典型张力盘冲压复合模具设计.doc

典型张力盘冲压复合模具设计作者 吴振献 指导教师 苏财茂 副教授摘要：分析了典型张力盘的冲压工艺，确定了复合模具设计方案。计算了复合模具中的毛坯尺寸、冲压过程中的各工艺力等主要工艺参数和落料刃口、冲孔刃口等主要工作部分尺寸，设计了主要零件结构和实体模型，绘制了模具的装配图。分析了模的动作过程。关键词：张力盘；冲压；复合模Design of Compound Stamping Die for Typical Tension PlateWU ZhenxianAbstract: Stamping process of typical tension plate is analyzed first. Design scheme of compound stamping die is determinated. Primary process parameters and work part sizes are calculated. The former includes blank dimension,process force and so on. The latter includes cutting edge sizes etc. Primary part structure and solid model are designed. Assembly drawing of compound die are drawn. Acting process of die is also analyzed.Key words: Tension plate; Stamping; Compound die1 前言模具是机械、汽车、电子、通讯、家电等工业生产的基础工艺装备，模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。冲压模具是其中重要的一种。用它生产零部件，具有生产效率高、质量好、节约能源和原材料、成本低等一系列优点。为了满足人类对工业产品的品种、数量、质量及款式的越来越高的要求12。世界上各发达国家已十分重视模具技术的开发，并取得了显著的经济效益。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，我国已经颁布了冷冲压术语、冷冲模零部件的国家标准而且冲模的模架等基础零部件已专业化，商品化。此外，还有数以万计的模具私营企业和个体劳动者，在满足模具需求方面，起着不可忽视的作用。可以说，中国在模具技术方面，已有一支较强的队伍。模具的应用越来越广泛，其适应性也越来越强，它已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一2。根据我国模具制造技术的发展现状及存在的问题，今后应朝着如下几个方向发展1：（1）开发、发展精密、复杂、大型、长寿命模具，以满足国内市场需求。（2）加速模具标准化和商品化，以提高模具质量，缩短模具制造周期。（3）大力开发和推广应用模具CAD/CAM技术，提高模具制造过程的自动化和制造的高效率性。（4）积极开发模具新品种、新工艺、新技术和新材料。（5）发展模具加工成套设备，以满足高速发展的模具工业需要。模具属于精密机械产品，因为它主要由机械零件和机构组成，如成形工作零件（凸模、凹模），导向零件有（导柱、导套等），支承零件（模座等），定位零件等；送料机构，抽芯机构，推（顶）料（件）机构，检测与安全机构等。为提高模具的质量、性能、精度和生产效率，缩短制造周期，其零、部件多由标准零、部件组成。所以，模具应属于标准化程度较高的产品。金属板料冲压是模具在工业生产中应用广泛的加工形式之一，随着市场竞争日趋加剧，产品质量不断提高，对生产的安全性，操作的方便性等要求也日益提高。模具作为冲压生产的基本要素，其设计制造技术受到普遍重视，因此学习模具课程，进行模具设计也是适应现代化工业要求的。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，如金属材料与热处理知识、机械设计基础知识、机械制图、机械工艺制造学、公差与配合等一系列的知识体系345。冲压模具设计与制造技术是一项技术性和经验性都很强的工作,冲模制造则是模具设计过程的延续，目的是使设计图样，通过原材料的加工和装配，转变为具有使用功能和使用价值的模具实体,为现代生产加工企业提供了高效率、低能耗、低成本的生产方式。本文设计涉及加工环节中的各个细节,将整个模具设计过程作了详细介绍。2 典型张力盘冲压复合模具的设计过程2.1 产品生产的基本要求工件名称：张力盘生产批量：大批量材料：Q235-A 钢 厚度 t=0.8mm2.2 产品零件图及模型图1 产品零件图 图2 产品模型图2.3 工件工艺分析冲压件的工艺性是指冲件在冲压加工中的难易程序。冲压工艺性的好坏直接影响冲压件的质量、模具寿命、材料消耗、生产率和冲压成本，甚至影响到冲压工艺的实施。因此，设计中应尽可能提高冲压件的工艺性。工件采用材料为Q235-A钢，厚度为0.8mm，材料冲压性能良好。从工件的外观观察，工件是内外边缘同时翻边和局部拉深的，因此能否在起伏过程一次完成工件是保证工件的平整和预防起皱关键。那么就不大适合单一工序生产，单一工序生产难以保障工件的精度和满足量生产要求；而采用级进（或叫连续模）模具结构过于复杂，因此工件从经济效益、精度要求以及需要采用批量生产，采用复合模具在一个模穴生产完成是比较理想的。2.4 确定冲压件的最佳工艺制造方案根据制件工艺性分析，其基本工序有落料、冲孔、拉深、翻边四种，可以用以下两种工艺方案：方案1：采用反装式复合模具分为三副模具复合一次工序完成工件生产，采用弹性卸料装置卸料。第一副模具作用为落料、冲孔、浅拉深。第二副模具作用为U形孔的冲裁。第三副模具作用为内外翻边。方案2：采用正装式复合模具分为三副模具复合一次工序完成工件生产，采用弹性卸料装置卸料。第一副模具作用为落料，浅拉深。第二副模具作用为冲预冲孔、内外翻边。第三副模具作用为U形孔的冲裁。两种方案都采用弹性卸料装置，都能够保证避免压伤工件，冲孔和内翻边一次完成方便，但是第二种方案需要外加切边整形浪费材料，并且可能造成表面起皱。卸料时工件在凸模一侧，工件在下侧卸料，取出不方便。第一种虽然内孔翻边上下模镶拼复杂，但是卸料时卸料比较容易，而且保证精度和避免二次修边整形。经过多方论证，所以本设计采用第一种方案。2.5 主要工艺参数的计算2.5.1毛坯的尺寸计算根据等面积原则，用解析法求该零件的毛坯直径。首先将该零件分成圆、圆环、圆锥台三个简单的几何体，由表1查得他们的面积公式分别为：则毛坯展开尺寸 经查表2拉深的修边余量mm。则毛坯的直径：mmmm，取D=50mm 。表1 简单几何体表面积计算公式序号名称几何体面积A1圆2圆环3圆锥台表2 有凸缘圆筒件的修边余量凸缘直径凸缘的相对直径附图1.5以下1.5222.52.54251.61.41.21.0502.52.01.81.61003.53.02.52.21504.33.63.02.52005.04.23.52.72.5.2 画排样图冲裁件在板料上的布置叫排样。它是制定冲压工艺不可缺少的内容，直接影响着材料的利用率、冲模结构、制件质量和生产率等，条料冲裁时所产生的废料分为两种情况：（1）工艺废料：工件之间和工件与条料边缘之间存在的搭边，定位需要切去的料边，与定位孔不可避免的料头和料尾废料。（2）结构废料：由于工件结构的需要，如工件内孔的存在而产生的废料。排样方法主要有三种： 有搭边排样； 无搭边排样； 少搭边排样。合理排样并充分利用材料具有重大意义。排样中相邻冲裁件间的余料或冲裁件与条料边缘间的余料称为搭边。搭边用以防止送料发生偏差时，冲出残缺的废品。此模具设计时，由于采用先落料的基本工序，因此长度和宽度方向均采用搭边方法，因为这样制件的质量和模具的寿命都较高。另外，考虑操作方便及模具结构简单，故采用直排设计，并采用双排挡料销挡料。在排样图上应该标注条料宽度及其送料步距及搭边a和a1值。由表3可查得，冲裁时的搭边值为，所以则有：条料宽：条料的进距：冲裁单个工件的材料利用率 ：表3 冲裁金属材料的搭边值料 厚手工送料自动送料圆 形非圆形a a1aa1aa111.51.521.51221.52.5232232.5232.5画排样图如下：图3 排样图2.5.3 计算压力中心为了保证压力机和模具正常地工作必须使冲模的压力中心与压力机滑块中心线相重合。否则在冲压时会使冲模与压力机滑块歪斜，引起凸、凹模间隙不均匀和导向零件加速磨损，造成刃口和其它零件的损坏，甚至还会引起压力机导轨磨损，影响压力机精度。形状简单而对称的工件，如圆形、正多边形、矩形，其冲裁时的压力中心与工件的中心重合。由于该零件的落料、冲孔、翻边均为轴对称形状，其中心便是压力机的压力中心，故不必进行压力中心的计算。2.5.4 各部分工艺力的计算2.5.4.1 落料力计算按文献5中公式计算： 式中落料力（N）；工件外轮廓周长（），=D=157mm ；材料厚度（）；材料抗剪强度（MPa）；此零件厚度为0.8的Q235-A 钢，查表4得 ，抗剪强度=310380 Mpa，取=310 Mpa落料力则为：mmmmMPaKN2.5.4.2 卸料力计算卸料力公式：-卸料力系数，经查表5 取=0.03；卸料力则为：=表4 黑色金属的力学性能材料名称牌号材料状态抗剪强度普通碳素钢Q195未退火260-320Q215270-340Q235310-380Q255340-420Q275400-500表5 卸料力和推件力和顶出力因数料厚/mm钢0.06-0.090.10.140.1-0.50.04-0.070.0650.080.5-2.50.025-0.060.050.062.5-6.50.02-0.050.0450.056.50.015-0.040.0250.03注：卸料力因数在冲多孔、大搭边和轮廓复杂的工件时取上限值；冲裁间隙取最大时，因数数值可取小些。2.5.4.3 冲孔力计算按文献5中公式计算： 式中工件内轮廓周长（） mmmm； 材料厚度（），=0.8mm；材料抗剪强度（Mpa），查表4取=310 Mpa；则冲孔力为：KNKN2.5.4.4 推件力计算根据文献5中的公式：其中推件力因数，经查表5得到=0.05；F冲冲孔力的大小；卡在凹模内的工件（或废料）的数目，n=2，因为有两次冲孔动作。则推件力为：KNKN2.5.4.5 拉深力计算由于该零件为浅拉深，可按有压边圈的圆筒形件近似计算：式子中拉深力（N）； 拉深件的直径=27mm ；材料的厚度=0.8mm；材料的强度极限（），经查表4得到380； 拉深因数 KN；修正因数,经查表6得到0.93；则有拉深力 KNKN。表6 修正因数的数值0.550.570.600.620.650.670.0700.720.750.770.801.000.930.860.790.720.660.600.550.500.450.400.700.720.750.770.800.850.900.951.001.950.900.850.800.700.600.50注：表中为首次拉深的修正因数，为再次拉深的修正因数。2.5.4.6 压边力计算根据文献5压边力公式式子中压力圈面积 (mm2)；单位压边力，经查表7得到3.0；则压边力 mm2MPaKN表7 在单动压床上拉深时单位压边力的数值材料名称单位压边力08钢、Q235-A、20钢、镀锡钢板2.53.0软化状态下的耐热钢2.83.5高合金钢、高锰钢、不锈钢3.04.5总冲压力: 2.5.4.7 顶出力计算顶出力的计算公式为： 式子中顶料系数，查表5得=0.06；力很小，它与产品厚度、回弹力等因素有关，可估算为=130N；N2.5.5 冲压设备的选择2.5.5.1冲压设备类型的选择冲压设备类型的选择根据所要完成的冲压工艺的性质，生产批量的大小，冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择设备的类型。（1）考虑冲压件的大小 在中小型的冲压件、弯曲件或拉深件的生产中，主要采用开式机械压力机。因为它提供了极为方便的操作条件，模具也容易安装；在大中型冲压件生产中，多采用闭式结构形式的机械压力机；对于大型拉伸件的生产中，则应尽量选用双动压力机，使所用模具结构简单，调整方便。（2）考虑冲压件的生产批量 在大批量生产或形状复杂零件的大量生产中，应尽量选用高速压力机或多工位自动压力机；在小批量生产中，尤其是大型厚板冲压件的生产中，多采用液压机，由于液压机没有固定的行程，不会因为板料厚度变化而超载；对于小批量生产的弯曲、成型、校平或校形等工序可选用摩擦压力机，因为它具有行程自动调节，不易发生超负荷损坏的特点。（3）考虑压力机设备的精度和刚度 压力机的刚度由床身刚度、传动刚度和导向刚度3部分组成，如果刚度较差，负载终了和卸载终了时模具间隙会发生很大变化，影响冲压件的精度和模具寿命，设备的精度也有类似的问题。2.5.5.2 冲压设备规格的选择在冲压设备的类型选定之后，应该进一步根据冲压件的大小、模具的尺寸和冲压力来确定设备的规格。（1）所选压力机的公称压力必须大于冲压所需的总冲压力，即：。（2）压力机的行程大小要适当。由于压力机的行程影响到模具的张开高度，因此对于冲裁、弯曲等模具，其行程不宜过大，以免发生凸模与导板分离（导模板）或滚珠导向装置脱开的不良后果。对于拉深模，压力机的行程至少应大于成品零件高度的两倍以上，以保证毛坯的放进和成形零件的取出。（3）所选压力机的闭合高度应与冲模的闭合高度相适应。即满足：冲模的闭合高度介于压力机的最大闭合高度和最小闭合高度之间的要求。（4）压力机工作台面的尺寸必须大于模具下模座的外形尺寸，并还要留有安装固定的余地。但在过大的工作台面上安装过小尺寸的冲模时，对工作台的受力条件也是不利的。在实际生产中，为了防止设备的超载，可按(1.61.8)来估算压力机的公称压力，所以=1.888.52KN=159.336KN。参照文献5中附录B3可选取开式双柱可倾压力机，规格见表8：表8 开式双柱可倾压力机（部分）主要技术规格型 号J23-10J23-16J23-25J23-40公称压力/kN100160250400滑块行程/mm455565100滑块行程次数/（次/mm大闭合高度/mm180220270330最大装模高度/mm145180220265连杆调节长度/mm35455565滑块中心线至床身距离/mm130160200250床身两立柱间距离/mm180220270340工件台尺寸/mm前后240300370460左右370450560700垫板尺寸/mm厚度35405065孔径170210200220模柄孔尺寸/mm直径30404050深度55606070最大倾斜角度（）35353030电动机功率/Kn1.101.502.205.5机床外形尺寸/mm前后895113013351685左右65192111121325高度1673189021202470机床总质量/576105517803540参照表8，选用公称压力为160 kN的压力机，其型号为J23-16。该压力机与模具设计的有关主要参数为：公称压力：160kN；滑块行程：55mm；最大闭合高度：220mm；封闭高度调节量：45mm；工作台尺寸：300450mm；模柄孔尺寸：40mm60mm。2.5.6主要工作部分尺寸计算2.5.6.1确定冲裁间隙冲裁间隙是指冲裁模中凸凹模刃口部分尺寸之差，其双面间隙用Z表示，单面间隙用Z/2。冲裁间隙的大小对冲裁件的断面质量、冲裁力和模具寿命等影响很大，所以冲裁间隙是冲裁模具设计中的一个非常重要的工艺参数。（1）间隙对冲压力的影响间隙增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，冲裁力有一定程度的降低，继续增大间隙值，会因从凸凹模刃口处产生的裂纹不相重合的影响，冲裁力下降变缓；间隙减小，材料不易撕裂，使冲裁力增大；间隙合理时，冲裁力最小。（2）间隙对模具寿命的影响间隙小，落料件或废料往往会梗塞在凹模洞口，导致凹模涨裂，因此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，从而刃口磨损减小。但是间隙过大，零件毛刺增大，卸料力增大，反而使刃口磨损加大，所以合理的间隙值可适当弥补模具制造精度不高和动态间隙不均匀引起的不足，不至于啃伤刃口，起到延长模具寿命的作用。（3）间隙对冲裁件质量的影响 间隙过小时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向外错开一段距离。当凸模继续下压时，在上、下裂纹中间产生二次剪切，在制件断面形成两个光亮，而夹在中间的是撕裂面，并在端面出现挤长的毛刺。毛刺虽有所增长，但易去除，而且冲裁件的翘曲小，断面垂直，只要中间撕裂不是很深，仍可使用。 间隙过大时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向内开一段距离，材料的弯曲与拉伸增大，拉应力增大，易产生剪裂纹，塑性变形阶段较早结束，致使断面光亮带减小，圆角带增大，所形成的厚而大的拉长毛刺难以去除，制件翘曲严重。 间隙不均匀时，将在制件的整个冲裁轮廓上分布着各种不同情况的断面。由以上分析可见，凸凹模、弯曲凸模的间隙对冲件质量、冲裁力、模具寿命等都有很大的影响。因此，在设计模具时一定要确定一个合理间隙值，以提高冲件的断面质量、尺寸精度、模具寿命和减小冲裁力126。由表9提供了落料、冲孔模初始间隙的经验数据：表9 落料、冲孔模刃口始用间隙板料厚度30钢板08、10、15钢板.Q23545、T7、T8minmaxminmaxminmax0.80.100.130.070.100.130.161.00.130.160.100.130.170.201.20.160.190.130.160.210.241.50.210.250.150.190.270.31注：表中min为下限最小间隙值；max为上限最大间隙值。因该冲件的材料为Q235，厚度=0.8,查表9可得冲裁模刃口双面间隙Zmin=0.07mm，Zmax=0.10mm。2.5.6.2 落料刃口尺寸计算mm的凸、凹模的制造公差，经过查表10后，得出mm、mm。由于，故采用凸模与凹模配合加工方法。其因数由表11查得，磨损系数=0.5。又有制件制造公差0.62mm，则：mm mm。按凹模尺寸计算配制，其双面间隙为0.070.1mm。表10 规则形状（圆形、方形件）冲裁时凸模、凹模的制造公差基本尺寸凸模公差凸凹模公差凹180.0200.02018300.0200.02530800.0200.0301201800.0300.0401802600.0300.045表11磨损系数x材料厚度非圆形x值圆形x值10.750.50.750.5工件公差10.160.170.350.360.160.16120.200.210.410.420.200.20240.240.250.490.5040.300.210.590.601.5D时,应采用将橡胶分段,其间垫以钢垫圈； 安装橡胶时，周围应留有足够的空隙位置，以容许橡胶压缩时断面尺寸的胀大78。（2）选用橡胶时的计算步骤 根据工作行程计算橡胶的自由高度，自由=（3.54）S工作 根据H自由计算橡胶的装配高度，2 =（0.850.9）H自由 在模具装配时，根据模具空间大小确定橡胶的断面面积。2.5.8.2上卸料橡胶高度计算上卸料采用橡胶作为弹性元件。按生产经验公式计算橡胶的自由高度：，式中：橡胶的自由高度（mm）；工作行程与模具修模量或调整量（46mm）之和。（3.5+1+5）mm9.5mm；mmmm ；取35mm按生产经验公式计算橡胶装配高度：mmmm；取 30mm橡胶的断面面积，在模具装配时按模具空间大小决定。2.5.8.3 下顶块橡胶高度计算下顶块压边采用橡胶作为弹性元件。生产经验公式计算橡胶的自由高度：（3.5+5）mm8.5mmmmmm；取30mm计算橡胶的装配高度：mmmm；取26mm橡胶的断面面积，在模具装配时按模具空间大小决定。3 模具的总体设计与装配调试3.1 模具的总体设计模具结构主要零件有：上、下模座、落料凹模、凸凹模、冲孔凹模、冲孔凸模、镶拼凸模、镶拼凹模、下顶块、上顶块、卸料板、垫板、固定板等等。根据主要的工作部分尺寸，结构以及弹性元件的尺寸，模架选取I级精度的后侧导柱模架58。即：上模座： HT200下模座： HT200导 柱： 20钢导 套： 20钢导柱、导套渗碳深度为。落料凹模、凸凹模、冲孔凹模、冲孔凸模、镶拼凸模、镶拼凹模材料均采用Cr12，热处理硬度；下顶块、上顶块、卸料板、垫板、固定板材料均采用45钢。该模具成型部分做成镶拼凹模和镶拼凸模，这样冲裁刃口变钝后，只要将刃口部分按常规修磨一下重新安装即可使用，减少重新制造模具易损元件麻烦和费用。其中下顶针除了起压边的作用，另外当工件拉深到下顶块触到下固定板时，下顶块起到限位作用，当上模回程时拉深工件有了一个校正的过程。 凸模结构尺寸确定：常用长度4065mm。长度采用60mm；凹模结构尺寸确定：高度Kb(15mm)H=0.3539=13.65mm.取20mm；冲压件最大外形尺寸 、系数经查文献5表得0.30.35凹模边壁厚：c（1.52） =(1.52)203040mm,C取40mm；凹模板取边长:b+2c=39+240=119mm将凹模板加工成变薄形式加空心垫板尺寸取12012020；凸模尺寸：=L1+L2+L3+2.5+6=10+30+8+2.5+6=56.5mm；-卸料板厚度 -上顶块橡胶厚度 -盖板厚度预冲孔凸模属于细长杆需要做成阶梯型。3.2 模具的装配对于导柱复合模，如果采用反装法，一般先安装下模，然后找正上下模中凸凹模的位置，按照冲孔凹模型孔加工出顶杆孔，这样既可以保证上模中推件装置与模柄中心对正，又可避免顶杆错位，而后以凸凹模为基准分别调整落料与冲孔的间隙，使之均匀，再安装其它的零件。3.2.1 安装顺序（1）组件装配：模架的组装，模柄的装入，凸模及凸凹模在固定板上的组装；（2）总装配：先装下模，再以下模为准装上模；（3）调整凸凹模的间隙；（4）安装其它辅助零件；（5）检查、试件。3.2.2 装配要点（1）按照装配过程安装，先装下模，然后装上模；（2）上模座、上模垫板、落料凸模和上模固定板上的销钉孔在调整完凸、凹模间隙均匀后一起配钻；同理，下模的销钉孔在下模座、下模垫板和凸凹模固定板经配合后配钻；（3）装落料凹模前先把挡料销装入，使其保证过盈配合；（4）冲孔凸模装在上模固定板以后，应将冲孔凸模底部高出上模固定板的部分磨平。3.2.3装配过程3.2.3.1 零件装配清单表13 零件装配清单序号零件名称零件规格零件材料加工方法数量备注1上模座HT200STD12下模座HT200STD13导柱20钢渗碳深度0.81.2mm25862HRC4导套20钢渗碳深度0.81.2mm25862HRC5凸凹模Cr12铣、热处理1淬火6064HRC6冲孔凹模Cr12铣、热处理1淬火6064HRC7冲U型孔凸模Cr12铣、热处理3淬火6064HRC8镶拼凹模Cr12线割、热处理1淬火6064HRC9镶拼凸模Cr12线割、热处理1淬火6064HRC10凹模板Cr12铣、热处理1淬火6064HRC11落料凹模Cr121淬火6064HRC12上固定板45钢13下固定板45钢14上垫板140120445钢15下垫板140120445钢16模柄45钢STD17打杆45钢STD18盖板（空心垫板）140120845钢STD119卸料板STD20上顶块STD321下顶块STD322上顶块橡胶垫S4030橡胶123下顶块橡胶垫S4026橡胶124限位钉STDSTD3.2.3.2 模具工作零件装配示意图图9 落料、冲孔、翻边镶拼装配示意图图10 模具整体装配图3.2.3.3 冲压工艺过程卡表14 冲压工艺过程卡3604机电技术教育产品型号零件名称张力盘共 1 页产品名称张力盘零件型号第 1 页材料型号及规格(mm)材料技术要求毛坯尺寸单毛坯制件数毛 坯质 量辅助材料Q235-A钢1030530.853103020良好工序号工 序名 称工序内容加工简图设 备工艺装备备注0下 料剪床裁板531030剪 床1落料拉深冲翻边孔落料、拉深、冲孔结合J-23-16落料拉深复合模2冲U型孔冲U型孔J-23-16冲孔模3内外缘翻 边内外缘翻边J-23-16翻边模3.2.3.4 装配工序过程模具类型和结构特点虽不同，采用的装配方法和安装顺序也有差异，但装配原则一致，装配时，首先要选择装配基准件，然后将各零件按其间连接关系先装配成组合件，以基准件为装配进行总装。基准件的选择取决于模具的结构特点，例如导板模一般选用兼作卸料的导向板；带导向的弹性卸料模具选弹压卸料板；用导柱、导套的模具，常以凹模作为装配基准。该冲压复合模具的总体装配工序如下表37：表15 装配工序过程序号工 序工艺说明1检查零件及组件