料在模具上送进时一般都有导向，当使用导料板导向而又无侧压装置时，在宽度方向也会产生送料误差。条料宽度（B）的计算应保证在这两种误差的影响下，仍能保证在冲裁件与条料侧边之间有一定的搭边值（a）。当导料板之间有侧压装置时或用手将条料紧贴单边导料板或两个单边导料销时，条料宽度按下式计算： B=（D+2a+） （3-5）式中：D冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸；a冲裁件与条料侧边之间的搭边；板料剪裁时的下偏差。当条料在无侧压装置的导料板之间送料时，条料宽度按下式计算：B=（D+2a+2+） （3-6）式中：条料与导料板之间的间隙。3.4冲裁工艺设计冲裁工艺设计包含冲裁件的工艺性分析、冲裁工艺方案的确定和技术经济分析等内容。良好的工艺性和合理的工艺方案，可以用最少的材料，最少的工序数量和工时，并使模具结构简单，模具寿命高。合格的冲裁件质量和经济的工艺成本是衡量冲裁工艺设计的主要指标。3.4.1冲裁件的工艺性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。冲裁件的工艺性应考虑以下几点：（1）冲裁件的形状应可能简单、对称，避免形状复杂的曲线。（2）冲裁件的内、外形转角处要尽量避免尖角，而以圆弧过渡，以便于模具加工，减少热处理或冲压时的开裂，减少冲裁时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R0.5t。（3）冲裁件的凸出悬臂和凹槽宽度不宜太小，以免凸模折断，一般硬钢为（1.52.0）t，黄铜、软钢为（1.01.2）t，紫铜、铝为（0.80.9）t。（4）冲孔尺寸不宜过小，否则凸模强度不够。（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，会产生孔与孔间材料的扭曲，或使边缘材料变形。（6）在弯曲件或拉伸件上冲孔时，为避免冲孔时凸模受水平推力而折断，其孔边与制件直壁间应保持一定的距离，孔边离弯曲半径R中心的距离C应大于或等于板厚t的二倍。3.4.2冲压加工的经济性分析所谓经济性分析，就是分析在冲压生产过程中，如何采用尽可能少的生产消费获得尽可能大的经济效益。在进行冲压工艺设计时，应该运用经济分析的方法找到降低成本，取得优异经济效果的工艺途径。冲压件的制造成本包括材料费、加工费（工人工资、设备折旧费、管理费等）、模具费。模具费、设备折旧费、工人工资和其他经费在一定时间内是不变的，因此，叫做固定费用。而材料费、外购件费等，将随生产量大小而变化，属可变费用。这样，产品制造成本由固定费用和可变费用两部分组成。设法降低固定费用或可变费用，都能使成本降低、利润增加并积累资金。因此降低成本就是要降低上述各项费用，降低成本可通过以下几种方式：工艺合理化、降低小批量生产中的冲压件成本、多件同时冲压、提高材料的利用率、节约模具费用、冲压过程的高速自动化等。3.4.3冲裁工艺方案的确定确定工艺方案就是确定冲压件的工艺路线，主要包括冲压工序数、工序的组合和顺序等。确定合理的冲裁工艺方案应在工艺分析的基础上，根据冲裁件的生产批量、尺寸精度的高低、尺寸大小、形状复杂程度、材料的厚薄、冲模的制造条件与冲压设备条件等多方面因素，拟定出多种可能的不同工艺方案进行分析与研究，比较其综合的经济技术效果，选择一个合理的技术方案。确定工艺方案主要就是要确定用单工序模还是用连续模或复合模，其主要原则有以下三点：（1）保证冲裁件质量。用复合模冲出的工件精度高于连续模，而连续模又高于单工序模。这是因为单工序模冲压多工序的冲裁件时，要经过多次定位和变形，累积误差大，冲裁件精度较低，复合模是在同一位置一次冲出，不存在定位误差，因此，对于精度较高的冲裁件宜用复合工序进行冲裁。（2）经济性原则。在保证质量的前提下，应尽可能降低成本，提高经济利益，所以对于中批大量的冲裁件，应尽量采用高效率的多工序模，而在试制与小批量生产时应尽量采用单工序模与各种形式的简易模。（3）安全性原则。工人操作是否方便、安全也是在确定工艺方案时要考虑的一个十分重要的问题。3.5冲裁力和压力中心计算3.5.1冲裁力的计算冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具所必须的数据。对于普通平刃口的冲裁，其冲裁力F可按下式计算：F=KLt （3-7）式中: F冲裁力，N；L冲裁件周长，mm；t板料厚度，mm；材料的抗剪强度，Mpa；K系数，它是考虑到刃口钝化、间隙不均匀、材料力学性能与厚度波动等因素而增加的安全系数，常取K=1.3。3.5.2冲裁模具压力中心计算冲裁压力中心就是冲裁力的合力作用点。在冲压生产中，为保证压力机和模具正常工作，必须使冲裁模具的压力中心与压力机滑块中心重合，否则在冲裁过程中会使滑块、模柄及导柱承受附加弯矩，使模具与压力机滑块产生倾斜，凸、凹模之间的间隙分布不均匀，从而造成导向零件加速磨损，模具刃口及其他零件损坏，甚至会引起压力机导轨磨损，从而影响压力机的精度。因此设计时，必须确定模具的压力中心，并使之与模柄轴线重合，从而保证模具压力中心与压力机滑块中心重合。形状对称的冲裁件，其冲裁压力中心位于冲裁轮廓的几何中心，复杂形状工件或多凸模冲裁件的冲裁压力中心，可按力矩平衡原理进行解析计算，方法如下：（1）将冲裁件的冲裁轮廓分解为若干直线段和圆弧段，等基本线段。因为冲裁力与轮廓线长度成正比关系，故可用线段长度代替冲裁力进行压力中心的计算。（2）计算各基本线段的长度及其重心到坐标轴x、y的距离，和，。（3）计算压力中心坐标，。 (3-8) (3-9)3.6凸模与凹模刃口尺寸的计算3.6.1冲裁模刃口尺寸计算的基本原则冲裁模合理间隙是由凸模和凹模的刃口工作尺寸及其公差来保证。决定模具刃口尺寸及制造公差，需要遵循以下几项原则：（1）设计落料模时，以凹模为基准，按落料件先确定凹模刃口尺寸，然后根据选取间隙值再确定凸模刃口尺寸。（2）设计冲孔模时，以凸模为基准，按冲孔件先确定凸模刃口尺寸，然后根据选取间隙值再确定凹模刃口尺寸。（3）由于冲模在使用过程中有磨损，磨损的结果使落料件尺寸增大，冲孔尺寸减小。为了保证模具的使用寿命，落料凹模刃口尺寸应靠近落料件公差范围内的最小尺寸；冲孔凸模刃口尺寸应靠近孔的公差范围内最大尺寸。（4）考虑到磨损，凸、凹模间隙均应采用最小合理间隙。3.6.2刃口尺寸的计算方法落料 （3-10） （3-11）冲孔 （3-12） （3-13）式中：、分别为落料凹模和凸模的基本尺寸；、分别为冲孔凸模和凹模的基本尺寸；落料件的最大极限尺寸；冲孔件的最小极限尺寸；冲裁件的公差；磨损系数，其值应在0.51之间。4 圆形带孔垫片的工艺分析及相关计算4.1垫片工艺性分析 图4-1 圆形带孔垫片工艺分析由图可知,产品为圆片落料,圆片冲孔,形状结构简单对称,无狭槽,尖角：孔与孔，孔与零件之间最小距离满足c1.5t要求。（1）尺寸精度工件的尺寸全部为自由公差，可看作IT14级，尺寸精度较低，普通冲裁完全可以满足要求。（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12.5-13.2um，毛刺允许高度为0.05-0.1mm；本产品坐在断面粗糙度上没有太严格的要求，单只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。本设计产品材料为45钢，属于优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工，强度塑性韧性均比碳素结构钢好，综合力学性能较好，很适合冲裁加工。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。4.2冲压工艺方案的确定该工件包括落料、冲孔两个基本工序，可有以下3种工艺方案：方案一：先落料，后冲孔。采用单工序模生产。方案二：冲孔、落料级进冲压。采用级进模生产。方案三：落料、冲孔复合冲压。采用复合模生产。方案一的模具结构简单，但需要两道工序、两副模具，成本高而且生产效率低，难以满足大批量生产要求。方案二只需要一副模具，但由于工件的结构较简单，使用级进模工位数较多，经多次定位，会影响冲裁件的质量，同时会增加模具的制造成本和设计时间。方案三也只需要一副模具，生产效率高，操作方便，而且精度也满足要求，适合大批量生产。通过对上述3种方案的分析比较，该工件的冲压生产采用方案三为最佳。4.3垫片的排样图零件外形为圆形，可采用单排，交叉双排会多排：考虑到零件为中批量生产，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，排样图如下：图4-2 垫片排样图（1） 搭边参考文献冲压模具简明设计，确定搭边值a，b。当t=1时，a=2，b=1.5（2） 条料宽度及步距B=D+2a=80+2x2=84mm (4-1)S=D+b=80+1.5=81.5mm (4-2)(3) 材料利用率 (4-3)式中：A冲裁件面积（包括内形结构废料）；n一个进距内冲裁件数目；B条料宽度；S步距。取：n=1;A=*40*40=5026.55;S=81.5;B=84 4.4冲裁力及冲压压力中心的计算4.4.1冲裁力计算(1)冲裁力冲裁力公式为 (4-4) 冲孔冲裁力； 落料冲裁力。(2)冲孔冲裁力 (4-5)式中 K系数（取K=1.3）； 孔的个数，n=3。 冲孔周长，mm (4-6) mm (4-7) 材料厚度， 材料抗剪强度，查参考文献2知LY12，320MPa，取MPa。 =61253.4=61.25KN (4-8)(3) 落料冲裁力。 (4-9) mm (4-10) 所以 (4)卸料力。 (4-11) 式中 卸料系数，查参考文献1知0.05，取。 所以 KN(5)推料力 (4-12) 式中 推料系数，查参考文献1取。 同时卡在凹模洞孔内的件数，。 所以 KN(6)顶件力 (4-13) 式中 顶件系数，查参考文献1取。 所以 KN(7) 总冲压力冲裁时，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=181.87KN(4-14) 初选压力机：Jc23-35。4.4.2冲压压力中心计算由于该零件完全对称于相互垂直两条多层次线，所以模具的压力中心在图形的几何狭槽点上。4.5凸模 凹模